中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010
摘要：【目的】针对滨河新区黑河大桥下游段河道河床宽浅，游荡分汊，城市防洪能力不足的问题，【方法】通过河道疏浚和新建驳岸，确定整治河宽、河道横纵断面，并设置固床潜坝，【结果】稳定河道行洪断面，使得该段河道达到50年一遇防洪标准，提高了主河槽防洪能力，【结论】促进了生态园林城市建设。
关键词：黑河城区段；城市防洪；游荡型河道；河道疏浚；驳岸工程
引言
张掖市黑河城区段治理工程位于张掖市甘州区，本工程区地势西南高而东北低，治理段上游河床窄深，下游河床宽浅，下游主河呈发散状，分为多汊。
1 工程现状及存在的问题
1.1 工程现状
张掖市祁连山黑河流域山水林田湖草生态保护修复项目黑河城区段2018年生态治理工程位于张掖市滨河新区，地理坐标东径100°23′31"〜100°25′10"，北纬38°57′14"〜38°58′44"。本次黑河治理段长约2.2km，位于滨河新区黑河大桥下游，该段河道河床宽浅，属游荡型河床，河床宽350m〜1500m，高程1465m〜1482m，平均纵向比降为8‰。河床物质组成岩性为砂卵砾石，局部冲刷严重。
本次治理段河道左岸进行过整治，已建格宾石笼护岸，且大部分进行了护脚防冲刷措施，局部冲刷段增加护脚防护即可。整治河道右岸上游段已建设驳岸，驳岸结构为格宾石笼护岸。
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图1 工程位置图
1.2 存在的问题
（1）由于黑河治理段河床宽浅不一，游荡分汊，河床多滩，水流不稳定，在河水特别是洪水的冲蚀、侧蚀、淘蚀下，导致河道冲刷破坏严重，易造成河岸线频繁变化，城市防洪能力严重不足。
（2）黑河治理段河床物质组成岩性为砂卵砾石。根据河床形态和河床物质组成，河床的稳定性较差，岸坡抗冲刷能力弱，对河流约束力低，从而造成河道变迁。
（3）人类活动影响严重，加剧了河道生态环境的破坏。
2 工程建设任务
2.1 建设任务
本生态治理工程建设任务为：
（1）采用50年一遇防洪标准，通过疏浚稳定河道行洪断面，解决原始河道断面宽、主槽迁移不定问题。
（2）通过河道疏浚和右岸新建驳岸，提高主河槽防洪能力、抗冲刷能力。
2.2 设计标准
本次治理的黑河城区段主要防护对象为张掖市城区、规划建造的黑河生态新城，防洪保护人口20~50万人，根据《城市防洪工程设计规范》规定，城市防护区的防护等级为Ⅲ等，本次设计采用50年一遇洪水标准，相应设计洪峰流量1250m3/s。
2.3 建设内容
本次2018年生态治理工程设计治理河道长度2.2km，桩号范围黑甘22+974〜25+174。起点接一期工程终点，即滨河新区黑河大桥下游约800m处；终点至河道东汊、西汊分水口处，即国道312线黑河大桥上游约2.5km处。本工程对原有河道进行疏浚，疏浚后中央主河槽满足设计行洪要求；主河槽右岸新建驳岸，提高河道横向稳定性；河底新建固床潜坝，防止河床下切。
3 河道整治工程设计
3.1 整治河宽及治导线确定
3.1.1 整治河宽确定
遵循《河道整治设计规范》，整治河宽须大于计算稳定河宽，且同一河段河道宽度应大致相等。稳定河宽采用以下两种方法综合确定。
（1）阿尔图宁公式法
式中：B—稳定河宽，m；Q—造床流量，m3/s；J—河床比降；n—综合糙率，取0.04；ζ—河相关系，游荡型河道ζ约为20～30，取20。计算结果242m。
比较上述2种计算方法，计算结果相差较大。根据河道现状并结合上游已建工程分析，推荐治理段河道底宽300m。既大于以上计算的稳定河宽，同时与上游治理河段平顺衔接。
3.1.2 疏浚后河道特性分析
1、纵向稳定
洪冲枯淤：弯道纵向变形是洪水期冲刷、枯水期淤积，而过渡段则相反。根据《治河及泥沙工程》，采用爱因斯坦水流强度函数计算纵向稳定系数jh。
jh=d/（h×J）
式中：d—床沙平均粒径，m；h—平摊水深（m）；J—疏浚后河道纵比降。根据上述参数，计算河床纵向稳定系数结果见下表。
表3.1-3 疏浚后河床纵向稳定系数计算表
根据计算结果，纵向稳定系数较大，说明河沙运动较弱，河床纵向较稳定。
2、横向稳定
凹岸崩退、凸岸淤长：由于横向环流的作用，表层含沙量小的水流流向并冲刷凹岸，加之纵向水流对凹岸的顶冲，使横断面变形的结果是凹岸不断的明塌后退形成深槽陡岸；坍塌下来的泥沙被底部的水流带往凸岸，使凸岸不断淤积前进形成平缓的滩地。
横向稳定系数与河岸稳定密切有关，主要是主流顶冲地点及其走向和河岸抗冲能力，按下式计算：
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式中：Q—平摊流量，与造床流量相当，m3/s；J—河道纵比降；B—平摊水位时河宽，m。疏浚后河床横向稳定系数计算见下表。
3.1-4疏浚后河床横向稳定系数计算表
根据以上计算结果并结合地质资料可知，横向稳定系数小，说明河岸稳定性差，弯曲河岸凹岸易受水流冲刷，横向变形较大，疏浚后河道两岸须做好防护措施。
3、河相关系ζ
河相关系是指在相对平衡状态下河流向槽的纵横断面形态与流域来水、来沙及周界条件等因素之间的某种定量关系，反映河段的中水河槽纵横断面形态，中水河槽的河相关系按下式确定：
ζ=B0.5/h
式中：ζ—断面河相系数：B—平摊水位时河宽，m；h—平摊水深，m，依据设计。
计算河相系数见下表。
表3.1-5 河相关系计算表
经分析计算，疏浚后河道属游荡型河道（蜿蜒型河道ζ约为20～30）。
根据以上河道特性分析，河床纵向较稳定，横向稳定性弱，河流中、小流量下的蜿蜒特性使河道凸岸淤积，凹岸冲刷。综合以上因素，治理河段治导线选择上、下游力求平顺，避免大的转弯，平缓过渡。
3.2 治理河段水面线推算
3.2.1 推算方法
河道水面线计算采用水流能量方程逐段试算推求，其基本方程方程式如下。
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E2=E1+hf+hj
式中：Z1、Z2—分别为分段下游断面和上游断面的水面高程，m； —动能修整系数，一般取其等于1； —断面平均流速，m/s；E1、E2—断面比能，m；hf、hj—上下游两断面间水流沿程水头损失和局部水头损失，m。
3.2.2 河道糙率
选取疏浚后河道较为顺直，两岸为生态格网绿滨垫，综合选用设计糙率为0.04。
3.2.3 起算断面水位计算
根据流态判别，水流为缓流，从下游向上游进行水面线推算。控制断面选择在下游国道312线黑河大桥节点处，根据计算，桥孔上游壅高水位1453.5m，并据此推算本次工程段下游起算水位为1468.14m。
3.3 河道疏浚设计
3.3.1 河道疏竣纵向设计
以河床天然纵坡、河床疏浚设计为依据，分三段纵坡进行疏浚，以平顺上下游水流。黑甘22+974.00至黑甘23+400.00m段，为衔接上游工程，设计平均纵坡取12.39‰；黑甘23+400.00至黑甘24+234.00m段，设计纵坡与现状天然纵坡接近，为6.40‰；黑甘24+234至黑甘25+174m段，依据天然河道纵坡，设计平均纵坡取8.85‰。
3.3.2 河道疏浚横向设计
本次疏浚河道底宽以不小于300m整治河宽控制，并结合驳岸线及植被修复区的规划需求进行整体设计。设计断面在50年一遇洪水标准下，确保50年一遇洪水能安全运行在主河槽以内，以此参数进行河道疏浚。
3.3.3 河道疏浚后设计水面线
50年一遇设计洪水水面线计算成果见表3.3-1。
表3.3-1河道疏浚后50年一遇设计洪水水面线计算成果
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3.4 河道驳岸设计
3.4.1 岸顶高程确定
1、确定依据
按照“堤顶高程=设计洪水位+堤顶超高”确定，堤顶超高Y值按《堤防工程设计规范》中的公式计算，即：
Y=R+e+A
式中：Y--堤顶超高，m；R--设计波浪爬高，m；e--设计风壅水面高度，m；A--安全加高值，m。
安全加高值A按《堤防工程设计规范》规定，2级堤防，不允许越浪，对应安全加高值A为0.8m。
3、计算结果
通过计算，岸顶超高取值为1.6m。并对左岸已建驳岸岸顶高度进行复核，满足设计过洪要求。
3.4.2 驳岸典型横断面设计
沿疏浚后主河槽设置驳岸。左岸驳岸已建成，本次新建右岸驳岸断面型式和材料选择按照因地制宣、就地取材的原则，综合考虑地形地质情况、施工条件、工程造价、生态植被等因素，拟定驳岸型式为绿滨垫+铰接式护坡材料，二级缓坡式驳岸，50年一遇设计洪水位以下部位采用生态格网绿滨垫护坡，以上超高部位采用生态铰接式护坡结构设计，中间设2m宽平台步道。
本工程新建右岸驳岸2.37km，桩号黑甘右23+407.590～黑甘右25+780.150段，典型驳岸横断面设计图如下。
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图3.4-4 典型驳岸横断面图
下部迎水面采用0.5厚生态格网绿滨垫护坡，坡比1：3。基础采用固滨笼固脚+抛填块石防护，防止冲刷破坏，固滨笼固脚底宽3.0m，顶宽2.0m，高2.0m。绿滨垫及固滨笼填石采用块石或卵石，要求强度等级不小于MU30，不易风化、不易水解、抗风化硬质岩石。绿滨垫网栅与堤身夯砂卵砾层之间设一层300g/m2的反滤土工布。
上部铰接式护坡迎水面坡比1：3，坡面采用连锁型C25砼预制块铺面，并在其上覆土30cm植草，起到稳定河岸、生态平衡的效果。铰接式护坡下部铺设反滤土工布，防止堤身细颗粒流失，提高驳岸稳定性。铰接式护坡坡脚砼固脚，坡顶设砼压顶。
3.5 固床潜坝设计
根据河道疏浚纵断面设计，在桩号22+974.00、23+400.00、24+234.00、25+174即河床首、末端及设计纵坡变化处各设置一道固床潜坝，稳固河床，防止河床下切，保持河道纵向稳定性。
4 结语及建议
兹针对黑河大桥下游段河道河床宽浅，城市防洪能力不足的问题，通过河道疏浚和新建驳岸设计，使得该段河道达到50年一遇防洪标准，提高了主河槽防洪能力。该工程的建设，能够强化生态环境保护，加大水土保护与恢复建设力度，提高水源涵养能力，加快宜居区域建设。重点设计有如下几点：
（1）疏浚后基本维持天然河道比降。设计平均纵坡分三段，分别取12.39‰、6.40‰、8.85‰。
（2）本次新建右岸驳岸断面，综合考虑施工条件、工程造价、生态植被等因素，推荐选用绿滨垫+铰接式护坡材料，二级缓坡式驳岸。
（3）在河床首、末端及设计纵坡变化处各设置一道固床潜坝，稳固河床，保持河道纵向稳定性。
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