北安市東山澇區(qū)防洪工程設(shè)計(jì)方案分析

孫宇東

(北安市城郊鄉(xiāng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江北安164000)

1 工程概述

東山澇區(qū)位于北安市趙光鎮(zhèn)境內(nèi)，烏裕爾河以南，轱轆滾河右岸的低洼易澇地塊，受洪澇農(nóng)田266.7 hm2。

本次設(shè)計(jì)的澇區(qū)堤防工程處于轱轆滾河下游，基本沒有堤防和排水建筑物，澇區(qū)內(nèi)有4條排水溝自然進(jìn)入河道內(nèi)。

現(xiàn)有河道彎曲嚴(yán)重，有4處河道坍塌嚴(yán)重，切割岸邊。規(guī)劃新建堤防工程采用20 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，堤防工程及主要建筑物等級(jí)為4級(jí)。本地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度＜0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度值為＜Ⅵ度區(qū)，充需進(jìn)行抗震計(jì)算。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量資料，擬建堤防長(zhǎng)度13.077 km，采用黏土填筑，新建穿堤涵閘4座，護(hù)岸4處總長(zhǎng)602 m，迎水坡3+200－9+200處靠近主河槽，洪水流速較大，采用混凝土板護(hù)砌。

設(shè)計(jì)堤防斷面擬定原則為:滿足設(shè)計(jì)抗滑穩(wěn)定和抗?jié)B透穩(wěn)定要求，有利于汛期防汛搶險(xiǎn)的交通運(yùn)輸，便于超標(biāo)準(zhǔn)洪水搶險(xiǎn)度汛。根據(jù)該工程地質(zhì)報(bào)告和堤坡穩(wěn)定計(jì)算的最小安全系數(shù)，考慮堤防邊坡的穩(wěn)定和堤基、堤身的滲透穩(wěn)定，此次設(shè)計(jì)堤防頂寬采用4 m，堤防上下游邊坡采用1∶3。

2 堤防工程設(shè)計(jì)

2.1 堤頂高程計(jì)算

堤防高程按設(shè)計(jì)水位加堤防超高確定，通過推求堤防設(shè)計(jì)水面線確定各斷面設(shè)計(jì)水位［1］。轱轆滾河縱斷面和橫斷面圖采用2010年實(shí)測(cè)成果，設(shè)計(jì)流量采用本工程水文分析成果，河道大橫斷面共17個(gè)，從轱轆滾河入烏裕爾河河口下游CS17斷面起推至CS1斷面，按穩(wěn)定非均勻流公式計(jì)算各斷面水位。河道糙率采取在實(shí)測(cè)的地形圖上量算各斷面主槽、灘地偏角以及斷面間的彎曲系數(shù)和調(diào)查到的1998年4個(gè)洪痕點(diǎn)，試算主槽糙率為0.032，灘地糙率為0.075。

本次轱轆滾河水面線推求長(zhǎng)度共14.8 km，洪峰流量采用2%、5%、10%、20%和33.3%共5個(gè)設(shè)計(jì)頻率。根據(jù)斷面數(shù)據(jù)以及計(jì)算方法和參數(shù)，推求轱轆滾河現(xiàn)狀水面線及規(guī)劃設(shè)計(jì)水面線。確定堤頂高程時(shí)，先計(jì)算堤頂超高數(shù)值，堤頂超高計(jì)算公式為:

式中:R為設(shè)計(jì)波浪爬高，e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度，A為安全加高)。經(jīng)計(jì)算按1.3 m考慮堤防超高。每個(gè)堤防斷面的堤頂高程為該斷面對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水位加上超高1.3 m得相應(yīng)斷面的堤頂高程。

2.2 堤防土料設(shè)計(jì)

堤防堤體填筑土低液限黏土。按工程地質(zhì)勘察報(bào)告中提供料場(chǎng)，筑堤土料采用集中料場(chǎng)，地層巖性為低液限黏土，適于筑堤，填筑標(biāo)準(zhǔn)按壓實(shí)度確定，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》“在3級(jí)以下及低于6 m的3級(jí)堤防壓實(shí)度不應(yīng)＜0.90”［2－3］。

地質(zhì)報(bào)告所提供筑堤土料土粒相對(duì)密度2.72、滲透系數(shù)6.57×10－6cm/s。設(shè)計(jì)壓實(shí)干密度計(jì)算公式為:

式中:m為壓實(shí)系數(shù)，本次設(shè)計(jì)取0.90;βdmax為標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度。

筑堤土料標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度為1.59 g/cm3，經(jīng)計(jì)算，堤防筑堤土料設(shè)計(jì)干密度取值為1.43 g/cm3。

2.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

堤防主要筑堤土料為低液限黏土。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，堤基為上薄黏性土下粗粒土組成的雙層結(jié)構(gòu)地基［4－5］。選擇堤前水頭相對(duì)較高的典型斷面兩個(gè)，分別為5+500和9+900斷面，大部分堤防堤前水頭均在兩個(gè)斷面以下，各斷面代表基本資料見表1，2。

表1 堤防斷面特性表 m

表2 土基典型斷面滲透系數(shù)表 cm/s

表3 典型斷面滲流計(jì)算成果表

表4 浸潤(rùn)線計(jì)算成果表

2.4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析

堤防穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧條分法，對(duì)均質(zhì)土堤，在進(jìn)行施工期的臨水、背水側(cè)堤坡和設(shè)計(jì)洪水位驟降期的臨水側(cè)堤坡計(jì)算時(shí)，采用不計(jì)條塊間作用力的總應(yīng)力法，在設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡計(jì)算時(shí)，采用有效應(yīng)力法，計(jì)算所采用土料物理力學(xué)指標(biāo)，見表5。

表5 土料物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》，4級(jí)堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常運(yùn)用條件≥1.15，非常運(yùn)用條件≥1.05，由表6可見，堤防斷面上、下游堤坡抗滑安全系數(shù)均滿足抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

表6 典型斷面穩(wěn)定分析安全系數(shù)成果表

3 涵閘設(shè)計(jì)

依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，在防洪堤上修建穿堤建筑物，其級(jí)別不得低于防洪堤級(jí)別，堤防為4級(jí)，主要建筑物為4級(jí)，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇。

坡水區(qū)建筑物排水標(biāo)準(zhǔn)采用10 a一遇，平原區(qū)建筑物排水標(biāo)準(zhǔn)采用5 a一遇。按實(shí)測(cè)河段和排水干渠出口位置布設(shè)了4處穿堤涵閘，即1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)及北河排水閘。

根據(jù)建筑物所在的地形、地質(zhì)、進(jìn)出口水流及堤防斷面等條件，本次設(shè)計(jì)穿堤建筑物均為自排涵閘。

排水涵閘由進(jìn)口段、涵閘段及出口消能段組成。進(jìn)口段由鋪蓋、鋼筋混凝土U型槽和鋼筋混凝土翼墻組成;鋪蓋采用0.3 m厚干砌石護(hù)砌，下設(shè)砂礫石15 cm、無紡布一層;涵閘段包括涵洞、閘室、啟閉排架及工作橋組成。

出口消能段包括消力池U型槽、出口翼墻、海漫段組成，海漫采用0.3 m厚干砌石護(hù)砌，下設(shè)砂礫石15 cm、無紡布一層，末端設(shè)防沖槽。為防止凍脹破壞，涵閘、進(jìn)出口U型槽的兩側(cè)及翼墻的墻后均采用鋪設(shè)厚10 cm保溫板的防凍措施。

涵閘過流能力按其設(shè)計(jì)水位及其進(jìn)出口高程對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用“灌區(qū)水工建筑物叢書”《涵洞》中的有關(guān)公式判別流態(tài)計(jì)算公式為:

式中:a為洞高;H為上游水深。

根據(jù)上述公式判別，本次設(shè)計(jì)的涵閘均為無壓流。

無壓流涵洞的過流能力計(jì)算公式為:

式中:σ為淹沒系數(shù)，當(dāng)σ=1時(shí)為自由出流;當(dāng)σ＜1時(shí)為淹沒出流;m為流量系數(shù);bk為過流斷面計(jì)算寬度。

涵閘消力池長(zhǎng)度:

式中:Lsj為消力池長(zhǎng)度;Ls為消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度;β為水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，采用0.8;Lj為水躍長(zhǎng)度。

涵閘海漫長(zhǎng)度:

式中:Lp為海漫長(zhǎng)度;qs為消力池末端單寬流量;Ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，涵閘實(shí)際過流能力均大于設(shè)計(jì)流量，涵閘洞徑設(shè)計(jì)滿足要求。計(jì)算消力池段長(zhǎng)度1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)及北河閘分別為9.45 m、9.19 m、8.79 m、6.53 m，消力池深1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)及北河閘分別為0.76 m、0.73 m、0.65 m、0.52 m，后接海漫段。

東山澇區(qū)堤防工程和穿堤排水涵閘工程是澇區(qū)防洪的骨干工程，既防洪保護(hù)農(nóng)田又能有效解決澇區(qū)排內(nèi)水出路，工程實(shí)施后效益顯著。

［1］綏化市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院隆順分院.黑龍江省北安市趙光鎮(zhèn)轱轆滾河堤防工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.肇東市:綏化市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院隆順分院，2012.

［2］黑龍江省金利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司.北安市東山澇區(qū)防洪工程測(cè)繪報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省金利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，2011.

［3］羅愛涓，武進(jìn)軍.博河中下游防洪工程設(shè)計(jì)方案探討［J］.東西北水利水電，2010(05):05－06.

［4］田春玲，何淼.黃泥河1.7km防洪工程設(shè)計(jì)方案［J］.東北水利水電，2010(05):05－06.

［5］蔣宏英.益陽市城市防洪工程北大堤方案設(shè)計(jì)［J］.湖南水利水電，1999(04):06－07.