六安市東汲河治理工程河道護岸工程設(shè)計

張 斌

(六安市裕安區(qū)水利局，安徽 六安 237000)

0 引 言

河道具有極為重要的防洪作用，同時也是城市景觀打造的重要內(nèi)容[1-3]。合理選取河岸防護工程型式，可保證河道防洪安全的同時，打造適宜的生態(tài)景觀。結(jié)合東汲河工程，對河道護岸工程設(shè)計進行研究。

東汲河治理工程，涉及丁集鎮(zhèn)、羅集鄉(xiāng)、固鎮(zhèn)鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。河道枯水期深泓線長度18.60km，河道行洪時中泓線長度12.70km。水系概況見圖1。

圖1 水系概況

1 河道設(shè)計水位線推求

1.1 設(shè)計洪水

1.1.1 流域特征值

詹小河河口下至東汲河河口段河道流量用詹小河河口節(jié)點的流量。只需要計算車渡口閘(0+000)、詹小河河口下(4+900)。本次對河道比降進行了復(fù)核，兩節(jié)點計算至分別為0.51‰，0.50‰。流域特征參數(shù)統(tǒng)計表見表1。

表1 流域特征參數(shù)統(tǒng)計表

1.1.2 設(shè)計暴雨

采用由原水電部規(guī)劃總院驗收，水電部批準(zhǔn)頒發(fā)使用的《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計洪水計算辦法》(以下簡稱“84年辦法”)進行設(shè)計洪水計算?！?4年辦法”中統(tǒng)計參數(shù)考慮了面上平衡，能反應(yīng)短歷時暴雨統(tǒng)計參數(shù)地區(qū)分布規(guī)律，設(shè)計暴雨可采用“84年辦法”計算。

利用查圖計算，最大1h，最大24h暴雨均值分別為40mm，100mm，Cv值分別為0.52、0.52，取值Cs=3.5Cv。暴雨統(tǒng)計參數(shù)表見表2。

表2 暴雨統(tǒng)計參數(shù)表

東汲河流域地處江淮丘陵區(qū)，依據(jù)暴雨統(tǒng)計參數(shù)5a一遇、10a一遇、20a一遇24h點雨量分別為133mm、169mm、203mm，1h雨量分別為53.2mm、67.6mm、81.2mm。按照河道流量計算節(jié)點控制的流域面積，經(jīng)點面折減系數(shù)折減后可得面雨量。依據(jù)“84年辦法”附表所列扣除損失量和補給地下水量，計算面凈雨量，計算重現(xiàn)期為5a、10a、20a，故扣損值取80mm。

1.1.3 設(shè)計洪水

依據(jù)上述流域幾何參數(shù)、暴雨參數(shù)，運用“84辦法”計算各節(jié)點不同頻率流量，計算見表3。

表3 分段設(shè)計流量成果 m3/s

東汲河流域水系圖、洪水計算節(jié)點分布見圖2。

圖2 東汲河流域洪水計算節(jié)點分布圖

1.2 設(shè)計水位

本次東汲河治理段的現(xiàn)狀、治理后水位，分別以現(xiàn)狀實測、規(guī)劃治理后的河道縱、橫斷面作為基礎(chǔ)推算。固鎮(zhèn)鎮(zhèn)三岔處10a一遇、20a一遇設(shè)計洪水位分別為26.2m和26.86m。

固鎮(zhèn)鎮(zhèn)三岔處5a一遇洪水位缺少規(guī)劃資料。該河段下游頂托影響顯著，5a一遇時頂托作用不應(yīng)大于10a一遇時，本次以治理終點至小河沿橋之間10a一遇水面比降為控制條件，擬定不同下游水位試算，直至水面比降和10a一遇的相同，以此時的下游水位作為起推水位。同時計算了下游自由水深條件下5a一遇水面線，發(fā)現(xiàn)二者水位差距較大，這表明該河段頂托作用影響較為顯著，按照10a一遇水面比降作為參照計算的5a一遇水位是偏向于合理的、安全的。

2 河道護岸工程設(shè)計

2.1 護岸工程方案比選

2.1.1 河道岸線總體布置

岸坡整治盡量保持河流的自然形態(tài)，充分利用現(xiàn)有護岸，現(xiàn)狀完好的予以保留，對護岸破損嚴(yán)重的予以修復(fù)，現(xiàn)狀無護岸的新建護岸，在部分地段栽種當(dāng)?shù)仄贩N的植物進行護岸；河道兩岸增加植物措施。在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾糜H水設(shè)施，方便群眾的生產(chǎn)、生活。各治理河段岸線應(yīng)結(jié)合東汲河河道現(xiàn)狀進行布置。

2.1.2 護岸型式選擇

常見的護岸型式主要有坡式護岸、壩式護岸、墻式護岸、樁式護岸、生物護岸等，結(jié)合實際情況，考慮沿岸景觀需求，選擇坡式護岸、親水平臺+斜坡式護岸，墻式護岸3種方案進行比選。

1)方案1：斜坡式護岸：

河底至設(shè)計洪水位鋪設(shè)1∶3的聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護坡，設(shè)計洪水位以上至岸頂采用草皮護坡，壓頂、格埂坡頂設(shè)C20素混凝土，斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖3。

圖3 方案1斷面結(jié)構(gòu)布置型式

2)方案2：墻式護岸+斜坡式護岸：

設(shè)置墻式護岸+斜坡式護岸，墻式護岸采用格賓石籠擋墻，墻頂至設(shè)計洪水位鋪設(shè)1∶3的聯(lián)鎖式生態(tài)護坡，設(shè)計洪水位以上至岸頂采用草皮護坡，壓頂、格埂采用C20素混凝土，斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖4。

圖4 方案2斷面結(jié)構(gòu)布置型式

3)方案3：直立式擋墻護岸：

河底至地面采用直立式擋墻，墻頂設(shè)0.5×0.2m(寬×高)的C20素混凝土壓頂，墻身為M10漿砌石，背水側(cè)坡度為1∶0.5，底部為厚0.5m的C20素混凝土底板，墻趾寬0.5m，墻踵寬0.5m，擋墻底板下做0.1m厚的碎石墊層。斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖5。

圖5 方案3斷面結(jié)構(gòu)布置型式

本次護岸工程主要針對東汲河兩岸迎流頂沖段和水毀護岸段進行護砌，考慮該段臨河側(cè)無灘地、河道邊坡較陡，同時從生態(tài)、景觀效果及施工、技術(shù)實用等方面，并結(jié)合工程區(qū)現(xiàn)狀綜合考慮，本次河道護岸型式選用方案2斷面結(jié)構(gòu)布置型式：河底設(shè)置3m高格賓石籠擋墻+預(yù)制塊護坡+不低于2m寬度的平臺(平臺高程與上下游灘地保持一致)+預(yù)制塊護坡(坡頂高程為東汲河20a一遇洪水位)。

2.1.3 護坡材料選擇

常見的護坡材料有草皮、砌石、現(xiàn)澆混凝土、混凝土預(yù)制塊等。綜合考慮選取聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護坡。

連鎖式生態(tài)砌塊護坡具有以下優(yōu)點：

1)結(jié)構(gòu)性能好：聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊本身強度高、密實度高，塊與塊之間的連鎖形成剛性表面柔性基礎(chǔ)的整體鋪面，對水流沖擊和基礎(chǔ)變形有很高的適應(yīng)性。

2)生態(tài)效果佳：聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊通常采用開孔型護坡磚，有助于種植植被。

3)施工便捷：聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊生產(chǎn)形狀規(guī)則、尺寸統(tǒng)一，質(zhì)量穩(wěn)定，受天氣影響小，施工效率高，保證了工程的施工質(zhì)量。

4)造價低：工業(yè)化生產(chǎn)的聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊成本較低，較薄的生態(tài)砌塊能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)很厚的漿砌石或獨立塊鋪面，從而大大節(jié)約了工程材料成本，便捷的施工工藝使得施工效率高、人工費用節(jié)省。

綜上所述，聯(lián)鎖生態(tài)砌塊工程造價一般，強度高，抗沖刷能力強，可開孔植草綠化，生態(tài)效果較好能機械化施工，穩(wěn)定性、安全性較高，有利土方平衡。根據(jù)河道現(xiàn)狀，護岸以抗沖刷、防止水土流失為主要功能，結(jié)合本工程實際情況，本次設(shè)計擬采用的護坡結(jié)構(gòu)型式主要為聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護坡。

聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護坡主要用于河道迎流頂沖段，混凝土預(yù)制塊厚度120mm，混凝土強度等級為C20，壓頂、鎮(zhèn)腳混凝土強度等級為C20，護砌頂部高程平20a一遇設(shè)計洪水位。

護岸結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6 聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護坡

2.2 河道水力計算

2.2.1 允許不沖流速的計算

根據(jù)《水力計算手冊》中允許不沖流速計算公式：

(2)

經(jīng)計算，本次治理工程河段允許不沖流速為0.78m/s，由水面線推算成果知，河道的設(shè)計流速均小于此值，因此河底不進行護砌。

2.2.2 河道不淤流速

依據(jù)《水力計算手冊》，清水渠道不長草的不淤流速一般大于0.3-0.5m/s，由水面線推算成果知，設(shè)計河道斷面平均流速在0.68-0.75m/s，均大于不淤流速，滿足設(shè)計要求。

2.2.3 護岸工程沖刷深度計算

1)泥沙啟動流速Uc的計算：

采用以下公式進行計算：

(3)

式中：Uc為泥沙起動流速，m/s；H0為行近水流水深，m；d50為床沙的中值粒徑，m；γ，γs水和沙粒的容重，kN/m3。

經(jīng)計算，泥沙的啟動流速Uc=0.966m/s。

2)護岸工程沖刷深度計算：

a)順壩及平順護岸沖刷深度計算方法如下：

(4)

(5)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；U為行近流速，m/s；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動流速，m/s；n與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4-1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角查附表，本次計算取1.0。

計算參數(shù)選取：本次東汲河治理工程，沖刷處的計算水深H0=7.75m；行近流速U=1.05m/s；根據(jù)水流流向與岸坡的交角查《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)表D.2.2得，水流流速的不均勻系數(shù)η=2.25，計算得近岸垂線平均流速Ucp=1.12m/s；與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)的系數(shù)，本次計算取n=1/5。

經(jīng)計算，本次東汲河治理工程，護岸工程的局部沖刷深度hs=0.67m。

b)斜沖防護岸坡的沖刷計算方法如下：

(6)

(7)

式中：△hp從河底起算的局部沖刷深度，m；α為水流流向與岸坡交角，°；m為防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d為坡腳處土壤計算粒徑，m；Vj為水流局部沖刷流速，m/s；η為水流流速分配平均系數(shù)；經(jīng)計算，本次東汲河治理工程，斜沖防護岸坡的局部沖刷深度△hp=0.78m。

根據(jù)上述計算結(jié)果，并考慮工程投資，本次設(shè)計選用格賓石籠護腳，護腳埋深為1m。

3 結(jié) 論

為了保證東汲河防洪需求，改善河道生態(tài)景觀。通過收集流域水文參數(shù)，使用HEC-RAS軟件分析不同頻率下河道的設(shè)計水位線，為河岸防護設(shè)計提供基本參數(shù)。通過方法比選，確定采用生態(tài)砌塊護坡+格賓石籠護腳方案，經(jīng)過驗算，可滿足河岸整體穩(wěn)定以及泥沙沖刷要求?？蔀轭愃坪拥婪篮楣こ烫峁﹨⒖?。