山区河流的堤防工程设计研究

卢锦城

(龙岩市永定区水利工作站，福建 龙岩 364101)

1 研究区域概况

岐岭溪发源于湖雷镇高地大雪岽，海拔高程1085 m，流经陈东乡和岐岭乡的蕉坑、榕蛟、共星、湖河、井下、下山和蒲山7个村，于岐岭乡蒲山村汇入金丰溪主河道。岐岭溪全流域面积98.1 km2，河道总长度为24 km，平均坡降10.1‰。根据现有研究成果《永定区山洪灾害调查评价成果》，岐岭溪流域内共有4个危险区，分别为岐岭乡井下村、下山村，陈东乡焦坑村、榕蛟村。危险区人口共1688人，涉及户数316户，房屋226座。这些农民每年都因岐岭溪的洪水而遭受土地和财产的巨大损失[1]。

2 方法与实例分析

本文对岐岭溪河道堤防进行了数学模型研究，堤防断面如图1所示，进行了数学模型研究，根据河道调查资料，采用一维数学模型HEC-RAS估算河道洪水位。在HEC-RAS模型中，采用54个断面模拟了河流的总长度。利用经验公式推导出该河流100年重现期的流量数据。该河段的曼宁糙率值为0.035。为不同河段提供了100年一遇的洪水重现期，用作上游边界条件。在下游边界，在没有测量流量数据的情况下，假设正常深度条件[2-3]。

图1 土堤的典型断面

2.1 模拟研究

最初的数学模型研究是在没有再现拟建堤坝的情况下进行的。研究表明不同河段100年重现期的预测水位与工程主管部门用于防洪堤设计的水位基本一致。

2.2 筑堤

在数学模型上再现了河岸两岸横截面末端的堤岸。对上述上游和下游边界条件进行了模拟；使用所描述的模型计算水位以及沿河的流速。表1为设计流量为1318.62 m3时，岐岭溪不同河段的最大预测水位和流速。

表1 有堤和无堤水位的比较

2.3 河道整治工程

基于从一维数学模型中提取的不同水力参数，设计了两种护岸工程。(1)斜坡堤防护工程。(2)根据现场条件和特定河段的实际情况实施上述土堤形式的保护工程[4-5]。

2.3.1 防护工程的设计

如图1所示的保护工程适用于通过填充或挖掘的方式来修整河岸。应注意的是，在用填土修整边坡时，河岸内的面积不应超过该段原始河流总宽度的10%～15%。

(1)斜坡堤防工程的典型计算。基本参数速度(v)为3.32 m/s,石头的比重(Ss)为2.655 g/cm3,用于填充底板的石块尺寸D50为175 mm(根据规范，建议使用125～225 mm的石块，D50尺寸设定为中间值175 mm；平均流量(q)为4.914 m3/s；峰值流量(Q)为112.52 m3/s；摩擦系数(f)为6.87。

底板的表观比重如式(1)、式(2):

Gs=Ss(1-ε)

(1)

(2)

式中：Gs为底板的表观比重,g/cm3；Ss为石头的比重,g/cm3;ε为空隙率。

底板重量如式(3)计算得：

(3)

式中：V为底板体积,m3；K为经验参数， 一般取值范围为0.60～0.85。当K的取值分别为K=0.62(岸坡为2H/1V)、K=0.76(岸坡为2.5H/1V)、K=0.83(岸坡为3H/1V)；W的计算值分别为W=151.147 kg(岸坡为2H/1V)、W=123.305 kg(岸坡为2.5H/1V)、W=112.905 kg(岸坡为3H/1V)。

底板厚度如式(4)计算得：

(4)

计算结果为T=0.3405 m。

暂时将底板尺寸设计为0.5 m×0.5 m×0.4 m(0.1 m3)(岸坡为2H/1V)、0.45 m×0.45 m×0.4 m(0.081 m3)(岸坡为2.5H/1V)、0.42 m×0.42 m×0.4 m(0.071 m3)(岸坡为3H/1V)。

检查厚度计算中，速度压头：hv=v2/2g=0.5617 m，对抗负压头所需厚度：T=hv/(Ss-1)=0.3408 m<0.4 m，底板的厚度为0.4 m，几乎等于负压头所需的厚度。因此上述各岸坡底板的尺寸是满足要求的。

(2)典型护坦厚度计算。考虑最大流量时，HFL以下的冲刷深度DL=1.201 m。

当最大泄流强度q=4.194 m3/s，HFL以下的冲刷深度DL=1.840 m。

因此，考虑到上述两种情况的最大值，HFL以下的冲刷深度DL=1.85 m被用于设计水下护坦。

卧式金属底板的重量计算可知重量为93.711 45 kg，底板的体积为0.051 m3假定为0.1 m3，水下护坦的尺寸为0.20 m×0.20 m×1.25 m，分为两层。

坡岸防护工程适用于控制水土流失和滑坡，提高边坡稳定性和阻止巨砾层状推移质。此类型的保护工程同样适用于通过填充或挖掘来修整河岸。

2.3.2 土堤形式的防护工程

山区河流的大多数岸坡比3H/1V情况下更为平坦。因此本文设计的土堤防护工程适用于大多数河段，河岸土坝坡岸需要用护坡、护脚墙和水下护坦进行防护。

3 结论与建议

本文应用一维数学模型HEC-RAS估算百年重现期的洪水位。基于以上研究，得出以下结论与建议：

(1)通过添加足量的底板，利用在堤防模型研究中获得的最高水位，确定岐岭溪及其支流堤防的最高水位。

(2)对于3H/1V的岸坡，建议修筑防护坡度小于该坡度的土堤防护工程。

(3)建议在底板中填充石料，用于斜坡堤防护和防止高速水流对土堤的冲刷。

(4)路堤的顶部宽度可保持为3 m。

(5)建议将堤岸对齐，使河流的弯曲部分在堤岸内，宽度覆盖整个河流。

(6)为了避免在将石头填入底板时损坏土工织物过滤器，应在土工织物过滤器上覆盖15 cm厚的粗砂或砾石层。

(7)建议将大块巨石从河中心移走，或将其就地应用于护岸工程。

(8)建议护岸工程(不包括水下护坦)不得侵占原有河道宽度的15%以上。

(9)建议恢复和维护现有的防护工程，以避免对河岸造成进一步损害。