戴家营河城区段防洪整治工程可行性研究

刘玉恒,李 纲,王晨澍

(河北省水利水电第二勘测设计研究院,河北 石家庄 050021)

1 概述

戴家营河属于永定河水系洋河支流,发源于宣化县坝口乡,流经定方水、戴家营乡,从张家口市下花园区西部汇入洋河,为季节性河流。河道全长 27.7 km,流域面积 136.4 km2,主河道坡度 23.3‰。河道上游建有一座小(Ⅰ )型水库——车道沟水库,流域内植被差,汛期洪水暴涨暴落。

由于修建违章建筑、随意开荒种地挤占河道以及向河道内倾倒垃圾,再加上年久失修,致使河道阻水严重,不仅大大降低了河道的行洪能力,使其达不到城市的防洪要求,而且造成生态环境日益恶化,严重影响了城市形象,为此,需对戴家营河进行整治。

2 水文气象

张家口市属寒带大陆性季风气候区,四季特征明显,夏季凉爽短促,昼夜温差悬殊,降雨集中,冬季寒冷漫长,春秋季节少雨多风。

戴家营河的设计天然年径流计算采用河北省第二次水资源评价的最新天然年径流等值线图、《张家口市水文水资源手册》中天然年径流等值线图和经验公式,成果见表 1。

由于工程断面附近没有实测流量资料,因此设计洪水通过暴雨途径推求。经分析,计算公式采用《张家口水文水资源手册》中推荐的经验公式,设计洪水计算成果见表 2。

根据施工组织设计,施工时段为 9月 1日至次年5月 31日,施工期防洪标准为 5年一遇,设计流量为 7.8 m3/s。流域多年平均总输沙量 6.32万 t/a。

表1 戴家营河设计天然年径流量

表2 戴家营河设计洪水成果

3 工程地质

通过勘察显示,戴家营河河床内工程区无大的断裂和断层通过,该处地层稳定性较好,无下卧软弱层、震动液化及基坑开挖等不良地质问题,此外,场地内无其它不良地质作用,场地内无环境地质问题,场地稳定,承载力可以满足上覆压力的要求,且地基均匀,故不会产生不均匀沉陷,适宜本工程的建设。

4 总体设想

通过对戴家营河城区段进行综合整治,提高下花园区的防洪能力,同时修建拦蓄工程,采取合理的防渗措施,形成人工水面,改善周边环境,实现自然环境和人文环境的有机结合,使城市真正具有生态城市、园林城市、文化城市的品味,创造理想的人居环境。因此,本工程是具有防洪、蓄水及改善城市环境综合功能的生态恢复工程。

依据堤线布置应遵循的原则,河道堤线与河势流向相适应,并与洪水的主流线大致平行,各段平缓连接。在工程布置中,充分利用现有工程并考虑现有工程的限制条件,同时尽量不占耕地、避免房屋拆迁。

戴家营河整治段自 110国道公路桥(桩号 0+000)至洋河汇入口(桩号 2+250),河段长 2250 m,共布置 6座溢流堰、1座跌水、7座橡胶坝。

5 防洪可行性分析

5.1 工程标准及规模

根据张家口市下花园区现状人口和《防洪标准》(GB 50201-94)相关规定,戴家营河防洪标准为 20年一遇,相应的设计洪峰流量为 305 m3/s。同时考虑城市的发展需要,确保 50年一遇超标准洪水不漫堤。工程等别为Ⅳ等,主要建筑物级别为 4级,次要建筑物级别为 5级,堤防级别为 4级。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001),工程区地震动峰值加速度 0.15 g,地震动反应谱特征周期 0.35 s,对应工程沿线地震基本烈度为Ⅶ度。

5.2 河道断面形式确定

(1)河道纵断面设计。现状河底平均纵坡 16‰,考虑蓄水景观效果,调整河道纵坡,集中落差,分段布置橡胶坝,使每座橡胶坝蓄水段纵坡变缓,尽量延长水面长度。为满足蓄水要求,河道挖深较大,考虑同上游地面的衔接,在桩号 0+220处布置一座跌水。调坡设跌水后的设计纵坡：跌水以上为 26.5‰;跌水～1号橡胶坝为 13.9‰;1号～2号橡胶坝为 12.5‰;2号～4号橡胶坝为 10.9‰;4号～5号橡胶坝为 7.8‰;5号～6号橡胶坝之间分 3段,分别为 0,4‰,18.6‰;6号～7号橡胶坝为 10.6‰。

(2)河道横断面设计。河道设计横断面为复式断面,主槽为矩形断面,宽 50～135 m,岸墙防护为浆砌石重力墙,主槽两侧设亲水平台,宽 2～100 m,其中京包铁路桥处主槽宽 133 m,亲水平台宽度为左岸 25 m,右岸 2 m。京包铁路桥上游左岸采取缓坡垄岗式护坡与现有城区二级路连接线相接;右岸亲水平台外侧设水泥连锁砖护坡与地面衔接,坡比 1∶2.0,岸顶修建城市道路,路宽 12 m。京包铁路桥下游维持现状河宽,左岸岸顶修建堤防管理道路,路基宽 5 m,路面净宽 4 m;右岸亲水平台外侧设水泥连锁砖护坡与地面衔接,坡比 1∶ 2.0。

(3)河道防渗设计。河道防渗材料采用复合土工膜,其规格为 200 g/0.5 mm/200 g。膜下铺设厚度为0.1 m的砂垫层,膜上浇筑厚度为 0.15 m的 C25素混凝土。

5.3 过流能力复核

设计洪水计算标准为 20年一遇,同时考虑城市的发展需要,对 50年一遇超标准洪水进行复核。首先根据天然河道水面线,对现状河道过流能力进行复核。复核结果表明,现状河道不满足 20年一遇的防洪标准。然后,按设计方案对河道断面进行调整,并计算经过调整后的河道过流能力。经计算,在满足防洪标准 20年一遇的堤顶高程下,50年一遇超标准洪水不漫堤。由此可见,按设计方案整治后的河道过流能力能够满足城市防洪要求。

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-98),堤防级别为 4级,堤顶超高由设计波浪爬高、设计风壅增水高度及安全加高 3部分组成,经计算,以上 3项之和为 0.973 m,堤顶超高取 1.0 m。

5.4 溢流堰稳定性复核

桩号为 0+000～0+200的河段,纵坡为 26.5‰,主槽宽 50 m。针对该河段具有长度短,纵坡陡的特点,在设计纵坡基础上采取下挖主槽和砌筑多级浆砌石溢流堰挡水的方式形成梯级蓄水水面。岸墙防护为浆砌石重力墙,迎水面采用混凝土贴面,主槽两侧设亲水平台,宽 10 m。本段河道共设 5段蓄水水面,6座溢流堰,桩号依次为 0+020,0+057.74,0+095.47,0+ 133.21,0+ 170.94,0+195.2,堰顶高程自 571.47 m降至566.7 m。

溢流堰取 2号堰体进行稳定计算,按以下 4种工况进行计算,计算结果见表 3。

表3 溢流堰稳定计算成果表

工况一(设计Ⅰ )：完建工况;

工况二(设计Ⅱ )：河道正常蓄水,堰体上游侧蓄水位 570.47 m,下游侧蓄水位 569.47 m;

工况三(设计Ⅲ )：河道设计洪水位为 571.85 m;

工况四(校核Ⅰ )：河道正常蓄水位+地震。

由表 3可知,各种工况下溢流堰抗滑稳定安全系数、基底应力及不均匀系数均满足要求。

5.5 跌水工程计算

跌水工程由铺盖、底板、消力池和护坦组成,跌水长 60 m,跌落差 2.7 m,桩号为 0+200～0+260。铺盖、底板、消力池、护坦及两岸边墙均为钢筋混凝土结构。经消能计算,跌水消力池池深取 1.5 m,消力池长度取16.3 m。

5.6 橡胶坝工程

与水闸相比,橡胶坝具有不在河道中设闸墩,汛期时坍坝运行,不影响河道过流条件,投资较小等优点。经综合考虑,并参照国内其它城市已建类似工程经验,推荐采用橡胶坝挡水方案。在桩号为 0+260～2+250的河段共布置 7座橡胶坝,桩号依次为 0+460,0+740,1+030,1+320,1+700,2+010,2+210。其中 1号～5号橡胶坝坝高 3.0 m,6号和 7号橡胶坝坝高 2.0 m。橡胶坝工程主要由上游连接段、坝室段和下游连接段 3部分组成,顺水流方向总长为 58 m～60 m,均为钢筋混凝土结构。

橡胶坝稳定计算按以下 3种工况进行计算,计算成果见表 4。

表4 橡胶坝稳定计算成果

工况一(设计Ⅰ )：完建工况;

工况二(设计Ⅱ )：河道正常蓄水,蓄水位低于坝顶高程 0.2 m;

工况三(校核Ⅰ )：河道正常蓄水位+地震。

由表 4可知,各种工况下橡胶坝抗滑稳定安全系数、基底应力及不均匀系数均满足要求。

6 蓄水可行性分析

6.1 蓄水工程需水量分析

需水量是指河道内蓄水量损失,包括渗漏量和蒸发量。采取复合土工膜防渗后,日均渗漏量为 0.04～0.08 m/d。考虑到土工膜上浇筑厚度为 0.15 m的 C25混凝土,防渗效果较好,日均渗漏量取 0.04 m/d。水面蒸发量主要与当地的气象条件有关。下花园区多年平均水面蒸发量 1149.78 mm,扣除多年平均降雨量362.9 mm,多年平均净蒸发量为 786.88 mm。

考虑到主汛期不蓄水,75%保证率下年需水量为 100.61万 m3,河道带状水域蓄水量 17.99万 m3,汛末蓄满,同时蓄水区域每年换水一次,由响水铺水库引水,年引水量为 118.6万 m3。水量供需平衡计算结果见表5。

表5 供需水量平衡表

6.2 水源分析

戴家营河城区段防洪综合整治工程水源地为响水铺水库,该水库位于宣化县顾家营镇站村西洋河干流上,是一座以防洪为主、兼顾灌溉、发电等综合利用的中型水利枢纽工程。水库总库容 5750万 m3,兴利库容2540万 m3。因此,引水水源能够满足蓄水需求。

7 环境保护评价

本工程是具有防洪、蓄水、改善城市环境综合功能的生态恢复工程,同时也是环保工程。工程建成后将提高下花园区的防洪能力,减免洪灾对城区的危害,还居民一个安全、舒适的工作和生活环境,为未来社会和经济发展奠定了坚实基础。通过蓄水景观建设,实现自然环境和人文环境的有机结合,创造理想的人居环境。

工程施工期,施工产生的污水、废气和弃渣对环境有一定的危害,施工中噪音对周围村庄的居民也有影响,因此,工程实施过程中,应采取环保措施严格控制污水、废气和弃渣的排放,交通道路定期洒水,最大限度地减少对环境的不利影响。

8 结论

戴家营河城区段防洪综合整治工程实施后,不仅可以提高下花园区城市防洪能力,而且有利于周边环境改善和生态恢复,有充足的水源满足蓄水要求。溢流堰、橡胶坝等项工程安全稳定。经计算,工程估算总投资10712.26万元,工程静态总投资 10513.04万元;国民经济内部收益率为 8.56%,大于 8%;国民经济净现值为 460.80万元,大于 0;经济效益费用比为 1.05,大于 1。综上所述,该项目是合理可行的。

[1]尹永红 ,王风军,高立卫,等.肃宁应急供水调蓄工程水土保持方案设计 [J].河北工程技术高等专科学校学报,2011(2)：9-11.

[2]胡凯,于瑞涛,贾玉玲.多措并举 保障沧州城市供水安全 [J].河北工程技术高等专科学校学报,2010(9)：11-13.

[3]SL 252-2000,水利水电工程等级划分及洪水标准 [S].

[4]GB50286-98,堤防工程设计规范[S].

[5]SL 227-98,橡胶坝技术规范 [S].