某小型河道綜合治理工程設(shè)計(jì)探討

劉志宏

(綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125200)

1 工程概況

某河道全長(zhǎng)15.1 km，其中部分段河道內(nèi)淤積嚴(yán)重，邊坡為土質(zhì)邊坡，水土流失嚴(yán)重，河道不滿足行洪要求。為進(jìn)一步加大水土流失嚴(yán)重地區(qū)生態(tài)綜合治理力度，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，擬對(duì)該河道進(jìn)行生態(tài)綜合治理[1]。該河道生態(tài)綜合治理主要包含河道清淤防滲，河道兩岸防洪水位以下采用賓格石籠邊坡護(hù)砌，防洪水位以上采用草皮護(hù)坡。賓格石籠邊坡護(hù)砌1 260 m、草皮護(hù)坡5 670 m2、栽植綠化樹木500株；新建攔水壩5座，20年一遇的河道防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

2 河堤設(shè)計(jì)

河道治理長(zhǎng)度630 m，河道斷面形式為梯形斷面，邊坡比1∶3，河道兩岸防洪水位以下采用賓格石籠邊坡護(hù)砌，防洪水位以上采用草皮護(hù)坡，河道上河口種植垂柳綠化，垂柳種植株距3 m，擬種植垂柳500株，垂柳胸徑7 cm。

2.1 河道參數(shù)計(jì)算

堤頂超高[2]：

Y=Rp+e+A

(1)

式中：A為安全加高，A=1 m；Rp為累計(jì)頻率為p的波浪爬高；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度。

(2)

式中：K為綜合摩阻系數(shù)；V為設(shè)計(jì)風(fēng)速；F為高計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離,m；d為水域的平均水深；β為風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角。

代入各值，九龍灣e=0.01～0.02 m。

(3)

將各值代入式(1)，計(jì)算結(jié)果見表1。河道設(shè)計(jì)底寬16 m，邊坡高3 m，設(shè)計(jì)水深2 m，設(shè)計(jì)邊坡采用1∶3土質(zhì)邊坡。

表1 某河道參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 賓格石籠邊坡護(hù)砌

格賓籠又叫格賓網(wǎng)，是由低碳鍍鋅覆塑鋼絲使用機(jī)械編織而成的六角形網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)。網(wǎng)箱鋼絲主要由邊端和網(wǎng)面鋼絲組成，其類型和要求見表2。所用鋼絲要求重鍍鋅覆塑，鍍鋅量要大于245 g/m2，覆塑的厚度也應(yīng)大于0.5 mm，其抗拉強(qiáng)度要求在350～500 MPa之間，延伸率應(yīng)高于10%[4]；格賓石籠內(nèi)填料重度應(yīng)滿足18～19 kN/m3，填石為大于MU30的卵石或者硬質(zhì)巖質(zhì)塊石，粒徑在100～250 mm較為合適。為確保回填的砂礫不會(huì)流失，應(yīng)在其格賓擋墻后設(shè)置無(wú)紡?fù)凉げ迹酥?50～300 g/m2，施工折邊大于0.3 m[5]。見圖1。

表2 網(wǎng)箱鋼絲類型及要求

圖1 普通格賓示意

組裝格賓的原則：形狀應(yīng)規(guī)則，絞合相對(duì)牢固，所有豎直面板上邊緣要在同一水平面上，且確保面板上端水平邊緣與蓋板邊緣能夠絞合。石料填充務(wù)必均勻地向同一層各箱格內(nèi)放入填充料，單格網(wǎng)箱不能一次性投滿。填料施工時(shí)，應(yīng)將每層的投料厚度控制在33 cm上下，正常情況下1 m高網(wǎng)箱應(yīng)分3到4層投料?？筛鶕?jù)土壤和氣候以及景觀的要求，選擇植被灌木或草種，網(wǎng)箱封蓋后，應(yīng)將壤土在空隙處填滿，頂部填滿高約5 cm壤土[6]。

3 邊坡穩(wěn)定與河道沖刷分析

邊坡穩(wěn)定分析包括施工完建期迎水面邊坡穩(wěn)定、穩(wěn)定滲流期形成穩(wěn)定滲流時(shí)的迎水面邊坡穩(wěn)定、水位降落期迎水面邊坡穩(wěn)定。采用《北京理正邊坡穩(wěn)定分析軟件5.11版》瑞典圓弧法計(jì)算，對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析。根據(jù)《水工建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 203-1997)，工程抗震設(shè)防類別為丙級(jí)，穩(wěn)定分析時(shí)地震烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g。邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算選用兩種典型斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，需要的堤體土料物理力學(xué)指標(biāo)按地質(zhì)報(bào)告提供數(shù)據(jù)[5]。

3.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

采用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件，對(duì)邊坡的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過程中，根據(jù)不同的條件，可分別采用有效應(yīng)力法或總應(yīng)力法：總應(yīng)力法應(yīng)用于施工期是上游死水位工況；有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法同時(shí)用于水位降落期；有效應(yīng)力法均用于穩(wěn)定滲流期。由表3穩(wěn)定計(jì)算成果可知，河道邊坡滿足穩(wěn)定要求[5]。

表3 穩(wěn)定計(jì)算成果

3.2 河道沖刷深度

沖刷深度：

(4)

其中：hp=ph

(5)

式中：h為沖刷前水深；p為系數(shù)。

將hB的計(jì)算結(jié)果列表，見表4。

表4 沖刷計(jì)算成果

4 攔河壩設(shè)計(jì)

為攔截泥沙，增加河道景觀，形成景觀水面，在該河道新建攔水壩5座。攔河壩壩體采用M10漿砌石駝峰堰，壩高1.5 m，壩體采用1∶3水泥砂漿砌筑毛石基礎(chǔ)，壩體基礎(chǔ)采用厚100 mm的C15混凝土墊層。

4.1 攔河壩寬

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)和《水力計(jì)算手冊(cè)》，攔河壩寬[6]：

(6)

式中：Q為流量，m3/s，Q=135 m3/s；H0為計(jì)入總流速水頭的堰上水頭，H0=2.6 m；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)，ε=1；m為流量系數(shù)。

P1/H0>0.34，m=0.452(P1/H0)-0.032

經(jīng)計(jì)算，攔河壩寬B=10 m。

4.2 壩體穩(wěn)定分析

采用《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25-1991)中所提供計(jì)算公式：

(7)

式中：K為抗剪斷計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f1為滑動(dòng)面上的抗剪斷摩擦系數(shù)；C1為滑動(dòng)面上的抗剪斷凝聚力；A為滑動(dòng)截面面積；w為作用于計(jì)算截面以上壩體的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值；P為作用于計(jì)算截面以上壩體的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值。

新砌M10漿砌石，f1取0.6，C1取50×104Pa。應(yīng)用《水利水電工程PC—1500程序集》計(jì)算：在正常情況下：K=1.81>[1.15]；在非常情況下：K=1.55>[1.00]，表明壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

1) 河道設(shè)計(jì)底寬16 m，邊坡高3 m，設(shè)計(jì)水深2 m，斷面形式為梯形，采用1∶3土質(zhì)邊坡。河道兩岸防洪水位以下采用賓格石籠邊坡護(hù)砌，防洪水位以上采用草皮護(hù)坡，河道上河口種植垂柳綠化，垂柳種植株距3 m，擬種植垂柳500株，垂柳胸徑7 cm。

2) 施工完工期、水位降落期、穩(wěn)定滲流期的計(jì)算邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)均滿足河道邊坡的穩(wěn)定性要求，河道沖刷深度總深度0.63 m

3) 河壩壩高1.5 m，壩寬10 m，壩體采用1∶3水泥砂漿砌筑毛石基礎(chǔ)，壩體基礎(chǔ)采用厚100 mm的C15混凝土墊層。在正常情況與非常情況下，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求。