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延河综合治理堤岸防洪工程设计方案优化

2024-11-04 32 上传者：管理员

摘要：要提升延河防洪抗灾能力,针对河堤基础均位于砂岩之上的状况,依据工程设计规范,选取墙式护岸和坡式护岸,并细化为衡重式和仰斜式,连锁生态护坡、格宾笼石护坡、蜂巢约束系统护坡形式,结合工程实际,对其优缺点进行综合比较分析,择优选用方案。然后确定了河道护岸高程、基础埋深、结构形式。结果表明,该方案有效增强了河岸抗洪稳定性,提升了工程效能,达到了预期目标。

关键词：
坡式护岸
江河流域
综合治理
设计方案
防洪工程
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1、项目概况

延河是黄河的一级支流,陕北第二大河。延河发源于靖边县天赐湾乡周山,由西北向东南,流经志丹县、安塞县、延安市城区,于延长县南河沟凉水岸附近汇入黄河,全长286.9 km,流域面积7725 km2,多年平均径流总量2.93亿m3,平均比降3.26‰,总落差860 m,水力蕴藏量5.580万kW。延河属于中游发达的河流,河道上、下游谷窄岸陡、滩多水急,河床最窄处仅10 m左右；中游河谷开阔,河谷平均宽约800 m,最宽可达1200 m。延河径流的年内分配不均匀,主要集中于夏季。夏季径流占年径流的51%～60%,各年流量过程线明显地表现出夏汛突出、春汛不显特点,两汛之间,有冬季枯水和夏季枯水。最大月径流一般出现在7月或8月,最小月径流通常出现在1月。由于多年存在安全隐患较多、水质污染比较严重、总体水量不足等问题,2015年陕西省委省政府研究决定,计划投入90亿元,逐年逐段进行延河流域综合治理。

本项目位于延河上游化子坪镇油坊坪段,工程区距化子坪镇3 km,距延安市75 km。拟治理段河道为天然岸坎,受水流的冲刷侵蚀,导致岸坎坍塌,对临河农田、村庄及交通等设施带来严重威胁,危及居民生命财产安全；河道滩岸不明、生态环境差,不能适应经济社会发展的环境需要；河道没有统一进行治理,河道现状岸坎高低不一,变化大,防洪体系不完善：河道汛期洪水峰高量大,非汛期河道来水较小,两岸河滩地范围较广,河漫滩多被附近居民用于种植农作物,严重影响河道行洪,必须进行防洪安全综合治理。按照统一规划分步实施的思路,本次项目治理河道长度2.66 km,护岸工程起点接油坊坪110 kVA变电站,终点接沙湾漫水桥。工程新建护岸共计3755 m,新建穿堤涵洞7处、下河踏步7处。其中河道左、右岸各新建护岸3段,总长分别为2049 m、1706 m；坡式护岸长3205 m,墙式护岸长550 m。施工总工期8个月,预算投资3750万元[1]。

2、护岸工程设计

2.1 护岸型式

依据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的要求,护岸工程的形式应按照经济实用、因地制宜、就地取材、便于施工的原则,根据堤段所在的地理位置、重要程度、堤基地质、筑堤材料、水流及风浪特性、施工条件、运用和要求、环境景观、工程造价等因素综合确定。

根据前述堤线布置原则及所确定的河道治理宽度,结合工程实际情况,初步拟定两种断面护岸形式,分别为墙式护岸和坡式护岸,其中墙式护岸细分为衡重式和仰斜式等形式,坡式护岸形式主要是断面材料不同,细分为连锁生态护坡、格宾笼石护坡、蜂巢约束系统护坡等形式。

2.1.1 墙式护岸断面对比

衡重式挡墙为传统的刚性护坡型式,整体性较好,抗冲能力强,是一种便于施工的挡墙型式,工程中广泛采用,适用于高6 m～12 m的挡墙,且开挖量较小,结构生硬、生态性差。衡重式挡墙在高度较高的墙中工程造价具有相对优势,一般不用于高度较低的挡墙。

仰斜式挡墙为传统的刚性护坡型式,整体性较好,抗冲能力强,也是一种便于施工的挡墙型式,工程中广泛采用,适用于高2 m～7 m的挡墙,且开挖量较小,结构生硬、生态性差,仰斜式挡墙主要应用于高度较低的挡墙,且在高度较低的挡墙中工程造价具有相对的优势,随着高度的增加,底宽逐渐变大,工程造价随之增加,一般用于高度较低的挡墙。

本次项目护岸工程墙式护岸高度为5.1 m～7.1 m,平均高度为6 m,故采用具有造价优势的仰斜式挡墙,其抗冲流速最大,整体性好,较适宜于坡比较陡的堤岸靠流段。

2.1.2 坡式护岸型式对比

(1）连锁生态护坡

连锁生态护坡通过各预制砼块间相互铰接的作用将多个散体块连成一个整体,且具有一定的孔洞率,可以满足植物的生长要求,绿化生态效果较好；由于单个砼块体的重量较大,抗冲刷能力强。由于砼砌块可提前预制,工期容易安排,施工速度快,但造价相对较高。

(2）格宾笼石护坡

格宾笼石护坡为柔性护坡,透水性强,耐久性好,自身结构能进行适应性微调,适应变形能力强。由于石笼的空隙较大,能在石笼上覆土或填塞缝隙,利于微生物和各种生物的自然生长,生态性较好。但对填筑石料需求量大,造价较高[2]。

(3）蜂巢约束系统护坡

蜂巢约束系统护坡结构属新型生态护坡材料,是一种由聚合物宽带经超声波焊接而成的蜂巢式三维网状物,在其格室中填充砂石、土料或混凝土等材料,形成的具有强大侧向限制和刚度的结构。通过在堤防护岸等工程中的应用,较好地实现了工程结构和生态环境的有机结合,具有防冲固岸、涵养水源、生态环保、便于施工且投资较低的特点。

根据本工程特点,对护坡进行经济、技术比较见表1。

表1 坡式护岸不同型式比较表

由表1可知,蜂巢约束系统护坡,生态性好,结构适应性强,施工速度快,投资较低,但稳定性稍差；格宾笼石护坡方案结构性好,适应性强,生态性好,抗冲性能及稳定性较好,但生态可观性差,上部草皮不易保留；连锁生态护坡整体性好,抗冲能力较强,表面平整,施工快,面层可植草,生态可观性高,是现在河道综合治理常用的形式,故本次坡式护岸选用连锁生态护坡[3-4]。

2.2 护岸顶高程确定

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的要求,护岸顶部高程应与岸坎相平或略高于岸坎,根据现状临河两岸的岸坎高程、10年洪水位高程、岸坎坡比、临河耕地等因素综合考虑后,本次护岸顶高程为：10年洪水位+0.5 m。

各段顶高程统计见表2。

表2 工程区护岸断面形式汇总表

2.3 基础埋深确定

2.3.1 冲刷计算

根据《堤防工程设计规范》7.8.5条规定,基础理深应满足抗冲刷和冻结深度的要求。冲刷计算依据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）,按附录D中公式D.2.2-1和D.2.2-2进行。根据设计堤线的布置及河势分段计算。

①顺坝及平顺护岸冲刷深度依据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录D推荐的公式D.2.2-1、D.2.2-2和D.2.2-5计算：

式中：hs为局部冲刷深度,m;H0为冲刷处的水深,m;Ucp为近岸垂线平均流速,m/s;Uc为泥沙起动流速（m/s）,对于砂质河床的起动流速,按照附录（D.2.1-5）,采用张瑞瑾公式计算求得；n与防护岸坡在平面上的形状有关,一般取1/4～1/6,η为水流流速不均匀系数,根据水流流向与岸坡交角α查表D.2.2;d50根据地勘报告,d50取17 mm;γs为河床泥沙容重。

水流冲刷计算参数选择及计算结果见表3。

表3 基础冲刷计算成果表

2.3.2 基础埋深确定

根据表3可以看出工程区段计算冲刷深度为0.46 m～1.40 m,根据《堤防工程设计规范》7.8.5条规定,基础埋深应满足抗冲刷和冻结深度的要求。

工程区河道平面为S型走势,凹凸岸较分明,凹岸冲刷,凸岸淤积,结合本次地勘成果,凹岸基岩埋深较浅,局部基岩出露,凸岸基岩埋深较大,因此,综合考虑两岸冲淤特点及基岩埋深情况,确定护岸基础高程方案为：

凹岸基础埋深为深泓以下2.0 m,若遇基岩则按基岩面以下0.5 m；凸岸为滩面以下1.5 m,若遇基岩则按基岩面以下0.5 m。结合工程段地勘成果确定：左岸K3+800～K4+125、K4+500～K5+107及右岸K3+860～K4+085段基础埋深均为砂岩层以下0.5 m；其余段基础埋深均为滩面以下1.5 m[5]。

2.4 护岸结构设计

根据上述拟定的堤防断面形式和堤顶高程、冲刷计算的成果,综合确定堤防的断面见表4。

表4 工程区护岸断面形式汇总表

墙式护岸：断面型式为仰斜式挡墙,墙高5.7 m～6.9 m,顶宽0.7 m,临水侧坡比为1∶0.45,背水侧坡比为1∶0.1,墙趾宽0.5 m、高1.00 m;采用C20埋石混凝土浇筑,埋石率为20%,墙身布置φ75PVC排水管,间排距2 m×2 m,梅花型布置；挡墙每15 m设变形缝,缝宽2 cm,填聚乙烯闭孔泡沫板。

坡式护岸：上部护坡结构型式为框格+连锁砖植草护坡,高3.6 m～6.7 m,坡比1∶2,采用C20砼现浇框格梁,框格内铺设15 cm厚预制砼连锁砖,下铺300 g/m3土工布反滤,砖孔内填土植黑麦草绿化。下部护脚采用重力式挡墙,顶宽0.5 m,临水侧坡比为1∶0.3,背水侧铅直,墙趾宽0.5 m、高0.6 m,采用C20埋石混凝土浇筑。

3、结语

延河综合治理是陕西省江河整治重大项目之一,保障河道度汛安澜和人民群众生命财产安全是核心目标。针对本次挡墙基础均位于砂岩之上的实际,方案设计结合多年实践经验总结,根据堤段所在地理位置、地质地基、筑堤材料、水流特性、运用要求、工程造价等因素,通过墙式护岸、坡式护岸等多种堤岸方式综合分析比较,精益求精,优中选优。经过验算,堤防岩基土抗滑稳定安全系数正常运用条件为1.05,非正常运用条件为1.00；抗倾覆安全系数正常运用条件为1.40,非正常运用条件为1.30。最大基底应力小于地基允许承载力,地基应力不均匀系数小于允许值,均完全符合工程规范要求；工程竣工后也经受住了延河汛情雨情的实际考验,收效良好,可为同类工程建设提供有益借鉴[6]。

参考文献:

[1]延河综合治理安塞区化子坪段防洪工程设计报告[R].西安理工大学水利水电土木建筑研究设计院,2022.

[2]陈诗阳.基于有限元模型对堤防土工栅格设计优化研究[J].陕西水利,2022(12):34-36.

[3]郑源.赤水河复兴集镇河段治理工程生态防洪堤设计探讨[J].中国水能及电气化,2019(01):31-38.

[4]张园园,陈新,郑州,等.基于多属性决策方法的胶凝砂硕石坝坝型比选[J].水电能源科学,2017,35(07):97-100.

[5]宁少妮.咸阳湖2#橡胶坝局部水毁应急修复工程设计浅析[J].陕西水利,2017(2):89-90+99.

[6]张太奎.辽河堤防在高水位长时段侵泊下稳定性模拟分析[J].中国水能及电气化,2019(07):36-40.

文章来源:史宝伟,于建兵.延河综合治理堤岸防洪工程设计方案优化[J].陕西水利,2024,(11):153-155.