白興全

（山西汾河流域管理有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

1.1 汾河河道現(xiàn)狀

汾河是黃河第二大支流，發(fā)源于忻州市寧武縣管涔山，在運(yùn)城市萬榮縣廟前匯入黃河，全長713 km，根據(jù)汾河流域自然地形地貌，以太原市上蘭村和晉中市義棠為界，將汾河干流分為上游、中游和下游三段。

汾河上游干流河道現(xiàn)有的堤防工程，在護(hù)鎮(zhèn)、護(hù)村、保地等方面發(fā)揮著重要作用，經(jīng)過多年運(yùn)行，上游干流工程靜樂段主要存在以下問題：

（1）杜家溝段河道左岸（鬧林溝入汾口下游左岸）現(xiàn)有堤防局部損毀、隱患較多，未形成完整的防洪體系，左岸杜家溝村耕地及村民財(cái)產(chǎn)安全受洪水威脅。

（2）擬修復(fù)杜家溝段河道左岸堤防位于河道凹岸，主流頂沖堤防，極易沖刷堤腳而造成堤防損壞。

（3）木瓜山至杜家溝段河道由于沖刷淤積造成河槽擺動加大，河道紊亂現(xiàn)象重現(xiàn)，致使引黃中小水輸水損失加大，行洪能力也大大減弱。

1.2 工程投資

2021 年3 月，根據(jù)晉水財(cái)務(wù)便〔2021〕19 號文，省水利廳下達(dá)汾河上游河道工程維護(hù)及管理服務(wù)項(xiàng)目資金90 萬元，確定工程主要建設(shè)內(nèi)容為維修汾河上游杜家溝段堤防220 m，險(xiǎn)工控導(dǎo)丁壩3 條，木瓜山至杜家溝段河槽整治2.36 km。

1.3 工程任務(wù)

本次河道維修養(yǎng)護(hù)工程的任務(wù)是：對杜家溝段河道左岸堤防進(jìn)行修復(fù)，保護(hù)左岸耕地。對修復(fù)的杜家溝段河道左岸險(xiǎn)工段堤防進(jìn)行防沖保護(hù)。木瓜山至杜家溝段河道灘面進(jìn)行疏浚平整，消除河道紊亂現(xiàn)象，疏通輸水河槽，減少輸水損失，確保行洪暢通，本次河道維修養(yǎng)護(hù)工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇。

2 設(shè)計(jì)洪水成果

汾河上游干流河道設(shè)計(jì)洪水引用《山西省汾河上游干流河道治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》洪水計(jì)算成果：

2.1 水文站設(shè)計(jì)洪水成果

汾河上游各站洪水分析采用系列為1954—1996年間資料。各站設(shè)計(jì)洪水成果見表1。

表1 汾河上游各站洪水分析成果

2.2 干流河道設(shè)計(jì)洪水成果

本次維修養(yǎng)護(hù)工程段，位于永安滾水壩至靜樂縣城段，10 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1 375 m3/s，干流河道設(shè)計(jì)洪水成果，見表2。

表2 干流各斷面設(shè)計(jì)洪水成果表

2.3 泥沙

汾河屬于暴雨型季節(jié)性河流，豐、枯水流量相差很大，枯水期含沙量很小，洪水期含沙量隨流量增大而劇增，最大含沙量可達(dá)500 kg/m3以上。由于流域產(chǎn)沙特征所存在的地區(qū)性、季節(jié)性差別，同一量級的洪水含沙量卻有數(shù)倍之差。徑流量年內(nèi)分配不均，輸沙量年內(nèi)變化更大，按靜樂水文站統(tǒng)計(jì)，多年平均輸沙量628 萬t，豐水年1967 年高達(dá)3 620 萬t，而枯水年1965 年僅40.6 萬t，豐枯比高達(dá)89 倍。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 堤防修復(fù)工程

本次堤防修復(fù)工程設(shè)計(jì)仍采用原治理工程所使用的重力式擋墻型式。擋土墻采用M10 漿砌石砌筑，墻頂高程低于土堤堤頂高程1.2 m，頂寬0.4 m，臨水側(cè)邊坡1∶0.357、背水側(cè)直立，墻高共4.2 m，趾（踵）墻高0.5 m、寬出0.3 m。

3.1.1 堤岸沖刷深度計(jì)算

考慮水流平行于岸坡的沖刷。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013），順岸及平順護(hù)岸沖刷深度，經(jīng)計(jì)算工程段水流平行于岸坡的沖刷深度，如表3。

表3 水流平行岸坡沖刷深度計(jì)算表

從上表可以看出工程段堤腳的計(jì)算沖刷深度在1.08～1.14 m 之間，根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007），擋土墻墻趾埋深宜為計(jì)算沖刷深度以下0.5～1.0m。根據(jù)實(shí)地調(diào)查和當(dāng)?shù)囟嗄曛畏诮?jīng)驗(yàn)，河道沖刷深度一般為1～2 m?？紤]到計(jì)算中所選土壤粒徑的局限性，綜合分析選取基礎(chǔ)防沖埋置深度取2 m。

3.1.2 重力式擋土墻穩(wěn)定計(jì)算

擋土墻采用重力式結(jié)構(gòu)，按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）的要求進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，堤防工程級別為5 級，所以不進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

（1）計(jì)算原理

擋土墻穩(wěn)定計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所擋土墻計(jì)算軟件計(jì)算。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》防洪墻允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用1.15，抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)采用1.40，壓應(yīng)力最大值與最小值之比砂土宜取2～3。

（2）計(jì)算公式

①抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，采用公式：

式中：kc——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑ω——作用于墻體上的全部垂直力的總和

（kN）；

∑ρ——作用于墻體上的全部水平力的（kN）；

f——底板與堤基之間的摩擦系數(shù)。

②抗傾安全系數(shù)計(jì)算，采用公式：

式中：k0——抗傾安全系數(shù)；

MV——抗傾覆力矩，kN·m；

MH——傾覆力矩，kN·m；

③偏心距計(jì)算

當(dāng)擋土墻采用天然地基時，須作基底應(yīng)力和偏心距的計(jì)算。作用于基底合力的偏心距e按下式計(jì)算：

式中：e——擋土墻基礎(chǔ)底截面的偏心距（土質(zhì)地基要求e≤B/6），m；

B——基礎(chǔ)底截面的寬度，m；

Zn——地基反力的合力作用點(diǎn)到墻趾的距離，m；

Mall——所有荷載對墻趾的彎矩，順時針為正，kN·m；

Wall——所有豎向荷載之和，向下為正，kN。

④基地壓應(yīng)力計(jì)算，采用公式：

式中：σmin·max——基底的最大和最小壓應(yīng)力，t/m2；

∑G——垂直力的總和，t；

A——基礎(chǔ)底面面積，m2；

∑M——力矩的總和，t·m；

∑W——基礎(chǔ)底面的截面模量，m3。⑤主動土壓力計(jì)算主動土壓力按庫侖土壓力理論計(jì)算。計(jì)算公式如下：

式中：γ——墻背填土的容重，天然容重18.62～19.6kN/m3，干容重18.13～19.6 kN/m3，飽和容重19.6～21.56kN/m3；

H——墻后填土高度，m；

k——壓力轉(zhuǎn)化系數(shù)；

φ——墻后填土內(nèi)摩擦角，φ=30°～35°；

α——墻背與豎直線所成的傾角，α=0°；

δ——外摩擦角（《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 50-92）要求俯斜的砌體護(hù)岸取δ=φ/3）；

β——填土表面與水平線所成的坡角（度），β=0；

（3）計(jì)算工況及荷載組合

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，進(jìn)行下列兩種工況的計(jì)算：

一是設(shè)計(jì)洪水位驟降1 m，10 年一遇設(shè)計(jì)洪水位高出擋土墻頂高程0.5 m，水位驟降1 m 后，河道內(nèi)水位比墻頂高程低0.5 m，墻后填土為飽和土。

二是設(shè)計(jì)枯水位：擋土墻前后均無水，河底高程以下有地下水。

（4）計(jì)算結(jié)果

選取典型斷面計(jì)算。

斷面尺寸：墻高4.2 m，頂寬0.4 m，底寬2.32 m，墻背垂直，基礎(chǔ)埋深2 m。M10 漿砌石容重取23 kN/m3，墻后填土天然容重19.6 kN/m3，飽和容重21.56 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=32°，底板與地基間摩擦系數(shù)：f=0.35。計(jì)算結(jié)果如表4 所示：

表4 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

以上結(jié)果顯示，該擋土墻的抗滑、抗傾、偏心距、地基應(yīng)力均滿足要求。

3.2 險(xiǎn)工段控導(dǎo)工程

3.2.1 丁壩沖刷深度

本次設(shè)計(jì)引用《山西省汾河上游干流河道治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中，武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對汾河上游寧化堡～河岔河段進(jìn)行了河工模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 順直型丁壩群壩頭沖坑試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)，除第一道丁壩的沖坑深度大于2.0 m 外，其它均不超過2.0 m，綜合分析確定除第一道丁壩以外的其它丁壩的沖刷深度按2.0 m 考慮。

3.2.2 險(xiǎn)工段控導(dǎo)工程設(shè)計(jì)

險(xiǎn)工護(hù)岸工程選用能適應(yīng)河床下沉變形而自身又比較穩(wěn)定的鉛絲石籠丁壩，斷面型式為E 型。

E 型丁壩依堤而設(shè)，采用下挑、非淹沒式丁壩。丁壩長10 m，丁壩間距20 m。丁壩軸線與水流方向夾角一般采用30°，第一道丁壩和最后幾道丁壩根據(jù)水流條件適當(dāng)加長，夾角采用30°～60°。丁壩斷面采用3 層臺階式梯形斷面，層高0.8 m，頂層寬2 m，中層寬3.6 m，底層為適應(yīng)沖刷塌落，保護(hù)丁壩主體，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，上下游側(cè)、壩頭加寬部分長度均按河床沖刷深度的1.5 倍考慮，取3 m。

3.3 河道整治平整工程

汾河上游干流河道治理工程建設(shè)期間，已經(jīng)對中小水流不暢的河道進(jìn)行了必要的整治。治理后調(diào)整了紊亂的河道，減少了河槽擺動，形成了穩(wěn)定的中小水流主槽。

經(jīng)過幾年的運(yùn)行，部分河段由于沖刷淤積造成河槽擺動加大，河道紊亂現(xiàn)象重現(xiàn)；且加上當(dāng)?shù)責(zé)o序采砂現(xiàn)象較嚴(yán)重，造成河道中深坑多、河道亂的現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)中對靜樂縣木瓜山至杜家溝段范圍內(nèi)2 360 m 河道灘面進(jìn)行平整，消除河道紊亂現(xiàn)象，疏通輸水河槽，減少輸水損失?？傆?jì)平整面積25.48 萬m2，厚度0.1～0.3 m。

4 結(jié)語

本次河道維修養(yǎng)護(hù)工程建設(shè)總工期為25 個日歷天，施工線路長，工期短，考慮全面開展施工。沿線的河段布置2 個工區(qū)，布置在各段適中的位置。工程實(shí)施的不利影響主要為施工期間所造成的粉塵、噪聲等的污染，但只要加強(qiáng)管理，合理安排工期，可減輕這些污染。

工程實(shí)施后，汾河上游治理段河道沿岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全將有所保障，兩岸的耕地也將得到有效保護(hù)，可有力促進(jìn)汾河上游沿岸的全面發(fā)展。