佳县荷叶坪村堤防建设方案比选探析

张飞飞

(佳县水利工作服务中心，陕西 榆林 719099)

1 概 况

佳县坑镇河荷叶坪段河道防洪整治项目位于坑镇河入黄河口处，规划整治河段全长2.95 km，河道蜿蜒曲折，河面宽20～50 m。河道两岸有荷叶坪小学、73.33 hm2枣园及前荷叶坪、后荷叶坪村812口人。工程河段目前只有3段354.71 m挡墙，其余河段均没有防洪工程，河岸为自然土质或石质岸坡，且高低不一，汛期洪水受黄河顶托作用洪水位很大程度上被雍高，河水倒流，导致淹没。加之土质岸坡在洪水的浸泡及冲刷作用下，变得更加疏松，局部薄弱地段极易形成塌方，灌入两岸农田，淹没房屋。垮塌的土石方被冲入河 道，阻碍行洪，使河道行洪更加不顺畅。

2 河道特性及河道演变分析

坑镇河属于黄河流域，源于米脂县姬家岔乡大坪村，经姬家岔、 大佛寺、坑镇，至螅镇乡荷叶坪村入黄河，全长34.80 km，流域面积247.40 km2。佳县境内流长23.75 km，境内流域面积131.44 km2。常年平均流量0.47 m3/s。

黄河中游大北干流段及支流河道受山体束缚，穿行于晋陕峡谷[1]，河床较为弯曲，总体上蜿蜒曲折。本次拟建工程位于黄河右岸的凹岸，上游有坑镇政府所在地及坑镇水库，河流下游有前荷叶坪村、后荷叶坪村、村委、小学等，入黄口建有沿黄观光路桥。该段黄河主流偏左岸，大水时顶冲坑镇河入黄口段。

从坑镇河河道形态看，河势基本符合峡谷型河道“S”弯的转点，即主流受地形制约及弯道环流影响，一般靠凹岸。工程区段河道横断面呈宽深的“U”形,两岸山体陡峭而直立，形成悬崖，河谷深切，岸高谷深，凹岸多处基岩裸露，凸岸形成滩地成为当地枣园、菜园等经济作物和蔬菜作物的种植地。

因工程区段缺少必要的河势观测资料，通过现场勘察调查得知，工程区地形地貌、地质结构无大的差异，河段经历了多次洪水，主流流向基本固定，近期也没有出现较为明显的河势变化。

3 洪水及河道冲淤特性

以申家湾水文站资料作为参照对比分析可知，项目区地处黄土丘陵沟壑区,区内植被差、雨强大，洪水来势猛，峰型尖瘦，峰高量小，含沙量大。坑镇河水量大，比降大，流速大，挟沙能力强，冲刷能力也强，断面冲淤变化多发生在洪水期，其特点多表现为涨冲落淤，即涨水时段断面冲刷，落水时段断面淤积。最大冲刷一般发生在洪水峰顶附近或峰后。小水年份多发生淤积，大水年份多发生冲刷，而且洪水越大冲刷也越大。断面冲淤是交替进行的，河床冲淤一般围绕在平均底高程上下变动。

4 堤防设计方案

按照《防洪标准》(GB 50201—2014)[2]和《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[3]的规定，综合考虑保护区耕地及人口、公路等，确定坑镇河荷叶坪段防洪整治工程防护段防洪标准为10年一遇，出口段为20年一遇。结合已有的道路及河道水流特性，选择工程造价低、占地少、方便工程施工及运行管理的防护形式；防护工程顶部高程应满足安全超高要求，保证防护工程沿线封闭；防护工程基础埋深满足基础应力、抗冲刷、冻土深度要求。

4.1 防护工程顶部高程确定

根据规范GB 50286—2013要求,堤顶高程由设计洪水位加超高值确定。超高为安全加高、波浪爬高和风壅增水高度三者之和。计算如式(1)：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风雍增水高度，m；A为安全加高，m。

(1)风雍水面高度。以当地多年平均最大风速代替多年汛期最大风速，取值13.4 m/s，多年平均风速方向为西北。由于项目区吹程较小，风雍水面高度计算结果均小于 0.01 m，可忽略不计。

(2)设计波浪爬高。依据规范GB 50286—2013附录 C.3.1-1，m=1.5～5.0 时采用如式(2)计算，m<1时采用式(3)计算。

(2)

(3)

(3)安全加高计算。安全超高值根据规范GB 50286—2013确定，4、5级堤防不允许越浪，安全加高值为0.6 m。

根据以上计算结果，结合当地工程实际，经综合考虑，20年一遇段堤防工程超高取值为1.1 m。本次设计堤顶高程按设计洪水位加堤顶超高确定。

4.2 堤基设计

根据规范GB 50286—2013，护堤布置时根据地形条件，堤线力求平顺，各堤段平缓连接，不采用折线或急弯，弯道半径须大于3倍槽宽，以削弱螺旋流的冲淤影响，此时水流对防护岸坡产生的冲刷可按水流平行于岸坡产生的冲刷式(4)～式(5)计算。

(4)

(5)

式中：hS为从护岸底起算的局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；UCP为近岸垂线平均流速，m/s；UC为河床面上允许不冲流速，m/s；U为行近流速，m/s；n与护岸在平面上的形状有关，一般取n=1/4～1/6；η为水流流速不均匀系数。

河床面上允许不冲流速UC计算公式(6)为：

(6)

式中：UC为河床面上允许不冲流速，m/s；λs、λ为相应泥沙和水的容重，t/m3；H0为行近水流水深，m；d50为泥沙的中值粒径，m；g为重力加速度，取9.82 m/s2。

式中相关参数取值及计算结果见表1。

表1 基础冲刷计算表

经计算，由于各段河道沉积物及水力要素各不相同，护岸冲刷深度也各段不同,冲刷深度范围1.92～2.43 m，结合地质现场调查及现状实际冲刷深度，确定护岸基础深度为2.5 m,基岩段埋深为基础深入基岩0.5 m。

4.3 堤防设计方案比选

工程邻近居民区段，治理方式采用20年一遇堤防结合挡墙护面型式。经过现场勘查、洪水计算、地勘资料分析，确定两种设计断面型式，方案A为埋石混凝土挡墙+浆砌石挡墙护面堤防，方案B为浆砌石挡墙+自嵌式挡墙护面堤防。两种方案对照见表2。

表2 堤防设计方案比选对照表

A方案采用复合断面，下部采用C30埋石混凝土挡土墙,顶部高程与原地面线相当，并设置2.5 m宽巡堤步道，上部设计砂砾石填筑堤防结合钢筋混凝土防浪墙，并采用浆砌石护坡护面，该比选方案挡墙稳固，安全性高,但造价过高，护面观赏性差，施工较为复杂。B方案采用复合断面，下部采用M7.5浆砌石挡墙，埋石率25%，墙高约6 m，设置2.5 m宽巡堤步道，上部设计砂砾石填筑堤防结合钢筋混凝土防浪墙，并采用自嵌式生态挡土墙护坡护面，该比选方案挡墙稳固，安全性满足防洪要求，护面美观，砌块空心可植草，增加景观效果，施工方便。综合考虑，方案B更适合本次工程堤防治理段，为本次设计的推荐方案。

4.4 堤防工程布置

根据河道现状以及两岸现状，本次治理在居民区、学校段等河段以20年一遇堤防工程标准对河道进行治理，基岩裸露地带不进行护砌，维持原状，对已建成的防护工程进行加高处理，对已遭损坏的干砌石陡坎进行拆除重建。具体分段治理情况见表3。

表3 左右岸堤防工程布置汇总

5 结 语

特殊的地理环境使得坑镇河洪水在入黄时，经常受到黄河水顶托，加重了荷叶坪村的洪灾。为推进佳县旅游业发展空间，解决坑镇河基本的防洪安全，为当地发展农业、旅游业、畜牧业等提供发展空间和环境，通过对项目区的河势演变和洪水冲淤特性进行分析，以及冲刷计算探讨，提出了采用浆砌石挡墙+自嵌式挡墙护面堤防复合断面的堤防建设方案。工程实施后，稳定了河道岸坡，规整了杂乱的岸线，大大降低了河岸被洪水冲垮的可能，提高了防护区的防洪能力，将很大程度上减少沿岸遭受洪水灾害的频次和损失，对当地农业、旅游业及其他社会经济的发展起到积极的推进作用。