基于HEC-RAS的岸坡水力稳定性分析及滨水带修复措施

范春萌

(凌源市凌河城区建设管理办公室，辽宁 凌源 122500)

基于HEC-RAS的岸坡水力稳定性分析及滨水带修复措施

范春萌

(凌源市凌河城区建设管理办公室，辽宁 凌源 122500)

增强岸坡稳定性是河道抗洪工程的重点，也是城区河道滨水带修复的重要环节。本文通过HEC-RAS水力模型分析，发现大凌河东河1号橡胶坝所在河段的岸坡流速较大、抗剪切力较低，难以抵挡50年一遇洪水冲击，对城区安全构成隐患。为此，采用了植物扦插、生态土石笼以及桩石结合护岸等综合性的滨水带修复措施，对提升该河段岸坡抗洪标准、改善岸坡湿地多样性以及边滩景观起到了积极作用。

HEC-RAS水力模型；岸坡稳定；修复措施

水资源是生产、生活不可或缺的资源[1]。然而，对城区河流而言，由于城市地面硬化率很高，降水大量汇集到河道中，从而对岸坡造成较大冲击。尤其是处于温带季风气候带的地区，降水季节变化大，枯水期时，岸坡裸露，容易受到人类活动破坏；汛期来临时，河水迅速上涨，流速急剧增加，对岸坡浸泡、冲刷作用加剧；洪水退却时，由于岸坡内外水压变化不平衡，会对岸坡土体带来塌陷破坏。因此，必须十分重视城区河道岸坡稳定性研究，并根据具体坡度、土体及植被条件制定综合性修复方案[2]。本文运用HEC-RAS水力模型，以辽宁大凌河东河1号橡胶坝所在河段为例，对其边坡稳定性状态进行分析，并采用综合性滨水带修复措施，对增加岸坡稳定性、强化抗洪功能、改善滨水带生物多样性及湿地景观起到了积极作用。

1 工程概况

凌源市大凌河东河治理工程第一标段东河1号橡胶坝(0+800)及湖区防渗工程，位于城区东河小铁桥附近河心桩号0+800处，橡胶坝工程等别为Ⅲ等，建筑物级别为3级，设计坝顶高程385.20m。坝橡胶坝全长80m，坝袋高2m，其左侧设泵房、控制室及供水井。

橡胶坝上游设钢筋混凝土防渗铺盖，顺水流向长10m，底板顺水流长7.50m，厚度1m，下游设消力池长13.70m，厚度0.50m，消力池下游设石笼海漫长10m和抛石防冲槽长6m，石笼海漫厚0.60m，抛石防冲槽深1.40m。橡胶坝左右岸翼墙为钢筋混凝土结构，上下游与主槽浆砌石挡土墙连接。控制室、管理房、水源井在左岸坝端。泵房为钢筋混凝土方形结构，分上、下两层，下层为设备层，上层为配电层，混凝土设计等级为C25F200W4。湖区防渗范围为坝底板上游铺盖向上游与2号坝相连，湖区面积31916.88m2。

2 HEC-RAS水力模型

2.1 计算公式

HEC-RAS水力模型，主要用于水库、防洪堤、桥梁等水利建筑测量、设计、建造及改造中[3]。经过不断完善，HEC-RAS水力模型已具备绘制水体三维断面图、水下地形横断面图及水位历史曲线等方面的功能。当前，河道治理过程中可能面临的水面及水下情况较为复杂，就需要运用HEC-RAS水力模型等工具，对河道进行流动分析，以确定水流基本态势及可能存在的治理隐患。

在运用HEC-RAS水力模型时，可通过如下公式计算水面线[4]：

(1)

(2)

式中u——河道上游断面要素；

d——河道下游断面要素；

f(zu)——上游水位函数；

φ(zd)——下游水位函数。

计算河道水流能量时，须依据下式进行：

(3)

式中Z1——河道下游断面水位高程,m；

Z2——河道上游断面水位高程,m；

hf——河道沿程水头损失值,m；

hj——河道局部水头损失值,m；

v1——河道下断面的平均流速,m/s；

v2——河道上断面平均流速,m/s。

2.2 东河治理工程HEC-RAS河道模型

通过HEC-RAS软件，绘制出大凌河东河治理工程水力模型(高程变化分布情况见图1)。在该模型中，输入洪峰流量、起始水位、边坡糙率、河底糙率以及河道流量等数据后，可得河道稳定流结果(见图2)。

图1 大凌河东河1号橡胶坝工程HEC-RAS高程

图2 大凌河东河1号橡胶坝工程HEC-RAS稳定流示意图(单位：m)

3 东河1号橡胶坝工程岸坡稳定性分析

在工程设计阶段，计算确定东河1号橡胶坝河坡糙率为0.06，且预定采用六角砖施工；计算确定河底糙率为0.025，且预定使用连锁板施工。在遭遇洪水时，各断面流速都会迅速增加，对工程岸坡稳定性提出了较高要求。表1、表2、表3分别为10年一遇、20年一遇、50年一遇洪水条件下各断面流速、水力坡度及剪切力等指标计算结果。

表1 工程10年一遇洪水条件下流速计算结果

表2 工程20年一遇洪水条件下流速计算结果

续表

表3 工程50年一遇洪水条件下流速计算结果

由表中可知，当该工程遭遇10年一遇洪水时，主河道平均流速随着桩号向下游延伸而逐渐增加，且其值分布在区间(1.65m/s，1.77m/s)；当该工程遭遇20年一遇洪水时，主河道平均流速随着桩号向下游延伸而逐渐增加，且其值分布在区间(3.34m/s，3.61m/s)；当该工程遭遇50年一遇洪水时，主河道平均流速随着桩号向下游延伸而逐渐增加，且其值分布在区间(2.47m/s，2.79m/s)。可见，随着洪水等级增加，河道流速会相应增加。另外，从河底剪切力、河岸剪切力等指标来看，随着洪水等价增加，这些指标值也越来越大，且随着桩号向下游延伸而呈现出显著增加的特征。

通过对比河道主槽、河岸边坡流速变化可知，河道主槽流速要显著高于边坡。之所以会出现这种现象，与主槽与边坡糙率值有关。本文中，河道边坡糙率要大于主槽糙率，能够较好地利用滩地来阻挡水流，因而，使得边坡流速受到抑制。

从剪切力指标来看，边坡剪切力要显著小于河底剪切力，使得边坡材质在遭遇洪水时受到剧烈冲击。从表3数据可知，下游河底抗剪切力最高可达26.18N/m2，能够抵御50年一遇洪水的冲击。边坡剪切力最高可达8.71N/m2，难以抵挡50年一遇洪水的冲击(该条件下的剪切力可达10.71N/m2)。

从上述分析可知，边坡抗剪切冲击的设计标准较低，一旦遭遇50年一遇洪水，极有可能出现边坡毁坏。另外，由于边坡材质为混凝土六角砖，密封性较高，虽然有利于阻挡土体受到水流冲刷，然而却不利于水土保护植物的生长，同时，六角砖也可能对水生动物的栖息造成不利影响，影响边坡生态多样性。

4 滨水带修复措施

东河1号橡胶坝工程存在边坡不稳定、滨水生态多样性受到抑制等问题，因此，在制定滨水带修复方案时，既需要考虑到边坡稳定性，也需要充分考虑到生态多样性问题。

4.1 植物扦插护岸

植物根系对维系边坡土壤稳定性具有重要作用，且在滨水带保护工程中得到广泛应用，其效果十分显著。东河1号橡胶坝工程边坡治理过程中，可通过植物扦插对边坡起到稳固效果，同时，对滨水带进行绿化。在实施植物扦插时，既可将植物桩体插入主体工程的缝隙中，也可将柳条等成片插入滩涂。为更好地发挥植物根系的稳固作用，可在土体中铺上一定数量碎石，并尽量将土体与碎石均匀混合。待植物根系大量萌蘖后，能够很好地防止汛期洪水直接冲刷或者带走边坡土壤。

4.2 生态土石笼

生态土石笼护岸，需要结合采用透水织物及铅丝石笼，在增加石笼涵水功能的同时，可就地装入泥土、碎石以及砾石等。实践表明：该种护岸材质不仅具有较高抗拉强度，且能够适应多种气候条件。尤其是当洪水来临时，生态土石笼可有效隔离边坡土体，避免其受到直接冲刷。在完成生态土石笼施工后，可在其上铺撒水生植物，从而进一步巩固护岸效果，同时，水生植物可改善边坡景观及生物多样性。

4.3 桩石护岸

1号橡胶坝工程的部分标段坡度较大，且土体较为松软，对于这种边坡条件，可采用桩石结合工程护岸措施。在实施桩石护岸工程时，首先需要在滨水带边坡上嵌入块石，然后在块石缝隙间插树桩活体，从而起到对块石及土体再次加固的效果。通过此类修复工程，不仅可使大坡度边坡更加稳固，且可改善其植被覆盖状况，达到长期修复效果。

5 结 语

在河道边坡治理过程中，一方面需要着眼于提升其抗洪疏水功能，另一方面还应从改善水质、增加边坡生态多样性、改善滨水带景观等多个角度加以综合考量。由于东河1号橡胶坝的边坡抗剪切力较弱，在采用修复措施时，充分分析了不同标段的边坡特征，制定了植物扦插护岸、生态土石笼护岸及桩石护岸等多种形式的护岸措施。这些措施对改善大凌河东河的边坡防洪功能及生态效果起到了显著作用。

[1] 石铁帅.三座店水库大坝左岸坝基渗漏问题处理[J].中国水能及电气化,2015(4):25-26.

[2] 余智囊,王永雷.土工模袋混凝土在淮北大堤加固工程中的应用[J].水利建设与管理,2011(12):15-16.

[3] 娜孜拉·吐斯布那比.阿勒泰市乌拉斯特水库沥青混凝土心墙堆石坝[J].水利建设与管理,2014(8):22-25.

[4] 佘诗刚,林鹏.中国岩石工程若干进展与挑战[J].岩石力学与工程学报,2014(3):433-457.

Bank Slope Water Power Stability Analysis and Reclamation Activities of Waterfront Based on HEC-RAS

FAN Chunmeng

(LingyuanCityLingheUrbanAreaImplementationManagementAdministrationOffice,Lingyuan122500,China)

Strengthening bank slope stability is the key point of riverway flood control engineering and also the important link of riverway waterfront recovery of urban area. Via the HEC-RAS hydraulic model analysis, the article discovers the flow rate of bank slope that the No.1 rubber dam of Daling River East River locates is very big, the anti-shearing force is very low, which is difficult to fend against flood shock with 50-years return period, constitute hidden danger to the safety of urban areas. For this purpose, adopt plant cuttage, ecological stone cage and pile stone combined with waterfront recovery measures like revetment and so on, plays an active role to elevate the bank slope flood control standard of this reach, improve diversity of bank slope wet land and marginal bank landscape.

HEC-RAS hydraulic model; bank slope stability; reclamation activities

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.03.011

TV861

B

1673- 8241(2017)03- 0038- 05