莎車(chē)縣先巴扎防洪工程堤防設(shè)計(jì)與復(fù)核計(jì)算

胥東

（新疆喀什第三師勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆喀什844000）

莎車(chē)縣先巴扎防洪工程堤防設(shè)計(jì)與復(fù)核計(jì)算

胥東

（新疆喀什第三師勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆喀什844000）

結(jié)合莎車(chē)縣先巴扎防洪工程概況，確定工程設(shè)計(jì)等級(jí)與防洪標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出，河道整治寬度為800 m，通過(guò)方案比選，確定防洪堤型式為沿現(xiàn)狀河岸線布置，堤線長(zhǎng)度4.0 km。通過(guò)計(jì)算護(hù)腳沖刷深度與堤頂高程，給出堤防結(jié)構(gòu)斷面圖，對(duì)堤防抗滑與滲流穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果表明：上游壩坡最小安全系數(shù)為1.72，大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.15，堤防邊坡抗滑計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

防洪工程；堤防設(shè)計(jì)；方案比選；穩(wěn)定分析

葉爾羌河是一條洪水多發(fā)性河流，也是新疆境內(nèi)洪峰流量最大的河流，實(shí)測(cè)最大洪峰流量6270 m3/s，由于其河源段大面積冰川的發(fā)育及冰川堰塞湖的存在，常有突發(fā)性洪水發(fā)生，而中下游平原地區(qū)現(xiàn)有的防洪工程設(shè)施簡(jiǎn)陋，抗洪能力低，防汛任務(wù)很重，每年都要投入大量人力物力進(jìn)行防洪，洪災(zāi)損失大。為加強(qiáng)葉爾羌河中下游平原區(qū)的防洪工程建設(shè)，提高平原區(qū)的抗洪能力，相繼開(kāi)展了葉爾羌河防洪規(guī)劃與工程設(shè)計(jì)工作。莎車(chē)縣先巴扎防洪工程被列入葉爾羌河防洪二期工程。

由于資金短缺，防洪工程部分段現(xiàn)狀采用梢木土壓壩，工程標(biāo)準(zhǔn)低，使用周期短，抗洪能力差。因先巴扎防洪段處于葉河大拐彎處，主流對(duì)位于凹岸的先巴扎防洪段淘刷非常嚴(yán)重，已威脅到依干其水庫(kù)安全，該水庫(kù)為中型水庫(kù)，一但決口將形成巨大的潰壩型洪水，威脅下游人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此治理先巴扎防洪工程，己迫在眉睫。

1 工程布置方案設(shè)計(jì)

依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201－94）有關(guān)規(guī)定[1]，根據(jù)防洪工程所保護(hù)的對(duì)象綜合考慮，先巴扎防洪工程防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為20年一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量3626 m3/s。按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-98表2-1-1的規(guī)定[2]，本堤防工程級(jí)別為4級(jí)。地震動(dòng)峰值加速度0.10 g，確定本次工程建筑物抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度。

1.1 河道整治寬度計(jì)算

先巴扎防洪工程90+750-92+250段現(xiàn)狀河道寬度為650~990 m。河道的整治寬度以阿爾圖寧公式計(jì)算：

式中：By為穩(wěn)定水流寬度；A為系數(shù)一般取A＝0.9~1.1；Q為20年一遇（5%）設(shè)計(jì)洪峰流量3626 m3/s；J為此段河道平均縱坡為1/2532。

代入阿爾圖寧公式，可得By＝2.77×36260.5/(1/2532)0.2=799.93 m。此值與90+750-91+600段現(xiàn)狀河道寬度為800~990 m，與實(shí)際情況接近，該段穩(wěn)定河段取800 m。

表1 穩(wěn)定河寬計(jì)算及規(guī)劃整治河道寬度計(jì)算表

1.2 治導(dǎo)線的位置

確定合理的河床整治寬度，明確先巴扎防洪工程全段（90+750-94+750）的治導(dǎo)線的布置是本次工程的重要依據(jù)[3]。根據(jù)先巴扎防洪工程的具體情況，充分考慮規(guī)劃的防洪工程對(duì)上、下游的影響，左右岸的影響，對(duì)規(guī)劃防洪堤的治導(dǎo)線位置提出二個(gè)方案：

方案一：防洪堤沿現(xiàn)狀河岸線布置，堤線長(zhǎng)度4.0 km；

方案二：為滿足河道行洪寬度要求，在現(xiàn)有河岸線的外側(cè)，距離現(xiàn)有河岸線50~320m布置新防洪堤堤線，堤線長(zhǎng)度3.942 km。對(duì)上述方案進(jìn)行方案比選，見(jiàn)表2。

本次初設(shè)分別對(duì)兩個(gè)方案主要工程做了投資概算，經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較，方案一較方案二投資低1325.98萬(wàn)元，僅征占耕地補(bǔ)償費(fèi)1485.00萬(wàn)元，方案一更為經(jīng)濟(jì)。

通過(guò)以上綜合比選，并結(jié)合先把扎防洪工程的具體情況，充分考慮新建的防洪工程對(duì)上、下游及左、右岸的影響，推薦采用方案一：防洪堤沿現(xiàn)狀河岸線布置。本次防洪工程從先把扎防洪工程的始端（90+750處）開(kāi)始向下游延伸1.5 km（92+250處）結(jié)束[4]。

表2 防洪堤的治導(dǎo)線位置方案比較表

1.3 工程總體布置

新建防洪堤總布置為：新建防洪堤沿現(xiàn)狀河岸線布置。本次設(shè)計(jì)防洪堤起點(diǎn)樁號(hào)90+750，終點(diǎn)樁號(hào)92+250，修建防洪堤長(zhǎng)度1.5 km，其堤頂高程1211.83~1211.24 m。首端和末端設(shè)半徑21.875 m的半圓形裹頭與河岸相接，使之構(gòu)成一個(gè)完整的防洪體系。

2 防洪工程主要建筑物形式及設(shè)計(jì)

2.1 堤防型式

針對(duì)先把扎斷面河道寬度、水文地質(zhì)條件和多年的防洪經(jīng)驗(yàn)以及已建工程的運(yùn)行情況，先把扎防洪工程考慮全段順壩的堤壩型式，順壩長(zhǎng)1.5 km。確定壩體型式，首先需要計(jì)算順?biāo)鞣较蚍篮榈虥_刷深度，由于葉河兩邊灘地和河槽的糙率流速均不相同，應(yīng)把斷面分成兩部分計(jì)算，使兩部分面積之和與原河道斷面面積相等。

順?biāo)鞣较虺Ｓ龊樗闆r下防洪堤沖刷深度計(jì)算如下：

式中：hB為局部沖刷深度（m），從河床起算；hp為沖刷處的水深（m），以近似設(shè)計(jì)水位的最大深度代替；vcp為平均流速（m/s），vcp＝2.09 m/s；v允—河床面上允許不沖流速（m/s），v允＝0.89 m/s；n為系數(shù)，取0.25；計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水流斜沖護(hù)岸常遇洪水沖刷深度計(jì)算表

經(jīng)以上計(jì)算得知，在水流平行于岸坡的計(jì)算沖刷深度為0.81 m，按彎道計(jì)算最大沖深值為3.7 m，當(dāng)水流斜沖防洪岸坡的計(jì)算沖刷深度為5.55 m，根據(jù)近幾年堤壩實(shí)測(cè)最大沖刷深度，在水流斜沖防洪岸坡處的最大沖刷深度為6 m左右，理論計(jì)算比實(shí)際略小。本次順壩在水流斜沖防洪岸坡處的沖刷深度取6 m。本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)布設(shè)順壩1.5 km，起點(diǎn)樁號(hào)為90+750，終點(diǎn)樁號(hào)為92+250。

2.2 堤防橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)工程實(shí)測(cè)縱坡，先巴扎防洪工程自樁號(hào)90+750至92+250，全長(zhǎng)1.5 km，水面線縱坡為1/2381，本次設(shè)計(jì)堤防工程縱坡與水面線縱坡一致為1/2381。

本次防洪工程設(shè)計(jì)，考慮堤頂作為防洪巡堤道路及防洪搶險(xiǎn)時(shí)的交通道路，堤頂寬度設(shè)計(jì)為5 m，并鋪設(shè)0.25 m厚的砂礫石路面，在91+500處，設(shè)一個(gè)錯(cuò)車(chē)平臺(tái)，錯(cuò)車(chē)平臺(tái)長(zhǎng)度為20 m，寬度為12 m。

堤頂高程由設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-98）第6.3.1款中的計(jì)算公式：

式中：Y為堤頂超高(m)；R為設(shè)計(jì)波浪爬高(m)；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度(m)；A為安全加高(m)，根據(jù)規(guī)范表2.2.1查得4級(jí)堤防安全加高為0.6 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 先巴扎防洪工程防洪堤堤頂設(shè)計(jì)高程表

堤防邊坡確定根據(jù)實(shí)際地質(zhì)勘察試驗(yàn)及實(shí)際確定。堤防沿線地層巖性主要為低液限粉土和粉細(xì)砂，地質(zhì)部門(mén)建議防洪堤的內(nèi)邊坡系數(shù)不小于l∶2.5，外邊坡系數(shù)不小于1∶2.0。本次設(shè)計(jì)內(nèi)邊坡取1∶2.5，外邊坡取1∶2.0。堤防橫斷面結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1[5]。

圖1堤防橫斷面結(jié)構(gòu)圖

3 壩體滲流抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

3.1 壩體滲流計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.1.1條規(guī)定，河堤、湖堤應(yīng)進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算。本次計(jì)算以先巴扎防洪工程90+800處斷面作為典型斷面進(jìn)行核算。計(jì)算時(shí)采用上游為設(shè)計(jì)洪水、下游無(wú)水工況進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，防洪堤壩體材料為低液限粉土，壩基以下為細(xì)砂，屬透水層。故本次滲流計(jì)算按透水地基計(jì)算，壩坡下游按無(wú)排水設(shè)施情況分析[6]。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E.3可知，透水堤基均質(zhì)土堤滲流量計(jì)算方法是將堤身和地基滲透量分開(kāi)計(jì)算，總單位寬度滲流量q為兩者之和：

式中：qD為不透水地基上求得的相同排水型式的均質(zhì)土堤單位寬度滲流量；T為地基的透水深度（m）；K0為地基滲透系數(shù)（m/s），k=6.19×10-4cm/s；L為水平距離，為14 m。通過(guò)與不透水地基均質(zhì)土堤滲流量計(jì)算公式連立可以求得：h0=0.49 m，q=1.4×10-4m3/(s·m)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

浸潤(rùn)線計(jì)算公式：

表5 堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

式中：h0為特征水深（m）；Te為地基的有效深度；浸潤(rùn)線各點(diǎn)坐標(biāo)按以上公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯鰸B流作用下堤體穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)本區(qū)段堤防斷面的特點(diǎn)及滲流計(jì)算成果，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286－2013）的要求，本堤防的穩(wěn)定計(jì)算考慮以下三種工況：

（1）設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流時(shí)背水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定（設(shè)計(jì)洪水位）；

（2）設(shè)計(jì)水位驟降時(shí)的臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定（設(shè)計(jì)洪水位驟降至堤腳無(wú)水）；

（3）施工期的上、下游壩坡；

（4）地震工況下背水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定（設(shè)計(jì)洪水位+地震）。

對(duì)應(yīng)滲流計(jì)算成果，選取滲流計(jì)算斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析。穩(wěn)定計(jì)算，采用《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。計(jì)算采用有限元邊坡穩(wěn)定分析理論，運(yùn)用瑞典圓弧法計(jì)算堤防邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 防洪堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

從壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可以看出：上游壩坡最小安全系數(shù)為1.72，大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.15，因此，可以看出堤防邊坡抗滑計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合莎車(chē)縣先巴扎防洪工程，采用阿爾圖寧公式計(jì)算得到穩(wěn)定河段長(zhǎng)800 m，通過(guò)方案比選采用防洪堤沿現(xiàn)狀河岸線布置型式，確定了堤防工程的工程等級(jí)，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)水面線，堤頂高程與坡腳局部沖刷深度，結(jié)合筑堤材料選取與上下游情況，給出了莎車(chē)縣先巴扎防洪工程堤防斷面形式。并對(duì)該堤防進(jìn)行了滲透穩(wěn)定與抗滑計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。后續(xù)還需要對(duì)堤防護(hù)腳等進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，同時(shí)本文采用公式法計(jì)算滲流穩(wěn)定，方法較為簡(jiǎn)單，還需采用理正水利分析軟件等計(jì)算工具進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的合理性。

[1]GB 50201-94，防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB 50286-2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]李自榮.堤防設(shè)計(jì)中堤基設(shè)防深度探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014, (09):99-100.

[4]趙廣建.澤州縣長(zhǎng)河河道治理工程堤防設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013,(17):176-177.

[5]曹駿.貴州省錦屏縣城區(qū)河道治理親水型堤防設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江, 2012,(18):50-52.

[6]伍元,范子武,姜樹(shù)海.河道堤防設(shè)計(jì)高程的概率設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)校核方法[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2005,(04):14-17.

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1673-9000（2017）03-0081-03

2017-02-17

胥東（1982-），男，四川蓬溪人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。