王中正，趙中華，趙紅霞，王利永

（1.鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000；2.新蔡縣班臺(tái)分洪閘工程維護(hù)中心，河南 新蔡 463500；3.新蔡縣汝河工程維護(hù)中心，河南 新蔡 463500；4.河南科平工程檢測(cè)咨詢(xún)有限公司，河南 封丘 453300）

1 工程概況

灌河生態(tài)綜合治理工程整合資金項(xiàng)目范圍為灌河煙北頭至鲇魚(yú)山干渠跨灌河渡槽，總長(zhǎng)度11.72 km。根據(jù)整合資金項(xiàng)目資金使用規(guī)定，項(xiàng)目工程治理內(nèi)容包括河道疏浚、生態(tài)護(hù)岸、岸緣整治和生產(chǎn)路建設(shè)。河道清淤疏浚11.72 km，生態(tài)岸坡防護(hù)共設(shè)置2 處，總長(zhǎng)度1 345 m，岸緣整治長(zhǎng)度7.42 km，岸線現(xiàn)狀保留長(zhǎng)度4.30 km，生產(chǎn)路工程包括左岸濱河路（北環(huán)路-羅家塆段）和右岸生產(chǎn)路，總長(zhǎng)度16.59 km，其中左岸濱河路（北環(huán)路-羅家塆段），主路總長(zhǎng)2.56 km，路面寬度4.50 m，設(shè)置配套建筑物7 座，其中橋梁2 座，涵洞5 座（箱涵1 座，圓管涵4 座）；支路長(zhǎng)度0.10 km，路面寬度3.50 m。右岸生產(chǎn)路位于灌河河道右岸樁號(hào)4+660（陶家河）～15+616（辛店村洪老營(yíng)），其中4.50 m 寬瀝青路10 700 m，3 m寬瀝青路1 550 m，2 m 寬塊石路1 680 m，設(shè)計(jì)車(chē)行橋5 座；人行棧橋5 處。

河道疏浚范圍為樁號(hào)4+035（煙北頭溢流堰）～15+750（鲇魚(yú)山干渠渡槽），疏浚長(zhǎng)度11.72 km。疏浚河道基本底寬50 m，局部結(jié)合河槽實(shí)際情況適當(dāng)擴(kuò)寬，基本邊坡1∶3，河道縱向比降為1/1 800。

2 疏浚原則

河道疏浚首先滿(mǎn)足河道行洪要求，同時(shí)兼顧生態(tài)功能。因勢(shì)利導(dǎo)，順應(yīng)現(xiàn)有河流的流勢(shì)，盡量沿現(xiàn)有主泓線布置；河槽盡量順直，但應(yīng)遵循河流走勢(shì)的自然規(guī)律，保持必要的彎道，不裁彎取直；現(xiàn)狀的河道比降及兩岸的地面坡降；做到和河道有關(guān)的各專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃合理銜接，如采砂規(guī)劃；上下游河段的銜接，包括與已治理河段河底高程、關(guān)鍵攔河建筑底部高程結(jié)合。

3 設(shè)計(jì)要旨

3.1 縱斷面設(shè)計(jì)

河道縱坡設(shè)計(jì)和河道中心線的設(shè)計(jì)皆為河道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)的重中之重，其設(shè)計(jì)的原則是：①規(guī)劃的河道縱坡要和原河道縱坡基本一致，可以在局部地段進(jìn)行調(diào)整，使河道縱坡變化趨小，縱坡趨于更合理。②河道縱坡設(shè)計(jì)要兼顧上下游，盡可能使河道縱坡變化小一些，較陡和較緩的坡段要給予適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以利水流平穩(wěn)過(guò)渡，避免出現(xiàn)流態(tài)發(fā)生大的不均勻性，以利于河床的相對(duì)穩(wěn)定。③考慮到河道多數(shù)是淤積，而不是下切的情況，在設(shè)計(jì)縱坡時(shí)，盡可能不要填方。

根據(jù)以上原則，考慮與上、下游銜接，結(jié)合實(shí)際勘測(cè)成果和水文推算需要，確定設(shè)計(jì)比降為1/1 800。

3.2 過(guò)水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)

河道現(xiàn)狀斷面基本為梯形斷面，設(shè)計(jì)時(shí)仍采用梯形斷面，河道過(guò)水能力按明渠恒定非均勻漸變流能量方程進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 基本方程式

因?yàn)楹拥浪媲€的控制斷面一般多在下游，應(yīng)從下游往上游推算。河道水面線推算以固定邊界、恒定、非均勻、漸變流的能量方程為理論基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合河首水流特性，該基本議程式有如下形式：

式（1）（2）中：z2、z1—分別為上、下游斷面水位；Δz—為上下游兩斷面水位差；hf、hj—分別為上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失；Δhv—為上、下游斷面流速水頭之差，m；v2、v1—分別為上、下游斷面流速，m/s；α2、α1—分別為上、下游斷面動(dòng)能改正系數(shù)。

3.2.2 沿程水頭損失的計(jì)算

均勻流的水面曲線用“分段求和法”推求，此法將非均勻流分成很多小段，然后逐段推算，從各小段來(lái)看水流則可以近似地認(rèn)為是“均勻”的，這樣非均勻流沿程水頭損失就可以采用均勻流沿程水頭損失的公式來(lái)計(jì)算。如果河槽斷面由不同糙率的灘地和主槽所組成的復(fù)式斷面，則應(yīng)根據(jù)糙率的不同，將斷面分成多個(gè)不同的部分，分別求出各部分的流量模數(shù)，并總和求得整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁磕?shù)。

3.2.3 局部水頭損失的計(jì)算

河道的局部水頭損失，因所用糙率既反映河槽本身因素（如河床河壁的粗糙程度、河槽形態(tài)等）對(duì)水流阻力的影響，又反映水流因素（水位高低、含沙量大小等）對(duì)水流阻力的影響。因此，在河道上連續(xù)存在某些不顯著的局部變化時(shí)，其影響已包括在糙率之中，一般是無(wú)須考慮的。但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，河道的寬度有時(shí)相差很大，仍有收縮、擴(kuò)散對(duì)水流的影響，故仍以考慮為宜。至于建筑物阻水所產(chǎn)生的收縮、擴(kuò)散及橋、閘阻力等局部水頭損失，自然必須計(jì)算。

式中：ξ—河道收縮、擴(kuò)散水頭損失系數(shù)；其他字母含義同上。

運(yùn)用水面線的基本方程式，水面線推算即可從下游向上游（緩流段）或從上游向下游（急流段）逐段用試算法進(jìn)行。將河道劃分為適宜的河段后，根據(jù)已經(jīng)輸入的各斷面測(cè)量數(shù)據(jù)及分段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，給定某方案起始斷面（斷面1）的設(shè)計(jì)流量與起始水位之后，程序自動(dòng)假設(shè)下一斷面（斷面2）的水位并按基本方程式求出該斷面的計(jì)算水位，比較假設(shè)水位和計(jì)算水位的差值，如差值不滿(mǎn)足精度要求，則程序判別后重新假定水位，重復(fù)試算，直到滿(mǎn)足精度為止；若差值滿(mǎn)足精度要求，程序即以此計(jì)算水位為已知，繼續(xù)進(jìn)行下一斷面（斷面3）的水位假設(shè)與計(jì)算，反復(fù)試算到方案結(jié)束，接著進(jìn)行其它方案的計(jì)算。另河道過(guò)攔河建筑物時(shí)，根據(jù)建筑物形式考慮了部分雍高。

3.2.4 邊坡系數(shù)確定

河道邊坡系數(shù)應(yīng)根據(jù)河床土的類(lèi)別或護(hù)面情況而定。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的河床內(nèi)地層巖性主要為細(xì)砂、中砂、粗砂，局部表層為素填土和粉土，結(jié)構(gòu)松散，根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，擬定河道邊坡為1∶3。

3.2.5 糙率選定

河床糙率n值與河床土質(zhì)、護(hù)面情況、維修養(yǎng)護(hù)和河道運(yùn)行情況等有關(guān)。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄E的說(shuō)明，并參照近些年治理工程的成果，考慮治理段河槽土質(zhì)、灘地附著物等情況，綜合分析選定河床和灘地糙率采用2.50×10-2和3.50×10-2。

3.2.6 設(shè)計(jì)底寬及灘地寬度確定

治理段設(shè)計(jì)底寬及灘地寬度根據(jù)現(xiàn)狀河寬、與已治理段設(shè)計(jì)成果相銜接和保證安全行洪面積協(xié)調(diào)設(shè)定，另考慮項(xiàng)目實(shí)施中與河道生態(tài)建設(shè)、岸緣整理相結(jié)合，在不縮減最小行洪斷面的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)挖斷面，形成多元化的斷面形式，參照信陽(yáng)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院2013年8月編制完成《河南省信陽(yáng)市商城縣灌河（13+500～18+750段）治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，并于2016年實(shí)施完成。此段河道主槽疏挖底寬35 m，兩岸灘地300 m寬。河道疏浚時(shí)，主槽設(shè)計(jì)基本底寬為50 m，局部結(jié)合河槽實(shí)際情況適當(dāng)擴(kuò)寬，灘地寬度為300 m。

3.3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)擬定河道邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，采用河海大學(xué)《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)Autobank5》軟件進(jìn)行計(jì)算。選定施工完建期和水位驟降期臨水坡穩(wěn)定兩種工況進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算選取樁號(hào)4+800斷面作為典型斷面分析岸坡穩(wěn)定，該段土物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 河道典型斷面岸坡土物理力學(xué)指標(biāo)表

表2 河道邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

通過(guò)計(jì)算典型斷面河道邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

灌河作為商城縣的主要防洪河道，境內(nèi)長(zhǎng)度108 km，控制流域面積1 280 km2，占商城縣面積的60%，兩岸分布有村鎮(zhèn)、大量農(nóng)田和林地，河道多年未進(jìn)行系統(tǒng)治理，河道淤積嚴(yán)重，河道行洪不暢，岸坡抗沖能力差，汛期極易受洪水侵害，加之商城縣洪澇災(zāi)害頻發(fā)，平均2-3年一次，易給沿岸人民群眾和糧食生產(chǎn)造成安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。商城縣灌河生態(tài)綜合治理通過(guò)對(duì)灌河清淤疏浚和生態(tài)岸坡防護(hù)，規(guī)整水流、穩(wěn)定河勢(shì)，并與灌河已治理段相銜接，完善灌河防洪減災(zāi)工程體系，提高河道防洪能力。