胡 玲

(甘肃省水务投资有限责任公司，甘肃 兰州 730010)

1 工程概况

兴隆峡当地亦称南大河，其发源于榆中县南部马衔山，河长约30km，平均比降为24.1%。兴隆峡河道没有经过系统治理。近年来随着城市建设的发展，大量建筑挤占河道及两岸滩地，滩地围垦种植现象增多，垃圾无序倾倒，河道内任意掏坑取砂，影响河势稳定，造成河道行洪能力严重降低，河道生态系统急剧恶化。遇到较大洪水时就极有可能发生灾害，给沿岸人民带来较大的财产损失。

2 项目建设的必要性

本次治理全段涉及6个村的1250户居民及县城约4.98万人、2万亩耕地和南坡湾水厂等重要企事业单位的安全。综上所述，实施河道治理后，兴隆峡不但能形成比较完整的防洪体系，使区域防洪能力得到很大提高，为工程区经济可持续发展提供安全保障，而且能够改善区域生态环境[1- 3]。因此河道综合治理是防洪减灾的需要，是减少水土流失的需要，是经济发展和生态建设的需要。

3 现状河道过水能力

依据2016年实测1∶2000河道带状地形图及1∶1000横断面图，按能量方程采用逐段试算法推算兴隆峡天然河道水面线，据此核算现状河道10年及20年一遇洪水过水能力。

根据表1中计算结果可知：本次治理上段通过10年、20年一遇洪水时部分河段会发生漫滩，水面宽度可达到63m。

表1 现状河道水面线计算成果表 单位：m

4 工程任务规模

根据工程任务、治理区内现状护岸建设情况和存在问题及其工程的重要性，确定该治理区按20年一遇防洪标准设防[4- 5]，河道治理范围为兴隆山滑雪场路—已建三电东干九支渠兴隆峡河倒虹吸进出水池，治理河长10.97km，两岸共计新建护岸17.644km，其中左岸8.735km，右岸8.909km，布置防冲暗坎22道。

5 河床河型分析

5.1 河床稳定分析

河道纵向、横向稳定系数按下式计算[6- 8]：

(1)

(2)

式中，φh—纵向稳定系数；d—床沙平均粒径，中心桩号0+000—3+604的床沙平均粒径为41.1～47.2mm；中心桩号4+483—10+970的床沙平均粒径为2.997～11.052mm；h—河流平摊水深；J—纵比降，本防洪区段分为两段，中心桩号0+000—3+604为28%；桩号4+483—10+970为18%；φb—横向稳定系数；Q—造床流量；B—河宽。

防洪区的纵向、横向稳定系数详见表2。

表2 防洪区的纵向、横向稳定系数

从表2可以看出，治理段中心桩号0+000—3+604纵向稳定系数在1.01～1.51，横向稳定系数在0.42～0.83，中心桩号4+483—10+970纵向稳定系数在0.09～0.19，横向稳定系数在0.23～0.63，通过与《河床演变及整治》对比和分析可知，该治理段中心桩号0+000—3+604河道段的纵向稳定性较好；治理段中心桩号4+483—10+970河道段的纵向稳定性较差，该河段横向稳定性一般。

5.2 河床河型分析

现状河道的断面形状、纵比降、河宽、河水流速之间存在着一点关系，通过前人研究结果，将这些变量之间存在的关系称为河相关系[9- 10]。

河道横断面河相关系式为：

(3)

式中，ζ—河相关系数，其值越大，表明河道断面越浅，河道越不稳定，河水对河道的冲击作用做大，反之则效果相反。

经过对治理段内的48个断面进行分析计算，防洪区段河道河相关系数为2.72～9.91，平均值为6.29，所以防洪区治理段内河道为顺直型河道偏向于过渡性河段(蜿蜒型河道ζ为2～4，游荡型河道ζ为19～32，过渡型河道ζ为8～12，顺直型河道为1.39～7.8)。

5.3 平面河相关系

平面河相关系也就是所谓的稳定河湾，即河道在平面上的形状形态，有河湾变化、河湾半径、长度等，它主要反映河湾平面变化。项目区属于渭河流域，共有大小弯道37个，弯道半径在26～200m，河湾跨度在26～170m，过渡段长度在60～170m。

R=KBB

(4)

Lm=KLB

(5)

Tm=KTB

(6)

L=KB

(7)

式中，R—弯曲半径，m；Lm—河湾跨度，m；Tm—弯曲幅度，m；L—过渡段长度，m；KB、KL、KT、K—对应河湾形态特征值的系数。

经计算，KB=2.9～8.7m，KL=3.5～15.8m，KT=2.6～7.3m，K=2.8～7.5m。对大多数稳定河湾，KB=3～5m，KL=12～14m，KT=4～5m，K=1～5m，这表明该段河道由顺直型向弯曲型河道过渡，两岸需采取护岸处理。

综上分析，由于河道河床稳定性一般，河型属于顺直型河道偏向于过渡性河段，故需修建护岸及防冲坎，以达到固定岸坎，使河段处于稳定状态的目的。

5.4 河道冲淤分析

河道冲刷淤积判别采用冲淤判别公式计算。

(8)

式中，ψ—冲淤判别系数，当ψ<1时，河床将发生冲刷，当ψ>1时，河床将发生淤积；v—断面流速；h—断面水深；0、i—下标，0表示进口断面，i表示出口断面。

经计算，兴隆峡桩号0+000—3+604治理段的冲淤判别系数为0.18<1，表明该段将发生冲刷；桩号4+873—10+970治理段的冲淤判别系数为3.97>1，表明该段将发生淤积。

6 堤距的确定

6.1 稳定河宽及堤距宽度确定

本河段中稳定河宽的确定由阿尔图宁公式计算[6，10]，河道过流流量选为该河道2年一遇的洪峰流量。

(9)

式中，B—整治河宽，m；A—稳定河宽系数。对于中游河段，A取1.0～1.1；对于下游较稳定的河段，A为1.1～1.3；而对于下游较不稳定的河段，A为1.3～1.7，本次治理段属较稳定的河段，故A=1.1。

经现场勘查可知，治理段上段河道中心桩号000—3+604治理段现状主河槽宽度在18～48m；中心桩号4+483—10+970治理段现状主河槽宽度在29～99m。河道治理结合河道实际两岸地形地质条件，对河道两岸的砂石料弃渣及建筑垃圾进行清理，以保证兴隆峡治理河段治理宽度控制在15m以上。稳定河宽及设计堤距计算成果见表3。

表3 稳定河宽计算成果表

6.2 设计水面线推算

6.2.1河道分段

该段河道设计水面线推算分为两段，其中：第一段为兴隆山滑雪场路至城区已建护岸起端(中心桩号0+000—3+604)；第二段为城区已建护岸末端至已建三电东干九支渠兴隆峡河倒虹吸进出水池(中心桩号4+483—10+970)。根据河道内天然河床糙率及治理后护岸糙率，综合率定河道糙率为0.035。

6.2.2起始水位选定

(1)河道流态判定

根据兴隆峡河道特点，本次治理段将兴隆峡河道分为两段。第一段纵坡为28.6%，对应临界水深为hk=2.78m，临界纵坡为ik=11.4%，该段河道hk=2.78m>h正=1.56m、i=28.6%>ik=11.4%，故桩号0+000—3+604段河道为陡坡，水流为急流；第二段纵坡为17.9%，对应临界水深为hk=3.29m，临界纵坡为ik=9.46%，该段河道hk=3.29m>h正=2.99m、i=17.9%>ik=9.46%，故中心桩号4+483—10+970段河道为陡坡，水流为急流。综上所述，兴隆峡河道为陡坡，水流为急流。

(2)起始水位

第一段为兴隆山滑雪场路至城区已建护岸起端(中心桩号0+000—3+604)。该段水面线计算按急流河道从上游向下游采用能量方程逐段进行推算，但河段下游有杨家庄交通桥(中心桩号2+795)，会产生壅水，且壅水长度取决于壅高，壅水长度一般较短，因此本次水面线计算按急流河道从上游开始，以1#断面为基准断面，起始水位为临界水深。水位计算结果见表4，表中V表示断面平均流速，hf，hj分别表示两断面之间的沿程损失与局部损失。

表4 设计水面线计算结果 单位：m

6.3 冲刷深度计算

稳定河道过流时的河道冲刷深度计算公式如下：

(10)

(11)

式中，hs—河道冲刷深度，m；H0—水深，m；Ucp—平均流速，m/s；n形状系数，取n=1/4～1/6；η—流速系数。

经计算，整治区最大水深在0.82～4.99m，冲刷深度(从深泓线算起)分别为0.39～1.38m，平均冲刷深度为0.77m。冲刷深度计算结果详见表5。

表5 兴隆峡冲刷深度计算表(P=5%)

7 岸堤及生态绿化带设计

7.1 堤型比选

根据上述原则，兴隆峡河道治理工程针对5%的洪水流量情况下的堤身结构进行了直墙式、陡墙式、斜坡式(梯形断面土堤)三种堤型方案的比较，如图1所示。发现河道各分段具有其实用的不同护堤型。

图1 堤型方案对比(单位：cm)

第一段有大量建筑挤占河道，本次治理对该段需进行拓宽，为了减少占地，该段河道采用方案一、方案二均能满足该段的治理要求，但从经济上比较，方案二优于方案一。第二段堤防位于主城区段，治理段上游城区已建堤防型式为重力式挡土墙堤防(直墙式断面)。第三段地形开阔，不涉及占地、拆迁等问题，故推荐方案三斜坡式(夯填砂砾石梯形断面土堤堤防)，即主城区末端—蒲家庄过水路面(中心桩号6+8640—11+210)的设计堤防型式。

7.2 护坡渗流计算

洪水回落时间很短，一场洪水一般持续时间t为2～3h，难以形成稳定渗流，所以按不稳定渗流计算，其计算公式如下：

护岸最大断面浸润线的方程为:

y2=2.02-0.18x

(12)

护岸背水坡面渗流出口比降:

(13)

式中，m2—背水坡坡比，m2=1.25；h0—背水坡面浸润线溢出点的高度；y—护岸临水坡面的水位；x—指坐标系中护坡渗流点的横坐标。

由于不形成稳定渗流，J近似为0，则护岸背水坡面不发生渗透破坏。

渗流在背水坡脚出现的时间T为：

T=n0H(m1+m2+b/H)2/(4k)

(14)

n0=n(1-Sw%)

(15)

式中，k—堤身渗透系数，m/s；n0—土的有效孔隙率；n—孔隙率；Sw%—饱和度；m1、m2—堤身上下游边坡系数；H—迎水面的水面高度，m；b—指坝体顶部宽度。

经计算T=3.8h，大于一般洪水持续时间2～3h，即根据不稳定渗流计算的结果满足渗流稳定要求。当洪水减弱，河道内水位下降，下降后水位与背水坡水位基本一致，因此不会产生渗透破坏，渗流稳定。

7.3 河道疏浚

河道疏浚多被用于河道治理中，包括疏通、加宽和清理现状河道淤积及清除水下障碍物等。本工程进行河道疏浚工程主要目的在于确保防洪安全，主要任务是清理现状河道中的堆弃物及填平采砂形成的大坑以便形成固定平稳的河槽，使上下游水流畅通，疏浚河道宽度按照治理河宽进行处理，疏浚底宽不小于稳定河宽。其中砂砾石料场堆积的砂石料由料场自行清理解决，其余淤积物及建筑垃圾拓宽清理采用机械清理与人工清理相结合。结合实际，本次疏浚长度共6.38km。

7.4 生态绿化带设计

经过河堤治理，在河道两岸建立以绿化带和封育带构成的生态绿化带[11- 14]。绿化带主要种植以观赏性为主的草本植物，以鲜花、禾木等为主，其作用主要在于绿化人行道。封育带以种植排状分布乔木、灌木为主，其作用主要以提高绿化层次感，色泽多变为主，防风固沙为辅。生态绿化带中建立横竖0.4m×0.4m的格状种植坑，每个坑间隔3m。隔离带不仅可以降低水土流失，防止河道淤积，同时能提高整个河岸的绿化效果，打造出富有层次感、多元化植物的城市绿化带。

8 结语

农村河道因多年废弃及垃圾堵塞，多数河道已失去安全泄洪能力。河道治理需验算河道过流能力、稳定状况等，经过调查分析河道现状进行河道治理工程的实施，可减少洪水造成的危害，保护河道两岸居民及企业安全，确保当地经济发展不受洪涝灾害影响。本工程河道治理理论完善、技术成熟，费用较小，不仅社会效应好，生态方面也具有良好的景观绿化效果。水环境保护的重要性远远高于治理，提高广大群众对水环境保护重要性的意识也至关重要，河道安全重在保护，治理非长久之计。