七里河综合治理工程堤防方案分析

梁洪吉

（大连河海水利水电勘测设计有限公司,辽宁 大连 116021）

1 引言

河道综合治理工程旨在改善河道防洪能力不足、污染严重、生态效益低下的现状,具有良好的经济、社会、生态效益,有较多的城市采取了河道综合治理措施,取得了良好的成果[1-5]。防洪是河道的重要功能之一,堤防工程是常见的防洪措施,选取合理的堤防结构型式有助于提升河道的治理效果,降低工程投资,意义重大。

2 工程现状

七里河综合治理工程河道治理起点为0+000潘家窑村,末点位于3+725引黄北干出口1#洞处,全长3.725 m。河道高程在1229 m～1315 m左右,河道平均底宽约为20 m,治理段河道平均纵坡为22‰。

治理段河道现状堤防防洪标准不足10年一遇,存在无堤防防护、堤防宽度及高度不满足防洪要求等问题,部分河道现状坡比较陡,遇洪水冲刷,两岸易坍塌；部分河道行洪断面极不规则,河底淤积严重,生活垃圾堆积；河道存在围河造田等侵占河道的现象,致使原有河道束窄,行洪能力进一步降低。

七里河是永定河水系的重要组成部分,对河道进行综合治理,提高河道防洪标准,保障两岸防洪安全,实现河道生态恢复,巩固首都引水水源地的水生态、水环境,重现大河风光和秀美山川,对该段河道进行治理是非常必要的。

3 工程布置方案

3.1 河岸堤线的布置原则

根据治理段河道现状,针对河道突出的洪水问题和冲刷破坏、岸坡失稳现象,确定以保护沿河乡镇、村庄防洪安全为原则,结合生态环境建设,对河道进行综合治理。

3.2 河道治理的总体布置

为保证河道行洪通畅,河势稳定,按照河道规划的原则,结合实际地形地质条件,经过多次实地勘察,经方案比较后确定本次河道治理工程设计方案。

本次河道治理工程内容主要分为三部分,包括河道疏浚工程、护岸工程及过水路工程。

3.2.1 疏浚工程

治理段河道现状部分行洪断面极不规则,部分河底淤积严重,部分河段生活垃圾堆积。本次工程以恢复河道行洪能力,满足10年一遇防洪要求为原则进行疏浚,总长度为3.725 km,对河道行洪断面进行整修。

3.2.2 堤防护岸工程

堤防护岸工程是提高河道防洪标准的重要工程措施,为保证河道行洪通畅,改善生态环境,按照前面所述的河道治理方针和原则布置堤防。本次尽量利用现有堤防,新建0+000～3+725河段两侧堤防护岸共计5.95 km。新建公路防冲消能措施一处,对一处既有桥梁进行防护。

3.2.3 过水路面修复及防护工程

本次工程拆除重建桩号3+050处1#过水路；对桩号3+425处2#过水路进行维修及防护。

3.3 河道水力计算

3.3.1 计算条件

1）计算范围

本次水面线计算范围为0+000～3+725,计算河长3.725 km。

2）地形资料

本次有实测1∶1000平面带状地形图及实测现状横断面图,水面线计算采用设计河道平面及断面,并结合现状进行水面线推求。

3）标准及流量

设计河段均采用10年一遇防洪标准,洪峰流量为35.0 m3/s。

4）控制水位

本次治理河道段为陡坡河道,故本次起推位置采用治理段上游0+000断面处的均匀流水深时对应的水位作为控制水位向下游推算,经计算0+000断面处水位为0.65 m。

5）糙率选取

河道糙率取值参考《水力计算手册》中的河道糙率表,然后结合本次治理后河道的实际情况综合考虑确定。七里河河槽水流较平顺,设计断面规整,经综合考虑,河道采用综合糙率0.035。

3.3.2 计算方法

本次水面线的推算方法是依据能量守恒定律,自上游向下游逐断面推算水面线,主要公式如下：

式中：Z1、Z2分别为下、上游断面水位高程,m；hf、hj分别为沿程水头损失、局部水头损失,m；1、2分别为上、下游动能修改系数；V1、V2分别为上、下游断面平均流速,m/s；J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。

局部损失主要考虑了河道断面逐渐（突然）扩大、弯道、支流汇流、桥墩阻力等。河道水面线计算成果见图1。

图1 河道水面线设计成果

堤顶高程由设计洪水位加堤顶超高,堤顶超高Y按下式计算：

式中： R、e、A分别为设计波浪爬高、风壅水高度、安全加高,m。

5级堤防允许越浪时的安全加高为0.3 m。治理段河道堤防的堤顶超高成果见表1,综上,本次设计堤顶超高取值为0.6 m。设计堤顶高程见图2。

表1 堤顶超高计算成果表

表2 各土层物理力学指标

图2 设计堤顶高程

图3 堤防工程标准断面图

4 堤防工程设计

河道治理工程共治理河道长度为3.725 km,其中河道清淤疏浚长度3.725 km（0+000～3+725）,新建0+000～3+725河段两侧堤防防护。其中新建格宾笼护坡5.576 km,新建格宾笼护脚5.576 km,新建素混凝土挡墙374 m,新建三维加筋固土网垫并播撒草籽6195 m2。

4.1 格宾笼护坡堤防结构设计

本次新建格宾笼护坡5.576 km,新建格宾笼护脚5.576 km,新建三维加筋固土网垫并播撒草籽6195 m2。标准断面图一适合0+000～0+125、0+200～1+050、1+050～3+725河道防护段断面,标准断面图二适合1+050～2+500段河道左侧为现状山体断面。防护段堤防采用500 mm厚格宾笼护坡进行防护,下设500 mm厚格宾笼固脚共两层。设计堤顶以上护坡采用新建三维加筋固土网垫（播撒草籽）作为生态护坡。

4.2 护坡堤防稳定计算

4.2.1 堤防渗流稳定计算

采用理论方法数值模型计算渗流水力要素及其分布,分析堤基及堤身渗流安全。渗流计算基础数据可按照经验数据选取。

（1）计算工况

为安全起见在设计洪水位和校核洪水位下同时考虑稳定渗流,因此渗流稳定需计算以下三种工况：

1）临水坡为设计水位,背坡侧为相应水位；

2）临水坡为设计水位,背坡侧为低水位或无水位；

3）洪水降落时（河道内水深为设计洪水时的1/3水深）对临水侧堤防最不利的情况[6]。

（2）代表断面及计算参数

渗流稳定分析采用有限元分析方法（数值法）。

各参数参考本地区类似工程确定。

根据河道的断面型式、边坡、高度等因素,确定1+000迎水坡最不利断面的代表断面,堤防高度2.01 m,水深1.3 m,边坡坡比1∶2。

（3）渗流稳定计算

根据以上确定的计算参数及计算工况,采用有限元法对代表断面的各工况进行分析计算,计算所得流网见图4,各种工况计算结果见表3。

表3 渗流稳定计算成果汇总表

图4 断面1+000流网图

由表3可知,河道堤防渗透比降满足要求,渗流稳定。

4.2.2 堤防稳定计算

1）计算工况及方法

根据河道堤顶高程和迎、背水坡的最低点高程,确定1+000断面为最不利断面,堤防抗滑稳定分以下三种工况：

（1）设计水位时的迎水坡；

（2）水位降落期的迎水坡；

（3）施工期迎水坡。

滑弧稳定计算利用理正岩土计算软件,采用瑞典圆弧法,选择典型断面进行计算。

2）代表断面及计算参数

根据本次地勘报告提供的数据,各土层物理力学指标见表4。

表4 各土层物理力学指标

3）计算典型断面

正常运用时期分别为设计水位和水位降落期（河道内水深为设计洪水时水深的1/3）时为最不利工况；特殊工况1为施工期。计算断面见图5,计算结果见表5。

表5 堤防圆弧滑动稳定性计算结果

图5 断面1+000完建期稳定计算结果简图

根据表5计算结果,岸坡稳定安全系数均满足规范要求。

5 结论

1）七里河治理段河道存在防洪能力不足、岸坡易坍塌、河道淤积严重等现象,亟需采取综合治理工程提高河道行洪能力。

2）通过收集相关参数,结合河道沿线实际情况确定堤线布置情况,基于能量原理进行河道水面线推求并确定堤顶高程。选取两种标准堤防断面进行,经分析安全性满足相关要求。

3）建议在河道治理工程中考虑生态环境效益,提高亲水空间打造,让七里河成为区域休闲娱乐的地点,更好地服务人民。