黄河宁夏段河道治理工程设计

娄森元

摘要：为进一步控制黄河宁夏段游荡性河势，规顺分汊型河段中水河槽，使其逐步稳定，工程设计中结合河道治理现状，采用了“微弯型整治+就岸防护”的综合整治方案。在设计实践中，根据每处工程所处地理位置、地形条件、河势变化、迎送流情况，考虑新建、续建、改建工程与己建工程的一致性，确定了工程的布置方案及结构型式。随后采用三维有限元模型对河道整治工程进行稳定性分析，确定该工程护根内坡坡比采用1∶1.2，外坡坡比采用1∶1.5较为合理。研究成果对游荡性河道治理工程设计具有较强的借鉴作用。

关键词：河道治理； 游荡性河道； 就岸防护； 黄河宁夏段

中图法分类号： TV882.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.025

0引 言

由于黄河宁夏段河势还未得到有效控制，加上部分河段缺乏堤防保护，宁夏河段防洪保障总体不足的问题在近年汛期暴露较为突出。堤防、岸坡出险较多，超出防汛抢险能力，对两岸防洪安全构成直接威胁，其主要原因是黄河宁夏段游荡性河道治理不甚完善。

以往游荡性河道治理方式主要是单岸、双岸控制，在弯道凹处建设控导、防护等工程，且工程以丁坝护岸等为主［1］。因此，在吸取过往经验的基础上，根据河道治理现状，针对黄河宁夏段提出了“微弯型整治+就岸防护”的综合整治方案。

微弯型整治能够有效控导河势、减轻河势游荡、保堤护滩，是从以往治理黄河“随弯就曲”的治理思路中发展而来的［2］，较符合水流运动和河床演变的发展规律。它依据“河性行曲特性”的学说，在河势演变的基础上，归纳出几条基本流路，进而选择一条中水流路作为整治流路，与洪水、枯水流路相近。就岸防护依堤防或滩地的走向、地形修建，无控导河势的作用，主要作用为保堤护滩。

1工程概况

黄河宁夏段防洪二期工程是国务院确立的172项重大水利工程之一，工程建设将进一步完善宁夏自治区河道防洪工程体系，增强河道抵御洪凌灾害能力。工程主要建设内容包括：加固改建总长16.65 km的堤防，堤防建筑物21座；河道整治工程73处，工程总长118.04 km，其中新建长97.09 km的坝垛、护岸工程，加固坝垛254道（座），工程长度20.95 km，以及配套管理设施等。

2河道治理工程布置

2.1微弯型整治方案河段工程布置形式

采用微弯型整治方案的河段，主要是沿规划治导线在弯道凹岸修建工程，这种工程布置不但能适应不同的来流方向，而且导送流能力强，能很好地控制河势，因而是比较理想的平面布置形式［3］，续建新建的工程仍然按凹入型布置，遵循“上平、下缓、中间陡”的原则。

2.2就岸防护整治方案河段工程布置形式

采用就岸防护整治方案的河段，主要是考虑在保证现有河汊正常过水，稳定汊道的前提下，根据水流顶冲堤岸的位置，就岸布设短坝小垛或平顺护岸，以防止河岸坍塌，确保沿河堤防、村庄、学校等安全。从历年的河道地形分析来看，惠农农场至石嘴山河段主流靠右岸，河道顺直，而且较窄，河势稳定，末端已接近石嘴山峡谷段。故工程布置采取就岸防护，对现状掏刷塌岸严重段布置平顺护岸。

2.3河道整治工程位置线

河道整治工程的长度及坝头位置，需依据工程位置线和规划治导线确定。整治工程位置线是坝垛头部的连线，主要有分组弯道式、单坝独挑式、连续弯道式3种。其中连续弯道式的优点是导流能力强，出流方向稳，坝前掏刷较轻，易于防守，近些年黄河下游和宁夏河段河道整治工程均采用此种形式。

2.4建筑物类型及布置

河道整治建筑物一般包括丁坝、垛和护岸3种型式，多以丁坝为主，垛为辅，坝垛之间必要时修筑护岸。该段丁坝以直线型为主、垛以抛物线形为主，坝垛的布置主要采用30°方位角。除特殊情况外，新建续建工程丁坝长度取90 m，间距与坝长的比例按1∶1～1∶2控制。

对于抛物线型的垛，其背水面有托流外移减弱回流的作用，坡降值可以适当放大。黄河宁夏段近年来采用的垛半径一般为10～20 m，垛间距50～70 m，新建垛的净间距一般不大于40 m，中间空档由护岸连接。

3河道治理工程结构设计

3.1工程顶部高程确定

3.1.1控导工程

控导工程的作用是控导河势，导引水流。依据GB 50707-2011《河道整治设计规范》［4］中要求，除险工段外，其余控导工程顶部高程应高于河道整治流量相应水位以上0.5 m，黄河宁夏段近期防洪工程和二期防洪工程中，控导工程顶高程按设计整治流量相应水位加1.0 m超高确定。考虑到本次治理工程顶高程与以往工程标准的一致性，除险工段外，其余控导工程顶部高程均按设计整治流量相应水位加1.0 m超高确定。

3.1.2防护工程

（1） 堤防防护工程。

堤防防护工程由于经常受水流冲刷，出险几率大，为了保证堤防在设计洪水条件下的安全，需要有较大的强度和足够的超高。依据GB 50707-2011《河道整治设计规范》中要求，堤防防护工程顶高应超过设计洪水位0.5 m。黄河宁夏段近期防洪工程和二期防洪工程中，顶高程按低于设计堤顶工程1.0 m计，此次工程依旧使用此标准。

（2） 滩岸防护工程。

依据GB 50707-2011《河道整治设计规范》中要求，海滩防护工程顶高程应与滩面相平或略高于滩面。

3.1.3占体高程和根石顶高程

对于水中进占的坝垛，其占体高程以施工期水位加0.5 m超高确定。根石抛投的顶高程按照施工期水位确定，为了对护根根石下沉起到预警作用，根石上方增设根石台，根石台顶部高程按施工期水位加0.5 m超高确定，根石台宽2 m。

3.2断面设计

根据每处工程所处地理位置、地形条件以及河势变化、迎送流情况，并考虑新建、续建、改建工程与己建工程的一致性，确定工程的结构型式。本次设计的坝垛为土石结构，分为旱地挖槽结构和水中进占结构两种型式。

3.2.1丁坝设计断面

丁坝均为土心丁坝，考虑施工抢险及堆放抢险物料的需要，顶宽取10 m。

旱地施工时，坝体采用壤土或砾石土填筑，分层碾压，其裹护段边坡坡比在施工期水位以上为1∶2，施工期水位以下为1∶1.2。

典型河道整治工程丁坝断面如图1～2所示。

水中进占时，由于人工成本提升及施工效率的需要，不再采用草土埽体，仁存渡以上改用散抛石进占，仁存渡以下用格栅土枕进占。由于进占时局部流速大，占体需要一定宽度才能保证其整体稳定，且高流速下施工进占强度要求高［5］，考虑到机械化施工作业空间及安全需求，占体顶宽6.0 m，顶高程超过施工期水位0.5 m，外边坡坡比为1∶1.0，内边坡坡比为1∶0.75。

以施工期水位为界，将裹护体分为护坡和护根两部分，施工期水位以上为护坡，以下为护根。根据已建工程实施经验，此次治理工程每处丁坝由迎水侧坝根开始裹护，裹护至坝头圆弧段再回裹5 m。

护坡材料的选择应考虑坚固耐久、就地取材、利于施工和维修，既能满足水流冲刷和自身稳定，同时也能达到美化环境、提高护岸生态性及自然性的目的。目前常见的护坡型式有干砌石护坡、浆砌石护坡、格宾网垫、土工生态袋、生态混凝土、混凝土砖等。考虑生态效果、抗冲刷、耐久性等要求，此次治理河段护坡选用镀锌格宾网垫。自坝根至坝头圆弧段再回裹5 m范围内裹护体厚度取0.5 m，背水侧其它位置不再裹护。

护根工程是河道整治工程的根基，其稳定性决定着河道整治工程的成败［6］。通过对常用几种护根结构形式的比较，并考虑工程、当地材料及生态效果的需求，最终确定下河沿至仁存渡河段河床以砂卵石为主，为充分利用当地材料，护根部分采用混凝土四脚体（占3/4）与散抛石（占1/4）混抛［7］，抛投外边坡坡比为1∶1.5，内边坡坡比为1∶1.2；仁存渡至石嘴山河段：河床以沙质河床为主，护根根石采用石笼网兜（占3/4）与散抛石（占1/4）混抛。抛投外边坡坡比为1∶1.5，内边坡坡比为1∶1.2。

3.2.2人字垛设计断面

用散抛石进占及填土填筑垛体，其做法与丁坝相同。垛体采用全裹护，裹护长度为垛的临水周长，内外边坡坡比均为1∶2。裹护体的材料、具体制作方法、裹护体厚度和抗冲粒径及单个块体重量要求与丁坝裹护体相同［8］。

3.2.3护岸和联坝断面设计

丁坝间由联坝相连，垛间用护岸相连，均采用壤土或者砾石土填筑，分层碾压［9］。平顺护岸、垛间护岸及联坝顶部高程与坝、垛顶相齐，顶宽均为6.0 m，背水侧边坡坡比为1∶2，平顺护岸、垛间护岸临水侧均采用镀锌格宾网垫裹护，内外边坡坡比均为1∶2。联坝临水侧无需裹护，水上边坡坡比为1∶2，水下边坡坡比为1∶4。

3.2.4备防石

考虑到黄河河道特殊的水沙条件，目前河势并不十分稳定，中小水的来流方向经常处于变化中，在水流顶冲的坝垛和坝垛局部段会出现实际冲坑深度大于稳定冲刷深度（模拟计算值）的现象。同时，工程长时间靠流运行，会存在根石大量损失现象［10］。因此，工程实施时按照计算冲刷深度抛投护根，仍然可能出险，故需设置备防石。考虑实际摆放场地的限制和已建工程预留备防石抢险的经验，丁坝按工程裹护长度5 m3/m设置备防石，护岸及人字垛按照工程裹护长度3 m3/m设置备防石。根据不同河段护根材料的特点，仁存渡上游河段备防石中四脚体体积占1/3、散抛石体积占2/3，仁存渡下游河段备防石均由散抛石组成。

3.3典型工程三维有限元的稳定性分析

假设水下抛投根石在达到设计冲刷深度后处于稳定状态，采用三维有限元数值模拟分析对边坡的安全系数进行验证［11］。由于丁坝的稳定冲刷深度最大（仁存渡以上河段为10 m，仁存渡以下河段为15 m），本次计算选取具有代表性的仁存渡以上河段七星渠口险工工程和仁存渡以下河段六顷地防护工程的丁坝进行分析。

三维数值模拟分析主要利用Midas/GTS软件，采用了基于有限元法的强度折减法。通过试算逐渐减小的剪切强度，计算至模型没有收敛为止，将没有收敛的阶段视为破坏，并将该阶段最大的强度折减率作为边坡的最小安全系数。

3.3.1建 模

计算模型的宽度取沿坝长方向10 m宽，模型中各种材料的物理力学性能均采用莫尔-库伦准则。所建模型见图3～4。

3.3.2边界条件及荷载情况

地表为自由边界条件，不设置任何方向的约束；模型侧面的侧向水平位移限制为零，竖向自由；模型底部的竖向位移限制为零，不设置侧向水平约束。

计算主要考虑坝体的自重应力，由于实际土体的初始应力状态无法精确计算，作为近似估计，采用土体自重应力。

3.3.3计算工况

主要考虑以下3种工况：

① 整治流量水位条件；

② 施工期水位条件；

③ 由洪水位或中水水位骤降至施工期水位条件。

3.3.4计算结果

整体稳定计算成果见表1，发现现有工程的抗滑稳定系数不能满足规范要求，其断面要经过多次下蛰、抢险后方能达到稳定状态。

4结 语

黄河宁夏段“微弯型整治+就岸防护”综合整治方案符合河道治理现状，通过对河道工程布置、结构设计进行全面具体的分析可知，设计方案合理。目前黄河宁夏段二期防洪河道整治工程已实施完毕，从实际效果看，能够基本控制河势，归顺河道主槽，消除险情隐患，确保设防标准洪水以内的防洪防凌安全，保障灌区和供水工程引水安全。

参考文献：

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［4］中华人民共和国水利部. 河道整治设计规范：GB 50707-2011［S］. 北京：中国计划出版社，2011.

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（编辑：胡旭东）