黄土高原中小河流堤防建设探析

张永飞

(横山区水利局河务水库管理站,陕西 榆林 719000)

黄土高原区中小河流多为游荡形,降水集中且稀少,洪水具有暴涨暴落和季节性。黄土质地疏松,地质不稳,增加了堤防建设难度。现以横山区塔湾集镇防洪工程为例,对黄土高原区中小河流堤防建设进行探讨。

1 概 况

芦河发源于白于山北坡,全长166 km,流域面积2486 km2,在横山境内流程55 km,在横山区石马洼流入无定河[1]。榆林市横山区位于黄河中游、陕西省北部,拟建的塔湾镇防洪工程位于横山区西南部30 km处芦河下游的塔湾镇,现有人口3100人,机关事业单位14个,学校1处,粮站1处,总土地面积为737hm2,其中沿河两岸分布川台耕地325.62hm2。

2 河道现状及存在的问题

2.1 河道现状

塔湾集镇防洪工程芦河段长1864m,支沟杨小川段长554m。工程区属U型河道,流向大致为自南向北,河谷开阔,芦河段河谷宽度约20～60m,支沟杨小川段河谷宽度约20～40m。所在河道基本没有堤防和护岸工程,只有部分植物防护的土堤,高1.0～1.5m,农田防护只有零星的植物措施。部分路堤设计标准低、质量差、不连续,局部河段排洪不畅,有漫滩现象,整体河道防洪标准低。沿河人口居住密集,机关事业单位较多,一旦发生特大洪水,后果不堪设想。

2.2 河道演变分析

将芦河陕西省1980年测绘1∶50000地形图河势与2020年8月实测地形图河势进行套绘。发现40年间,芦河河道主流平面摆动变化不大,河势基本吻合,工程区河势处于稳定状态。经实地查勘,工程附近河道历史上和近期一直没有明显的冲刷和淤积,枯水时部分河滩有少量泥沙淤积,洪水期被洪水冲走,近几十年来河床高程没有大的变化。

芦河属于山区性河流,悬移质大都是细沙和壤土,河道冲淤变化的规律是大水冲、小水淤,根据历史河床冲淤变化情况预测,未来河床冲淤变化是相对平衡的,所以预测今后也不会发生大的变化。

2.3 存在的主要问题

2.3.1 防洪体系未形成,防汛形势严峻

塔湾镇基本没有堤防和护岸工程,部分河段排洪不畅,经常遭受洪水威胁。河道两岸分布有农田、学校及村庄,农田与河底高差不足3m,不能满足10a一遇的洪水要求,整体河道防洪标准低。

2.3.2 投入资金不足,洪涝问题日益突出

横山区属传统农业县,由于地方财力有限,对河道治理的投入远不能满足乡镇段防洪工程的需要。芦河在横山境内55km长只有在县城区规划了近6km的防洪堤,其余河道依然是历史形成的自然河道,没有任何防洪设施,上游出现大洪水主要靠河口庙水库来调节。

2.3.3 生态环境恶劣,集镇环境影响严重

经现场勘察,塔湾芦河段河滩裸露,杂草丛生,河道内乱堆、乱扔、乱种现象严重,主河槽逐年变窄,严重影响了塔湾镇的整体形象,制约着当地经济的快速发展。

3 工程布局及建设方案

3.1 工程任务

为了保障塔湾芦河两岸群众生命财产安全,塔湾集镇防洪工程建设势在必行。芦河段为左右岸双侧堤防,始于塔湾镇塔湾中学上游响铃塔下,终于杨小川与芦河汇流处,规划新建堤防长3914m,其中左岸长2093m(桩号0+000～2+093);右岸长1821m(桩号0+000～1+821)。杨小川段为左岸单侧堤防,起点塔湾镇主街大桥,终于大桥下游554m处与芦河段堤防相接处,新建堤防554m(桩号1+821～2+375)。塔湾镇防洪工程共规划新建防洪堤4468m。

3.2 堤线布置

芦河段防洪堤左岸为农田,右岸为居民区及规划移民安置区。根据当地群众要求,尽量直线布置,缩短堤防长度,减少投资,增加宅基地面积,同时避免因水位较高而增大工程量和投资。经综合考虑,分析确定芦河段最小堤距为30m。杨小川段河道两岸均为农田,是当地农民的生命田,所以要尽量沿田坎线布置,坚持少占耕地多造田、减少开挖方量的原则,并结合河道平面光滑平顺衔接的要求,确定杨小川段最小堤距为25m。

3.3 建设方案

堤防工程左岸为土质堤防,植物护坡,建设中对原生植物尽量保存,迎水坡比1∶2.0,堤高2.9～3.9m,堤顶宽3m,顶铺15cm厚砂砾石垫层,迎水坡采用三维土工网垫防护,表面植灌木类植物防护;右岸采用浆砌坡式护岸。堤岸防护工程级别为4级,洪峰流量芦河段229m3/s,杨小川段落126m3/s。根据防洪需求,工程设计的洪水标准为20a一遇。

4 堤防工程设计

4.1 结构设计

4.1.1 堤顶高程确定

依据《堤防工程设计规范》,堤顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定,本工程相应安全加高为0.6m。根据横山区气象站资料,项目区最大风速为25.7m/s,根据规范,河水波浪爬高为0.54m,风壅增水高为0.005m。 则堤防超高:

0.54+0.005+0.6=1.15(m)

由上可知,堤防堤顶安全超高为1.15m,取1.2m,堤顶高程为设计洪水位加1.2m。

4.1.2 河床最大冲刷深度计算

工程区河道行洪宽度小、流速大,虽然河势比较稳定,但随着河道流量的变化,沿岸顶冲位置难免会上提下挫,特别是弯道段河势的变化,对直流河段影响更是明显[2]。因此,要重视顶冲段护根工程的深度和宽度,也要重视平顺河段的护根工程设计。冲刷坑深度主要取决于河流的洪水流量、流速、流势及河床质粒径。本项目设计采用《堤防工程设计规范》附录D公式进行计算。

1)水流平行于防护岸坡产生的冲刷深度:

(1)

式中:hB为从水面算起的局部冲刷深度,m;hp为冲刷处的水深,m,以近似设计水位最大深度代替;Vcp为平均流速,m/s;V允为河床面允许不冲流速,m/s,取0.7m/s;n为与防护岸坡在平面上的形状有关,取n=1/4。

则水流平行于防护岸坡产生的冲刷深度:Δhp=hB-hp

2)水流斜冲防护岸坡产生的冲刷深度:

(2)

式中:Δhp为从河底算起的局部冲刷坑深度;vj为水流的局部冲刷流速,m/s;g为重力加速度,9.81m/s2;d为坡脚处土壤计算粒径,cm;α为水流流向与岸坡交角;m为防护建筑物迎水面边坡系数。

对于滩地河床,Vj按下式计算:

(3)

式中:B1为河滩宽度,从河槽边缘至坡脚距离,m;Q1为通过河滩部分的设计流量,m3/s;H1为河滩水深,m;η为水流流速分配不均匀系数,取1.00。

工程设计防洪堤段为平顺段或凹岸,只做平顺冲刷深度计算,各河段基础冲刷深度计算结果见表1。

表1 基础冲刷深度计算结果表

由表1可知,设计河段堤防临水侧基础埋深计算值为:平顺段以及凸岸弯曲段为深泓以下约0.5m,结合实地调查综合分析,冲刷深度取深泓以下1m。

4.2 堤身结构设计

4.2.1 堤型选择

防洪堤一般有挡土墙和坡式护岸两种结构形式。本工程堤线布置和堤型结构应满足防洪和环境综合整治建设的需要。堤型比较根据工程范围内地形地质、河流水势、建筑材料、施工条件、运行管理与工程要求、工程造价等因素,结合塔湾镇实际地形情况,综合各种因素考虑,本项目设计防洪堤采用坡式护岸和土堤植物护坡形式。芦河段防洪堤右岸和杨小川段左岸采用浆砌坡式护岸结构形式,芦河段防洪堤左岸植被较好,并有部分树木,以建设绿色、生态、堤防为主题。合理利用现有林木,体现人与自然的和谐发展,因此在左岸采用土质堤护岸,迎水坡采用三维土工网垫防护,表面植灌木类植物防护,体现安全和环保的工程理念[3]。

4.2.2 结构设计

1)坡式护岸断面:芦河段右岸和支沟杨小川段左岸防洪堤采用浆砌坡式护岸断面,基础及堤身均采用M7.5浆砌石砌筑,基础嵌入河床1.3m,宽1.0m,下铺20cm厚砂砾石垫层,宽1.6m。地基采用振冲碎石桩处理,桩直径1.2m,桩距2.0m,采用单排桩布置,平均桩深10m。迎水面为坡式斜墙,堤坡比1∶2.0,墙高2.9-3.9m(杨小川段墙高2.5～3.3m),迎水面为M7.5浆砌料石护坡,厚50cm,堤顶宽3.0m,顶铺30cm厚砂砾石垫层。护坡墙背后铺设20cm厚的砂砾石滤料带,集中导流地表渗水,经排水管导入河内。防洪堤每隔3m设一根φ75mmPVC排水管,排水管出水口距河底0.5m,比降为1/100,两层尼龙网包裹管头,外填充砂砾石反滤料。护坡每隔10m设一道3cm宽的伸缩缝,缝内填充橡胶泡沫板。

2)土堤植物护坡断面:主河芦河段左岸为土质防洪堤,植物护坡,对原生植物尽量保存,迎水坡比1∶2.0,堤高2.9～3.9m,堤顶宽3m,顶铺15cm厚砂砾石垫层。迎水坡采用三维土工网垫防护,表面植灌木类植物防护。

4.3 堤防稳定处理

为了提高和确保堤防的稳定性,堤防后背需土料回填,填筑土料可从芦河右岸山体开挖,距离河堤运输最远处达2km,土料储量完全满足工程需求。为保证堤后填方的稳定,采用机械碾压,填筑土体土料压实度≥92%。当筑料土体天然含水量小时,应随时洒水处理,含水量应控制在14%。

经对塔湾集镇段4468m河道地质勘测,现状河道底淤泥至岩石层面较深,最深处达15m,最浅6.8m。现状河道天然地基承载力为100kPa,不满足设计要求,需要对天然地基进行处理,以提高现状基础的承载力。本项目工程采用振冲碎石桩处理,处理后均能满足设计承载力要求。根据已有防洪工程施工经验和地勘提供的地基处理建议,采用振冲碎石桩处理,碎石桩直径1.2m,平均桩深10m,布置单排桩,相邻两根桩中心之间距离2.0m,桩顶与护坡砌石墙基础之间铺20cm厚的砂砾层。共需振冲碎石桩约1188根。

工程完工后,对河道进行疏浚清淤,清除河道淤积泥砂、生活垃圾、杂草,阻碍河道行洪的淤积物。清淤高程按设计河床高程,清淤深度0.3～0.8m,比降为1.72‰ 。

5 结 语

黄土高原区洪水冲刷力大,河势复杂,土质疏松,增加了堤防建设难度。塔湾集镇河道治理工作总体滞后,河道防洪能力差、行洪不畅,已成为影响当地社会经济发展和农民增收的一大瓶颈。通过分析探讨,按照20a一遇防洪标准进行堤防工程建设,以建设绿色、生态、堤防为主,确定堤距为25～30m,防洪堤采用坡式护岸和土堤植物护坡形式。芦河段防洪堤右岸和杨小川段左岸采用浆砌坡式护岸结构形式,为堤防工程建设提供了科学依据。