其他浈江一级支流治理工程的设计要点分析_张士洁.pdf

93 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）其他浈江一级支流治理工程的设计要点分析张士洁（成都岭南工程勘察设计有限公司，成都512026）摘 要：其他浈江一级支流治理工程作为广东省水利工程的重要项目，通过做好设计工作，能够有效的降低由于气候、环境、降水等因素导致的洪涝灾害对流域范围造成的危害和影响，保证流域生态环境安全、居民生命安全，其重要性不言而喻。因此，文章以其他浈江一级支流治理工程为例，对水利工程设计中清淤疏浚设计、洪水设计等多个要点进行分析，明确在设计中的关键点，让其他浈江一级支流治理工程建设过程中各个环节的质量得到保障，并能针对当下设计中存在的不足，制定科学合理的方案，确保能其他浈江一级支流治理工程施工的有序开展，能满足项目参与各方的综合效益，充分发挥其他浈江一级支流的功能与作用。关键词：水利工程；清淤疏浚设计；洪水设计；设计要点 中图分类号：TV851 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0093-04 收稿日期 2022-11-28 作者简介 张士洁（1 9 9 2-），女，江西赣州人，工程师，从事水利规划工作。1 工程概述其他浈江一级支流治理工程分布于韶关市。本工程位于北江流域上游，气候属中亚热带季风气候区，所处的地理位置及地形条件有利于暴雨的形成。流域水量充沛，湿润多雨，洪水由暴雨导致。该河属于山区性河流，总体来说山高坡陡，溪河狭窄，洪水汇流时间短，在短时间内就形成洪峰，河水暴涨，易造成山洪灾害。由于本次工程涉及的流域河床比降较大，汇流时间短，洪水洪峰流量大，致使两岸人民经常受到洪水的侵害，根据政府记载的资料，1998 年-2016 年 18a 中共发生有记载的大小洪灾有 8 次，平均 23a 发生一次，现状河道两岸防洪标准均属未设防状态，洪水一来两岸街道房屋受浸，农田被毁，农作物减产失收，严重影响了两岸人民的生产和生活，制约了当地社会经济的发展，河道治理势在必行。2 设计要点2.1 清淤疏浚设计根据工程现场调查，项目区内各河段均属山区河流，坡降较陡，清淤效果不明显。下游河岸低洼，水流流速较缓，导致河道淤积严重，使河床抬高，对河道两岸产生严重威胁，为保证河道行洪安全，拟对治理河段全线进行清淤。其余河流在淤积不严重的河段不进行全线清淤，仅在坡降相对平缓或人村密集、河道中垃圾及杂物较多的河段进行少量清淤。项目区内有多座交通桥，在工程清淤过程中，需在其基础上下游各预留 20m 采用人工清淤，清淤深度不宜过深，以免影响桥墩及翼墙基础安全1。本次清淤范围分布在 10 个流域，清淤长度共计11.57km。2.2 洪水设计1）计算范围。本次治理设计河道水面线计算河道总长 23.232km。2）断面资料。采用 2019 年实测断面资料，共布设 110 个断面，平均间距约 50m。DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.019 94 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）3）河道糙率。由于缺乏实测水文资料，无法通过水力学公式计算河道糙率，本报告根据河道特征，结合水力学（1990 年科学出版社出版）里提供的糙率表进行选取。现状河道断面较为整齐，床面以卵石及少许孤石组成。综合考虑，糙率取 0.033；治理后河道断面整齐，河床以卵石、砾石为主，孤石及丛木均已被清理，综合考虑，有治理措施的两岸建设护岸及清淤疏浚的河道糙率取0.032。采用广东省水利厅建设管理中心和广州沃亚软件有限公司联合开发的 HydroLab 1.0 版“水面线计算”程序推求，计算原理为伯努里方程，即能量方程：式中：Z1、V1为断面 1 的水位和流速；Z2、V2为断面2 的水位和流速；hW为断面 1 到断面 2 之间的水头损失。本工程治理河道的 16 座为全开敞式水陂，均可直接利用堰流公式计算该溢流堰的泄流能力，偏安全考虑，在泄流能力计算中，不考虑输水建筑物的泄洪作用3。式中：s 为淹没系数；m0为流量综合系数，按折线形实用堰的流量系数表取值；B 为溢流堰净宽；H0为堰顶水头，取 H0=H+v02/2g。2.3 岸坡整治及护岸工程护岸工程一般可选用坡式、坝式、墙式护岸和其他护岸型式。本工程从节省投资，减少开挖占地等方面综合考虑墙式护岸与坡式护岸型式4。本工程为达到更好的治理效果结合地形条件、过水断面、征地拆迁难易程度、以及生态环境等因素分别对护岸类型提出比选方案。由于本工程治理河段属于山区性蜿蜒型河道，河流坡降陡，流速大，河流弯曲，洪水陡升陡降，容易造成河岸冲刷，塌岸、进占农田等现象时有发生。因此，本次治理护岸型式的选择将重点考虑护脚的防洪抗冲及保持岸坡稳定性等。同时，为了避免护岸的建设破坏河道原有生态，护脚的型式将注重亲水性，护脚高度不宜太高。2.3.1 护脚型式比选1）护脚材料比选。对于本次护脚的材料，根据当地的实际情况，主要可采用埋石混凝土、格宾石笼、混凝土、生态浆砌石、浆砌预制砼块这五种材料，见表 1。表 1 护脚材料比选比较方案造价施工实施使用及运行管理生态性比较结论埋石混凝土548.72 元/m3机械化施工进度快施工方便、质量容易保证整体性好、耐久性好、不需经常维护生态性差比选方案格宾石笼370.5 元/m3施工进度快、施工方便可水下施工，生态性较好整体性较好、耐久性较差、运行时易钩挂垃圾需经常维护生态性好推荐方案混凝土625.16 元/m3机械化施工进度快施工方便、质量容易保证整体性好、耐久性好、不需经常维护生态性差比选方案生态浆砌石448.51 元/m3施工技术较为简单，需要较多人工整体性较好、不需经常维护，表面不露浆，有孔洞给水生生物栖息 4生态性较好推荐方案浆砌预制碎块836 元/m2施工进度慢、整体性较差整体性较好，施工预留有空间可作为鱼槽，用于水生动、植物栖息生态性较好比选方案叠砌大块石347 元/m3机械化施工速度快，不受干地施工条件的制约石块足够重，整体性好，大块石间的孔隙有利水生生物生态性好比选方案通过以上的护脚材料比较可知，混凝土与埋石混凝土在施工及使用等方面优缺点相当，但生态型均较差，结合本工程实际情况，本次设计不推荐使用。格宾石笼生态性较好，造价不高，适用于水下施工，作为本次治理的护岸推荐方案之一。本次治理河段坡降较大，河道较窄，浆砌石抗冲刷能力较强，施工时不用使用模板，且浆砌石通过表面不勾缝等工艺，可以增强一定的生态性，做为本次治理的护岸推荐方案之一。浆砌预制混凝土块施工中能够预留鱼槽作为水生动植物栖息场所，生态性较好，但造价较高，抗冲刷性较差等原因本工程不予使用。机械叠砌大块石护脚，适用于各种坡降的河床，整 95 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）体性好，施工速度快，基本不受河道水位的影响，大块石间的孔隙有利于水生环境；但受石材供应的影响，本工程不予使用。2）护脚方案比选。本治理工程结合实际地形条件、过水断面、以及生态环境等因素提出如下 5种护脚方案，可结合自身实际情况，选择合适的方案。护脚方案一：重力式（阶梯式）护脚。该护脚采用重力式混凝土挡墙护脚，如图 1 所示，具体尺寸根据实际需要确定，该方案优点为：混凝土护脚抗冲刷能力强，挡墙为直墙式能减少占用河道，施工方便，前坡阶梯式，面层贴一层浆砌鹅卵石有利于亲水，同时也方便人类及牲畜下河涉水等活动。缺点：开挖面大，混凝土挡墙生态效果较差。适用于局部河道较宽，人村较密集的河段，本次治理项目区内河道普遍较窄，不宜采用此种方案。图 1 重力式混凝土挡墙护脚结构示意图护脚方案二：仰斜式生态浆砌石护脚（如图 2所示）。护脚采用 M7.5 砌筑，墙顶宽 0.5m，迎水坡坡比为 1:0.5，迎水面表面不露浆，具有一定的生态性。优点为：抗冲刷能力强，可降低土压力，断面尺寸小，开挖小，节省材料。缺点：挡墙自身稳定性较差。该方案适用于高度小于 4.0m、河道较窄、开挖条件较差的河段。图 2 仰斜式生态浆砌石护脚护脚方案三：仰斜式埋石混凝土护脚（如图 3所示）。护脚采用C15埋石混凝土浇筑，墙顶宽0.5m，前坡坡比为 1:0.5，后坡坡比为 1:0.25。优点为：抗冲刷能力强，整体性较好，可降低土压力，断面尺寸小，开挖小，节省材料。缺点：挡墙自身稳定性较差，埋石砼护脚施工时单面模板施工难度大，质量及外观不易控制。本次设计不采用此种护脚。护脚方案四：格宾石笼护脚。该护脚采用格宾石笼堆叠成挡墙护脚，该方案优点：结构为柔性结构能适应易变形基础，材料可以保证河流水体与土体中水正常交换，利于水生动植物的生长，生态效果明显，且可水下施工，不需要围堰。缺点：格宾笼容易钩挂垃圾和树枝，较难清理。C15 埋石混凝土图 3 仰斜式埋石混凝土护脚墙式护岸方案五：重力式护脚。挡墙采用 M10浆砌石砌筑，墙顶宽 0.5m，迎水面垂直，后坡坡比为 1:0.4，该方案适用于挡墙高度 4.0m 的护岸，优点为：抗冲刷能力强，对地基承载力要求小，施工方便。缺点：断面尺寸大，开挖量大。2.3.2 护岸工程设计两 岸 新 建 护 岸 长 度 0.57km，其 中：左 岸0.389km，右岸新建护岸 0.185km。本次设计拟在上游河两岸新建格宾石笼护岸及格宾石笼+雷诺护垫护岸。其余河段仅在冲刷严重河段采用格宾石笼护岸。河道两岸岸坡整治长度 0.57km，其中格宾石笼护岸长 0.439km，格宾石笼+雷诺护垫 0.135km。根据生态格网结构技术规程，格宾挡墙抗倾计算可忽略墙前的被动土压力，抗倾覆安全系数 K0可按下列公式计算：式中：MV、MH分别为对墙基底前趾的抗倾覆力矩、对墙基底前趾的倾覆力矩。抗倾安全系数要求符合下列条件：5 级水工挡 96 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）土墙抗倾覆稳定安全系数 1.40；在特殊荷载组合条件，不论挡土墙的级别，抗倾覆稳定安全系数均 1.30。格宾挡墙抗滑安全系数 ks 应按下式计算：C0、G、H、f 分别为基底黏聚力、作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载、作用在挡土墙行全部平行于基底面的荷载、基础摩擦系数。2.4 水面线计算最基本最简单的水面线计算公式为明渠均匀流公式，在水利工程中的应用比较常见。明渠均匀流的流量公式可以按照连续方程与谢才公式予以确定：式中：Q、n、A、R、i 分别为流量、粗糙系数、面积、水利半径、渠道比降。水面线计算时，可以按照明渠恒定非均匀渐变流能量方程确定，在计算时公式如下：式中：Z1、Z2、V1、V2、HW、分别为上游断面的水位、下游断面的水位、上游平均流速、下游平均流速、上下游断面之间的能量损伤、动能修正系数。软件对动量方程与连续性方程进行确定。式中：t、Q、x、g、C、R、q、h 分别为时间、流量、过水断面面积、沿河道距离、重力加速度、谢才系数、动力扩散系数、水力半径、侧向入流流量、河道水位。式中 Hydrolab Basic 软件对控制方程进行计算：式中：Z1、H1、v1、Z2、H2、v2分别为上游河底高度、上游河道高度、流量系数、上游断面平均速度、下游河底高程、下游河道水位、流量系数、下游平均流速。3 结 语综上所述，其他浈江一级支流治理工程在保护生态安全、附近流域居民和设施安全方面发挥着至关重要的作用。在治理实践过程中，需要严格控制治理工程的各个设计要点，做好清淤疏浚设计、洪水设计、岸坡整治及护岸工程设计以及水面线