珍珠河堤防工程设计探讨

佟 亮

（昌图县水利事务服务中心，辽宁 昌图 112599）

1 概 述

珍珠河发源于瓦房店市驼山乡平山屯，河源海拔高程196.0m。在复州城镇那家屯注入复州河。珍珠河是复州河右岸一级支流，干流全长为19.3km，流域面积为72km2，河道平均比降2.478‰。

珍珠河及其支流大窑河位于复州城镇主城区，城镇化程度高，工商业发达，人口较多且集中。多年以来，复州城镇主城区建设缓慢，环境质量不高，大窑河在主城区穿过，整体建设水平不高，主要以防洪建设为主，未充分发挥城区河流在生态景观方面的效益。

根据《复州城中心镇经济社会发展总体规划（2016—2030）》，要完善村镇体系，推进全域城市化发展，按照集约、高效、科学、合理的思路，结合复州城中心镇的定位和经济社会发展特征，将复州城中心镇确定为“两核、三区、三轴、一带”的发展格局。其中“一带”为珍珠河与大窑河生态景观廊带，注重生态廊道的生态效应，使其成为集康健、休闲、运动于一体的独具活力的公共空间廊带。因此，为了落实《复州城中心镇经济社会发展总体规划（2016—2030）》，完善珍珠河与大窑河水环境及沿线生态绿化设施，保护并恢复自然生态为重点，开展环境保护、生态建设等工作，在大窑河入珍珠河汇合口处建设橡胶坝是十分必要的。

治理珍珠河总长度为200.74m，起点为大窑河汇入珍珠河口处（0+000.00），终点为上游200.74m 的河道转弯处（0+200.74）。工程建成后，不仅可以防洪排涝，满足居民的安全需求，更重要的是治理后的河道，对区域的环境和生态有明显的提升，增加复州城镇吸引力，促进招商引资，对区域的经济发展有着重要意义[1-3]。

2 珍珠河堤防

2.1 堤线布置原则

1）根据河流水文、地形、地质条件和既有河岸的稳定性，选择河道宽度、平面形状最优的岸线，既能满足泄洪要求，又符合河床演变规律，又能节省工程投资。

2）所选岸线应平整，原岸线应“宽处不收窄，窄处加宽”，使岸线走向尽量与洪水主流一致，以减少冲刷和淤积。

3）岸线应与河上桥梁顺畅连接，尽量利用现有的河流和有利地形，尽量结合两岸的植物规划结合堤岸，沿河修建的建筑物与岸线保持足够的距离，留出交通或绿化带的宽度[4-6]。

2.2 珍珠河堤型方案选择

设计河道堤型与现有下游河道堤型保持一致，采用复式断面直墙式浆砌石的断面结构型式。

2.3 珍珠河纵、横断面

根据1∶500 河道平面带状图，经设计计算，各断面河道的河底高程与河道宽度详见表1。

3 珍珠河水面线推算

3.1 计算条件

3.1.1 计算范围

珍珠河水面线下游计算起点为桩号0-230 处，位于大窑河汇入珍珠河处下游230m 左右过水路。计算终点为桩号0+200.74 处。

3.1.2 地形资料

本次珍珠河道治理工程有实测1∶500 平面图，实测横断面图，水面线计算根据设计平面及断面图进行水面线推求。

3.1.3 标准及流量

珍珠河治理段10a 一遇洪峰流量,大窑河支流汇入前为197.33 m3/s，大窑河支流汇入后为245.10 m3/s。

3.1.4 起推水位

大窑河汇入珍珠河河口处下游约230m（即桩号0+230）处有一过水路，过水路上游10m 处有一水闸（即桩号0-220），珍珠河水面线主要受过水路控制，上游水闸的影响已在推求水面线过程中考虑局部损失。过水路路面高程为17.20m，过水路上游河道宽度为60.10m，河底高程为15.40m。根据2021 年《瓦房店市珍珠河河道管理范围划界报告》可知，过水路下游水位为18.93m，过水路上游水位根据《水力计算手册》中堰流公式推算，经计算，过水路上游设计洪水时水位为19.24m，以该水位为珍珠河水面线计算起推水位[7-9]。

3.1.5 糙率选取

河道糙率取值参考《水力计算手册》中的衬砌渠槽糙率表，并结合本次治理后河道的实际情况综合确定。珍珠河河槽水流较平顺，断面规整，经综合考虑，河道采用综合糙率0.03。

3.2 计算方法

水面线的推算方法是应用济南百图水利科技开发有限公司开发的百图水利计算软件，依据能量守恒定律，逐断面推算水面线，主要公式如下：

式中：Z1为下游断面水位高程，m；Z2为上游断面水位高程，m；hf为两断面间的沿程水头损失，m；hJ为两断面间的局部水头损失，m；α1、α2为下、上游动能修改系数；V1、V2为下、上游断面平均流速，m/s；为计算河段的平均水力坡降；L为计算河段长度，m；n为河床综合糙率。

缓坡段从河道下游（入海口）向上游逐断面推求，陡坡段从临界水位向下推求。局部损失主要考虑截面突然扩大或缩小的,以及弯道转角较大情况，局部损失系数的采用是参考《水工设计手册》中的规定。

3.3 计算结果

河道水面线计算成果见表2。

表2 珍珠河河道水面线

4 珍珠河堤防工程

4.1 珍珠河堤防结构断面设计

珍珠河治理长度200.74m，桩号0+000～0+200.74河段，基础坐落在土质地基上。河道宽度53.52～63.22m，堤防采用复式浆砌石直墙断面结构型式，主河槽两侧直墙及河道两侧直墙结构相同，墙体顶部宽度为0.5m，墙体采用砌体直墙式，墙高1.20～1.60m，基础埋深1.0m，前趾0.5m，后趾0.3m。直墙前趾采用铅丝石笼护脚，护脚长度1.5m，护底厚度1.0m。直墙每10m 设置伸缩缝，缝宽为20mm，缝间用闭孔泡沫板填充。人行步道自上而下结构为30mm 厚花岗岩石板面层，30mm 厚1∶ 6干硬性水泥砂浆，150mm 厚3 ∶ 7 灰土。行车道自上而下结构为200mm厚C30混凝土，150mm厚水稳层。

4.2 堤顶高程的确定

根据《堤防工程设计规范》的规定，堤顶设计高程按设计洪水位加堤顶超高确定，堤顶超高为安全超高加风浪爬高加风壅水面高。

根据《堤防工程设计规范》有关规定，其堤顶超高计算公式为：

式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，不允许越浪取0.5m。

按《堤防工程设计规范》确定，河道墙顶高程见表3。

表3 珍珠河河道墙顶高程

4.3 冲刷计算

其冲刷计算公式为：

式中：hS为为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m，以断面平均水深代替；Ucp为平均流速，m/s；UC为泥沙启动流速，m/s；n 为与护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=0.25。

式中：U为行进流速，m；η为流速不均匀系数，根据《堤防工程设计规范》选取1。

冲刷深计算成果见表4。

表4 冲刷深度计算成果表

4.4 防洪墙稳定计算

4.4.1 计算断面

稳定计算取1 个典型计算断面进行计算，土基防洪墙高为2.60m，顶宽0.5m，墙背坡比1∶ 0.5，墙前趾0.5m，墙后趾0.3m，基础深度1m，浆砌石墙身。

4.4.2 计算指标

浆砌石挡土墙的计算指标参考已建类似工程及地勘报告选取，详见表5。

表5 堤防材料物理力学指标

4.4.3 计算工况

1）运行期，迎水面水位在墙趾上表面处，水位同河底持平；背水面水位在排水管处高于迎水面0.3m。

2）完建期，迎水面、背水面水位在墙趾上表面处，水位同河底持平[10-12]。

4.4.4 计算公式

1）抗滑稳定安全系数按下式计算：

式中：KC为抗滑稳定安全系数；∑W为作用与墙体上的全部垂直力的总和，kN；∑P为作用与墙体上的全部水平力的总和，kN；ƒ 为底板与堤基之间的摩擦系数（土基取0.40）。

2）抗倾稳定安全系数按下式计算：

式中：K0为抗倾稳定安全系数；MV为抗倾覆力矩，kN·m；MH为倾覆力矩，kN·m。

3）基底压应力按下式计算：

式中：σmax、min为基底的最大和最小压应力，kPa；∑G为垂直荷载，kN；A为底板面积，m2；∑M为荷载对底板形心轴的力矩，kN·m；∑W为底板的截面系数，m3。

4.4.5 计算结果

稳定计算成果见表6。

表6 稳定计算成果表

4.4.6 稳定计算成果分析

从计算结果看，运行期，抗滑稳定安全系数1.37 ≥[ Kc]=1.20， 抗倾稳定安全系数2.90 ≥[ K0]=1.50，土基防洪墙基底应力最大值与最小值之比2.43 ≤2.50，满足规范要求。

5 结 语

珍珠河现状为多年形成的天然河道及部分经过治理的河堤，本次治理段河道两岸建有浆砌石直墙，但防洪标准不足10a 一遇标准，且边墙破损较为严重，洪水发生时，河水出槽，对复州城镇主城区造成较大威胁。工程建成后，能保证河道沿线居民生活、人身安全，保证区内企业的安全生产，推进复州城镇经济协调发展，提升复州城镇的竞争力，对区域的经济发展有着重要意义。