三山河治理工程设计要点分析

范启俭

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)

1 工程概况

三山河位于恩平市境内北部，是潭江一级支流，主流河谷弯曲狭窄、水流湍急，自北向南流经良西镇、圣堂镇，在圣堂镇村委会注入锦江干流。三山河流域面积57.7 km2，河流全长16.6 km，平均比降11.1‰。本次三山河治理工程包含三山河干流、黑泥排洪渠支流以及西边凹支流，位于三山河干流上游段，治理河道长度9.11 km，其中河道清淤长度6.94 km，治理河长2.17 km，河道护岸加固工程3.74 km。此次三山河治理采取的措施主要是清淤与护岸两个部分。由于本次治理工程防护等级为Ⅳ等，设计防洪标准为10～20 a一遇，为此，本次设计良西圩镇段(桩号GK0+000～GK1+852段)防洪标准取10 a一遇，其余河段为村庄和农田段，防洪标准取5 a一遇。本工程实施后，保护了河两岸9个村庄人民的生命财产安全。

2 河道现状

三山河本次治理河段由于长期得不到系统治理，沿河两岸淤积大量泥砂，局部形成心滩、边滩，淤积严重，已严重阻塞行洪；河段两岸杂草、灌木较多，部分河道被挤占，导致汛期排洪不畅；局部河段岸坡不稳，容易塌岸，防洪能力较低；河道主河槽蜿蜒曲折，弯道众多且多急弯，每到汛期水流湍急，堤脚受激流冲刷，堤防迎流顶冲，多处堤脚已被冲刷淘空，造成局部险段发生小面积崩(滑)塌险情；局部岸坡位于河床凹岸，迎流顶冲，坡顶为鱼塘，坡面为人工堆填填土，土质以砂性土、粉质黏土为主，坡脚陡立，岸坡稳定性较差，存在抗冲稳定问题，已严重威胁到堤身安全。加上三山河流经良西镇，两侧为密集的居民区，但河道周边基础设施建设较差，河道功能单一，生态及景观功能差。为了保障人民群众生命财产安全，对三山河河道进行治理工作已刻不容缓[1]。

3 工程设计

3.1 护岸工程设计

3.1.1 左岸设计

三山河左岸护岸形式从上游至下游分别为：

(1)C20混凝土挡墙一护岸。桩号范围GZK0-030～GZK0+525，护岸总长0.555 km。 采用C20混凝土重力式挡土墙，墙总高1.8 m，净高1.0 m，基础埋深0.8 m。墙顶宽0.5 m，挡墙临水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墙底总宽2.0 m，墙趾、墙踵长度均为0.4 m，底板厚0.4 m。挡墙设置一排Φ50排水孔，排水孔间距2.0 m。墙前采用干砌石护脚，齿墙前干砌石宽1.0 m，厚0.8 m。新建挡墙每隔10 m设一道分缝，聚乙烯闭孔泡沫板(PE板)填缝。

(2)现状混凝土挡墙增设种植槽。桩号范围桩号GZK0+534～GZK1+274，护岸总长0.74 km。 挡墙临水面植筋，增设一排C25混凝土种植槽，种植槽顺水流向长2.0 m，间隔6.0 m布置。种植槽宽0.3 m，高0.4 m，槽内回填种植土，种植勒杜鹃、黄金叶。

(3)C25混凝土自救式挡墙。 桩号范围GZK1+644～GZK1+854，护岸总长0.21 km。 自救式挡墙护岸净高1.8 m，基础宽1.5 m，基础埋深0.8 m，墙后坡比1∶0.75。临水坡采用台阶式，每级台阶宽0.75 m，高差0.50 m，在每级台阶上设置种植槽，填土种植水生植物，底下两层种植黄金叶，最上层种植勒杜鹃、绿篱。挡墙设置一排Φ50排水孔，排水孔间距2.0 m。新建挡墙每隔10 m设一道分缝，聚乙烯闭孔泡沫板(PE板)填缝。墙前采用干砌石护脚，干砌石宽1.0 m，厚0.8 m。

(4)C20混凝土重力式挡墙二。 桩号GZK3+785～GZK3+985、GZK4+120～GZK4+450段护岸为新建C20混凝土重力式挡土墙，护岸总长0.53 km。墙总高2.4 m，净高1.5 m，基础埋深0.9 m。墙顶宽0.5 m，挡墙临水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墙底总宽2.3 m，墙趾、墙踵长度均为0.4 m，底板厚0.4 m。挡墙设置两排Φ50排水孔，排水孔间距2.0 m。墙前采用干砌石护脚，齿墙前干砌石宽1.0 m，厚0.9 m。新建挡墙每隔10 m设一道分缝，聚乙烯闭孔泡沫板(PE板)填缝。

3.1.2 右岸设计

三山河右岸护岸形式从上游至下游分别为：

(1)C20混凝土挡墙一。桩号范围GYK0+000～GYK0+520，护岸总长0.52 km。 采用C20混凝土重力式挡土墙，墙总高1.8 m，净高1.0 m，基础埋深0.8 m。墙顶宽0.5 m，挡墙临水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墙底总宽2.0 m，墙趾、墙踵长度均为0.4 m，底板厚0.4 m。挡墙设置一排Φ50排水孔，排水孔间距2.0 m。墙前采用干砌石护脚，齿墙前干砌石宽1.0 m，厚0.8 m。新建挡墙每隔10 m设一道分缝，聚乙烯闭孔泡沫板(PE板)填缝。

(2)生态框格护岸。桩号范围桩号GYK0+554～GYK0+964、GYK1+164～GYK1+249、GYK1+644～GYK1+854，护岸总长0.705 km。生态框最下层设C20混凝土块，混凝土块宽1.0 m，厚0.5 m。然后在混凝土基础上部叠放3层生态框，底层生态框内回填碎石，上两层生态框内回填土并种植水生植物。生态框后包反滤土工布并用碎石回填开挖间隙。每层生态框高0.5 m，生态框护岸总高1.5 m，生态框后斜坡采用草皮护坡。堤顶设休闲步道，步道总宽2.24 m，路面净宽2.00 m，路面采用透水砖路面，路面两侧设置预制路侧石，尺寸为0.12 m×0.35 m。

(3)C25混凝土自救式挡墙。桩号范围桩号GYK0+964～GYK1+164，护岸总长0.2 km。 自救式挡墙护岸净高1.8 m，基础宽1.5 m，基础埋深0.8 m，墙后坡比1∶0.75。临水坡采用台阶式，每级台阶宽0.75 m，高差0.50 m，在每级台阶上设置种植槽，填土种植水生植物。挡墙设置一排Φ50排水孔，排水孔间距2.0 m。新建挡墙每隔10 m设一道分缝，聚乙烯闭孔泡沫板(PE板)填缝。墙前采用干砌石护脚，干砌石宽1.0 m，厚0.8 m。墙后斜坡采用草皮护坡，堤顶设休闲步道，步道总宽2.24 m，路面净宽2.00 m，路面采用透水砖路面，路面两侧设置预制路侧石，尺寸为0.12 m×0.35 m。

(4)C20混凝土重力式挡墙二。桩号GYK3+785～GYK3+895、GYK4+020～GYK4+140段护岸为新建C20混凝土重力式挡土墙，护岸总长0.23 km。墙总高2.4 m，净高1.5 m，基础埋深0.9 m。墙顶宽0.5 m，挡墙临水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墙底总宽2.3 m，墙趾、墙踵长度均为0.4 m，底板厚0.4 m。挡墙设置两排Φ50排水孔，排水孔间距2.0 m。墙前采用干砌石护脚，齿墙前干砌石宽1.0 m，厚0.9 m。新建挡墙每隔10 m设一道分缝，聚乙烯闭孔泡沫板(PE板)填缝。

(5) C20混凝土重力式挡墙三。桩号GYK0+534～GYK0+554、GYK1+249～GYK1+279段护岸为连接现状交通桥两侧新建C20混凝土重力式挡土墙，护岸总长0.05 km。 墙总高2.3～6.1 m，净高1.5～5.3 m，基础埋深0.8 m。墙顶宽0.5 m，挡墙临水坡1∶0.1，背水坡1∶0.5。墙底总宽2.4～4.98 m，墙趾、墙踵长度均为0.4 m，底板厚0.4 m。挡墙设置两排Φ50排水孔，排水孔间距2.0 m。墙前采用干砌石护脚，齿墙前干砌石宽1.0 m，厚0.8 m。新建挡墙每隔10 m 设一道分缝，聚乙烯闭孔泡沫板(PE板)填缝。

3.1.3 护岸冲刷深度计算

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，平顺护岸冲刷深度可按式(1)～式(2)计算：

(1)

(2)

式中:hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙起动流速，m/s；n为形扰系数，与防护岸坡在平面上的形状有关，取1/4～1/6；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查规范GB 50286—2013附录表D.2.2。

本工程属于砂质河床可采用张瑞瑾公式如式(3)计算：

(3)

式中:d50为床砂的中值粒径(由地质报告提供的颗粒分析曲线查算)，m；γs为泥沙的容重取21 kN/m3；γ为水的容重，取10 kN/m3。

断面冲刷深度计算结果如表1所示，从表1可以看出，良西镇附近河道的冲刷深度为0.74 m，本次埋深取0.80 m，三山水闸下游河道的冲刷深度为0.85 m，本次埋深取0.90 m。

表1 断面冲刷深度计算表

3.1.4 挡土墙抗滑稳定计算

本次护岸采用C20素混凝土衡重式挡土墙标准断面进行堤防抗滑稳定计算。

(1)计算公式。

根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)，土质地基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数，按下列公式式(4)计算：

(4)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为挡墙基底面与地基之间的摩擦系数；G为作用于挡墙上全部竖向荷载，kN；H为作用于挡墙上全部水平向荷载，kN。

抗倾覆稳定安全系数按下式(5)计算：

(5)

式中：K0为抗倾覆稳定安全系数；∑Mv为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

挡墙基底压应力按下式(6)计算：

(6)

式中：Pmax(min)为基底的最大和最小压应力，kPa；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑M为作用在挡土墙上的全部荷载对于水平面平行前墙墙面方向形心轴的力矩之和，kN·m；A为挡墙底面面积，m2；∑W为挡土墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩，m3。

(2)计算参数。

墙后回填土采用粉质黏土，天然容重18 kN/m3，计算指标采用综合抗剪强度指标：黏聚力c=0 kPa,内摩擦角Φ=30°，摩擦系数取0.4。地基土承载力强风化粉砂岩取500 kPa。

(3)计算工况。

根据规范GB 50286—2013、规范SL 379—2007、《水工建筑物抗震设计标准》(GB 5124—2018)，本工程挡土墙按以下几种工况计算：

完建期：墙前墙后无水，属正常运用；

常水位期：墙前为现场调查常洪水位，墙前水深1.2 m，属正常运用；

(4)计算结果。

本次计算采用理正挡土墙软件，计算结果见表2：

表2 挡土墙稳定计算结果表

从上表计算结果可以看出，各挡土墙地基承载力、抗滑稳定安全系数、抗倾覆稳定安全系数均满足规范要求[2]。

3.2 清淤工程设计

3.2.1 清淤的纵比降

河道疏浚设计比降的确定与河道所经过的地形、土质、水流流量及含沙量等条件有关，并应满足不冲不淤的要求。天然情况下，河床演变具有自动调节的作用，即从输沙不平衡向输沙平衡的方向发展。河道现状纵比降是河道经过长年累月运行的结果，是河道自动调节的结果。因此，设计河道纵比降取值与每段河道实测平均纵比降基本拟合。

确定河道设计纵比降后，按照以下公式(7)，确定河道疏浚底高程。

Zi=Z0-JLi

(7)

式中：Zi为计算点处河道疏浚的底高程；Z0为河道疏浚的起点高程；J为河道的设计纵比降；Li为河道疏浚的起点至计算点处距离。

3.2.2 清淤的横断面

(1)一般情况下，疏浚后的河道，应有足够的行洪断面。根据现状河道地形，本次对主槽部分进行挖深，加大过流断面面积，但基本保留河道中间的沙洲。

(2)河道清淤应基本保留两岸的树木、竹林，仅对影响行洪的树木予以清理。

(3)清淤断面1：对于宽度较大的河道，边滩或者中滩较宽，则在河道范围内，清除河道内坡脚的淤泥和杂草、灌木为主，以利于行洪，本次治理干流下游河段多按此类清淤断面。

(4)清淤断面2：按原河道宽度进行清淤，以设计河底高程进行控制。

从上文清淤工程可以看出，本次清淤设计能够使河道在疏浚后拥有足够的行洪断面，且恢复排洪能力，这不仅保障了河道汛期行洪安全，同时，还改善了河道水环境与沿河两岸生态环境，使河道综合功能恢复正常[3]。

4 结 语

本次对三山河干流上游段进行护岸设计和清淤设计，能够解决河道严重淤积、河段岸坡崩塌，抗冲刷能力低与防洪能力弱等安全隐患，帮助河道恢复原有的行洪能力，使河道汛期排洪通畅，河道的水环境得到改善。这对保护沿河两岸居民的安全与生态环境健康发展都发挥了推动作用。