黄河干流兰州城区段防洪治理工程方案设计

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摘 要：本文介绍了黄河干流兰州城区段的防洪设计，并对河道的方案设计进行了简要论述。

关键词：防洪治理，方案，设计

中图分类号：TV87 文献标识码：A

1概述

兰州市位于中国大陆地理版图的几何中心，被称为中国“陆都”，距西北其他四省区的省会平均距离最近。市区南北群山环抱，东西黄河穿流而过，枕山带河，依山傍水，平均海拔1500米，具有盆地城市的特征。 兰州地处内陆，属温带季风性气候但大陆性特点明显。降水少，日照多，光能潜力大，气候干燥，年平均气温10.3℃。

兰州是黄河唯一穿城而过的省会城市，坐落于一条东西向延伸的狭长型谷地，夹于南北两山之间。沿黄河两岸，打造了全国唯一的城市内黄河风情线，东西长约50多公里，被称为兰州的“外滩”，是市民娱乐休闲的好去处。兰州的城市依托着黄河两岸发展，规模逐渐外延扩大，如何实现发展与防洪共举，与水相依，协调发展，实现人与自然的和谐相处。黄河干流兰州城区段防洪就是在此基础上进行方案设计的。

黄河兰州段防洪治理工程河道47.5km，共有岸线95.044km，其中天然陡坎22.364km，目前兰州已建成规划堤防56.92km，还有未建河堤15.76km。通过对黄河干流兰州市区段防洪治理工程的实施，可以使兰州市城区形成完整、有效的防洪体系，提高设防标准，改善河道现状，强化河道行洪功能，稳定河势，使国家财产和人民的生命安全得到保障。

2.水文分析

黄河兰州段位于刘家峡水库下游70—117km处，是黄河上游重点防汛河段。该河段西起西柳沟口，东到桑园峡，全长47.5km，左右河岸线长约95km。全段枯水河槽宽窄变化相对较小，而洪水时河宽变化较大，窄处仅为120m左右，宽处可达600m。平均比降为0.94‰，河床由砂卵石组成，且多卵石边滩及河心滩，河道纵向稳定，冲淤变化相对较小，基本处于平衡状态。

根据兰州气象站1971～2008年观测资料统计：多年平均气温为10.0℃，1月份平均气温-5.0℃，7月份平均气温22.7℃，极端最高气温39.8℃，发生于2000年7月24日，极端最低气温-19.7℃，发生于1975年12月13日；多年平均降水量303.1mm，主要集中在6～9月；多年平均蒸发量1446mm；多年平均相对湿度50%；春季多风，多年平均风速0.9m/s，最大风速16.0m/s，相应风向WNW；冬季最大积雪深度9.0cm，最大冻土深度98.0cm；年日照时数2416.4h。

黄河兰州站1956～2003年时段，最大年径流量445.40亿m³(1981年)，最小年径流量202.01亿m³(2002年)，多年平均径流量307.91亿m³，占黄河花园口站年径流量的57.6％。兰州站年径流变差系数Cv值为0.234，径流的多年变化相对稳定。

黄河是世界上著名的多泥沙河流，最大含沙量出现在8月份。黄河兰州段泥沙来自上游水库排沙和区间产沙，历年平均含砂量为3.41千克/立方米，汛期最大含砂量平均值为17.7千克/立方米，最小含砂量仅0.049千克/立方米。自刘家峡水库建成运行20年来，兰州段的泥沙量比建库前减少了约60%。目前盐锅峡和八盘峡水库已淤积平衡，对悬移质的拦沙作用不大，预计今后兰州段的泥沙将有增加的趋势，但是经多年观测分析，淤积对过水断面的影响不大。

由于上游龙羊峡、刘家峡等大型水库的建成，形成水体的热调节作用，使得夏季出库水温降低、冬季出库水温提高，近20年来各水文站冰清消失，支流偶有流冰汇入，但很快会融化。因此黄河兰州段冬季不会出现封冻现象。

3.堤防堤线布置原则

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）的规定，堤线布置根据防洪规划、地形、地质条件，河流变迁，结合现有及拟建建筑物位置、施工条件、已有工程状况以及征地拆迁、文物保护、行政区划等因素，经过技术经济比较后综合分析确定。黄河兰州城区段堤线布置应遵循下列原则：

（1）堤线布置应与天然河势相适应，不改变主流流向和天然形态，并与大洪水的主流线大致平行，维持河段已经形成的弯道顺势布局；一个河段两岸堤距应大致相等，不宜突然放大或缩小，堤距应大于稳定河宽之要求。

（2）堤线布置根据河道的地形、地质条件，水文泥沙特征，河床演变特点，冲淤变化规律，不同堤距的技术经济指标，综合权衡有关自然因素和社会因素后分析确定。

（3）堤线布置应力求平顺，相邻堤段间平缓连接，不应采用折线或急弯。

（4）堤线应布置在占压耕地、拆迁房屋少的地带，并避开文物遗址，有利于防汛抢险和工程管理，尽量避开河道两岸现有耕地、林草地灌木群及植被，并要求施工时加以保护或恢复。

（5）堤距确定应根据流域规划河段划分河段确定，上下游、左右统筹兼顾。

（6）在有条件的河段，结合当地规划留出发展空间，如湿地、石林景区、河心岛等。维持现有的沿河建筑物不变，如灌区取水口、引水渠、泵站等。

（7）堤线堤防工程应尽可能利用现有堤防和有利地形，修筑在土质较好、比较稳定的滩岸上，留有适当宽度的滩地，尽可能避开软弱地基，深水地带、古河道、强透水地基。

（8）给今后工程管理和防洪抢险创造方便条件。

（9）治理方案结合河流特点科学比选，因地制宜，符合规划，协调总体，因势利导、因地制宜，就地取材，节省投资，有利于现有堤防工程设施功能的发挥。

4方案设计

4.1堤顶高程确定

河堤堤顶标高的确定，是依据黄河大断面水位流量曲线、水位坡降、以及风浪爬高河安全超高进行设计。

依据《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）中的公式7.3.1和附录C进行堤顶超高和波浪计算。

H=Y+设计水位

式中：H——堤顶高程（m）

Y——堤顶安全超高值（m）

R——设计波浪爬高（m）

e——设计风壅增水高度（m）

A——安全加高值（m），根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）表3.2.1中不允许越浪的1级堤防取为1m。

Y=R+e+A

（1）设计波浪爬高R：

其中风浪要素采用下列公式计算

经计算，=0.55m。

（2）风雍水面高度：

经计算，=0.003m

（3）安全超高A：

按《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）规定，该段堤防为1级，不允许越浪的安全超高为1m。

经以上计算，设计波浪爬高为0.55m，设计风雍水高度为0.003m，，则堤顶超高为1.553m，取安全超高Y=1.6m。

4.2基础埋深确定

衡重式挡墙及墙趾基础埋深由下式计算：

H=h+Δh

式中：h——冲刷深度

Δh——安全埋深，按《城市防洪工程设计规范》取0.5～1.0米。

本次计算，采用《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中附录D.2护岸工程冲刷深度计算公式，对工程区河段均按平顺护岸设计洪水进行冲刷深度计算。

河道冲刷深度计算分别按水流平行岸坡和水流斜冲岸坡两种情况计算。水流平行岸坡的冲刷发生在两个弯道的过渡段或半径很大的微弯河段，水流斜冲岸坡的冲刷发生在弯道的凹岸，冲刷一般较严重。

平行岸坡和斜冲岸坡采用相同的公式，根据水流流向与岸坡交角不同，取得不同的流速不均匀系数，水流冲刷按下式计算：

各段河堤基础埋置深度根据不同地质条件及不同冲刷条件根据计算确定。

根据计算结果，参考黄河原有堤岸冲刷资料，同时考虑到计算公式的局限性及工程地质条件，结合兰州市多年来修建河堤的经验，设计没有采用计算值，考虑一定的安全余地后对计算值适当作了调整。确定黄河干流兰州市城区段堤防基础冲刷深度平顺段及凸岸段设计基础埋深在冲刷线以下3.0m；凹岸斜冲段设计基础埋深在冲刷线以下5.0m。

4.3挡墙断面形式比选

根据兰州市设防标准，黄河河堤为1级堤防工程，设防为百年一遇，其流量为Q1%＝6500m3/s。黄河防洪堤按设计洪水位加超高 1.6 米建设。 黄河河槽总宽度规划按350——400 米控制，最低不小于 300米。河道宽度主要依据设计洪水位所需的断面确定。 对黄河两岸不能满足防护标准的及存在质量隐患的河堤进行修筑、改造，使之满足防洪要求。 对于黄河主河违章建筑物、构筑物予以拆除，清除占用河道堆积物，保证黄河泄洪道畅通。

根据工程地质条件和当地建设条件，本着经济合理、技术可行的原则确定堤防断面形式。新建堤岸方案设计提出三种断面形式进行比较。

（1）衡重式挡墙断面形式

河堤挡墙采用C25埋石混凝土砌筑，设抗冲刷墙趾，高度1米，用C15毛石混凝土砌筑。墙顶设40厘米厚混凝土压顶，钢筋混凝土栏杆。

图1 衡重式挡墙典型横断面

方案特点：

①结构简单，施工方便。

②就地取材，并可分季节施工，节约工期，节省投资。

③墙身断面较大，稳定性好，但圬工量较大，对基础条件要求高。

（2）钢筋混凝土扶臂式挡墙。墙身和基础均由钢筋混凝土浇筑。

图2 扶壁式挡墙典型横断面

方案特点：

①墙身断面小，结构较轻巧，圬工量省。

②墙基开挖面积较大，不利于水下施工，工艺复杂，技术难度大。

③施工工期长，特别是不利于冬季施工。

（3）贴坡式断面形式

堤线大体沿自然岸坡布置，采用河床开挖的砂砾土填筑，按照规范要求确定堤身填筑标准，砂砾土土堤的填筑标准相对密实度不小于0.65，局部粘土填筑标准压实度不小于0.95。工程区治理河段防洪堤高度为11~14米，根据筑堤材料特性确定，迎水面边坡为1:1.5，背水面边坡为1:1.25。防洪堤每10米设置1道伸缩缝。

方案特点：

①结构简单，施工方便。

②就地取材，投资较低。

③抗冲刷防护能力较弱，防冻胀能力较差。

图3 坡式护岸典型横断面

（4）方案比较：

由于黄河干流兰州段已建成可防百年一遇洪水的河堤56.92km，本次设计拟新建河堤15.76km，以前修建的河堤均采用衡重式断面。结合各方案的特点，经综合比较，推荐采用衡重式挡墙断面形式。

方案综合性能比较表表5.4-1

根据工程地质条件和当地建设条件，本着经济合理、技术可行的原则确定新建堤防断面形式。设计提出三种断面形式进行比较。

结合各方案的特点，经综合比较，推荐采用衡重式挡墙断面形式。

河堤堤顶标高的确定，是依据黄河大断面水位流量曲线、水位坡降、以及风浪爬高河安全超高进行设计。

各段河堤基础埋置深度见根据不同地质条件及不同冲刷条件根据计算确定。

4.4挡墙结构设计

根据计算，衡重式挡墙在大于12米时，尺寸增加很大，很不经济。因此，对于设计墙高小于12米的挡墙形式，采用比较经济的单式衡重式墙式断面形式。

对于设计墙高大于12米的挡墙形式，进行了比选，提出两种方案，即一次设防的衡重式挡墙河堤和复式断面河堤挡墙。

（一）、新建一次设防的衡重式挡墙河堤

该方案的特点是：

（1）不存在发生大洪水时绿化带被淹的问题，不增加二次绿化投资。

（2）可不与滨河路的设计施工同时进行，河堤建设相对独立。

（3）工程投资大。

（二）、新建复式断面河堤挡墙

针对按照黄河百年一遇流量设防新建河堤，提出了新建堤坡结合的防护形式。

该方案的特点是：

（1）河堤挡墙高度较低，降低了河堤挡墙施工难度。

（2）采用坡面绿化，既增加了绿地面积，提高了城市的景观效果，也使行人更接近水面，达到人与自然的结合。

（3）堤挡墙与护坡一次性建设，实现了黄河百年一遇设防标准。

（4）黄河流量超过矮堤时将淹没坡面绿化带，需增加二次绿化投资。

图4 复式断面河堤挡墙典型横断面

4.4堤顶结构

依据《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）中对1级堤防顶宽不宜小于8m的确定，本工程堤防级别为1级。综合考虑防汛抢险机械和抢险物资运输、工程正常运行管理及群众生产的交通需要，本次设计堤顶与防汛道路相结合，确定堤顶宽度均为8m。

考虑汛期雨水对堤顶产生冲刷、泥泞等不利抢险交通的影响，同时兼顾城市美化的要求。根据筑堤材料的条件，堤顶路面均采用混凝土铺装路面，总厚度为35cm，设计的道路结构层设计为面层20cm厚C30混凝土，基层15cm厚5%水泥稳定砂砾，堤顶道路路面宽度为6m。

5工程建设对环境影响的对策

根据工程特点和项目区环境特点，本次工程在实施过程中应采取一定的环境保护措施，以将工程实施带来的不利影响降低到最低程度，使项目的有利影响得以充分发挥，促进项目区生态和环境的良性循环。

本次工程所涉及的环境监测任务主要包括施工区水环境监测、环境空气监测、环境噪声监测、生态环境监测等。在工程建设管理单位设置专职的环境管理人员，安排专业环保人员负责施工中的环境管理工作。为保证各项措施有效实施，环境管理人员应在工程筹建期设置。

参考文献：

［1］《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）

［2］《城市防洪工程设计规范》（GB/T50805-2012）