丹江棣華段堤線堤防斷面形式探析

曹 菀

棣花鎮(zhèn)位于商洛市丹鳳縣西北部，有丹鳳西大門(mén)之稱。南水北調(diào)水源地丹江自西北向東南橫貫棣花達(dá)10 km，棣花街成“弓”型環(huán)抱著棣花村。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量712.5 mm。棣花鎮(zhèn)現(xiàn)有117個(gè)自然村民小組2.3萬(wàn)人，總面積78 km2。棣花文化旅游園區(qū)是陜西省十大重點(diǎn)文化景區(qū)——“商於古道文化景區(qū)”重要組成部分。為配合西部花都景區(qū)重要集鎮(zhèn)段建設(shè)，確保當(dāng)?shù)胤篮榘踩?，?guī)劃修建棣花鎮(zhèn)防洪工程。

1 河道現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 河道現(xiàn)狀

丹江在陜西境內(nèi)流程259 km，流域面積7478 km2，境內(nèi)河道平均比降3.27‰。該河谷寬約90～150m，河谷兩岸斜坡角度25°～57°，河谷均呈一“V”字型發(fā)育，堤線位于丹江干流左右岸河漫灘之上。河水具暴漲暴落之特征，水流側(cè)蝕強(qiáng)烈。河床表層以砂卵石為主。此次治理河道長(zhǎng)度5.1 km。河道較寬闊、平坦?，F(xiàn)狀河寬50～150 m。按照工程位置的不同，本工程共布置三段，其中雷家坡治理河道長(zhǎng)1.0 km，南溝—西溝段治理河道長(zhǎng)2.6km，兩嶺段治理河道長(zhǎng)1.5km。

1.2 存在問(wèn)題

工程位于丹江干、支流丹鳳縣棣花鎮(zhèn)，設(shè)防河段總長(zhǎng)5.1 km。雷家坡治理河段右岸為大片耕地、大棚等，依靠天然岸坎擋水。左岸雷家坡大橋至上游基巖處為大片耕地，有天然松散砂礫石岸坎；下游為觀光生態(tài)園區(qū)，為重要支流治理丹江干流丹鳳縣棣花段防洪工程已成堤防；南溝—西溝治理河段右岸為大片耕地，局部有干砌石擋墻，但標(biāo)準(zhǔn)低，坍塌嚴(yán)重。南溝、西溝入?yún)R口處無(wú)防洪工程，依靠天然岸坎擋水。左岸為重要支流治理丹江干流丹鳳縣棣花段防洪工程已成堤防。南溝、西溝入?yún)R口處無(wú)防洪工程，依靠天然岸坎擋水；兩嶺治理河段，河道蜿蜒，兩岸主要為居民區(qū)、農(nóng)耕地。左岸 Z0+884～Z1+552.8段、右岸 Y1+062.6～Y1+256.1段為漿砌石堤防，掉跟嚴(yán)重，其余段依靠天然岸坎擋水。整個(gè)治理河段河床縱向演變劇烈，呈較強(qiáng)下切趨勢(shì)。每年汛期洪澇災(zāi)害頻繁，直接威脅城鎮(zhèn)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，已成為制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的頸瓶。

2 堤防建設(shè)方案分析

依據(jù)前期工作成果、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定本次治理段（F=2504 km2）設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量1603 m3/s，工程等級(jí)為4級(jí)。

2.1 堤線布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，參照已成河堤，考慮上下游、左右岸的護(hù)岸現(xiàn)狀，結(jié)合設(shè)防河段河道特性及堤線布置原則，根據(jù)河道演變趨勢(shì)和規(guī)律，按照大彎順勢(shì)，小彎取直的原則，擬定設(shè)計(jì)堤線結(jié)合現(xiàn)狀河道走勢(shì)，沿現(xiàn)狀岸坎走勢(shì)，采用直線和相切圓弧連接，力求平順。護(hù)岸與原公路橋梁銜接處，按照復(fù)核的過(guò)水能力，結(jié)合原有斷面合理布設(shè)堤線。

本次設(shè)計(jì)堤距依據(jù)工程規(guī)劃保護(hù)范圍，采用兩種方法，即阿爾圖寧公式和由水流阻力公式、水流連續(xù)方程及河相關(guān)系式連立求解計(jì)算，并結(jié)合已有防洪工程及已有設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行計(jì)算核定。

（1） 采用阿爾圖寧公式：B=A×（Q0.5/J0.2）；A 為穩(wěn)定河寬系數(shù)，取 1.6；Q 為造床流量（m3/s）；J為河道比降。

（2）水流阻力公式、水流連續(xù)方程及河相關(guān)系式連立求解計(jì)算：

式中：ξ為河相系數(shù)；Q為造床流量，m3/s；J為河道比降；n為綜合糙率；B為計(jì)算河道寬度，m；h為計(jì)算河道水深，m。

用上述兩個(gè)公式計(jì)算的穩(wěn)定河段水面寬度，結(jié)合現(xiàn)狀河道特征及已成防洪工程情況，確定分段規(guī)劃最小堤距，見(jiàn)表1。

表1 丹江干流設(shè)計(jì)堤距統(tǒng)計(jì)表 單位：m

根據(jù)各河段所確定的設(shè)計(jì)洪峰流量，結(jié)合現(xiàn)有堤防以及調(diào)查取證確定行洪寬度，并根據(jù)本河段的實(shí)際地形條件，對(duì)局部不合理堤段做適當(dāng)微調(diào)，最終確定：丹鳳縣棣花鎮(zhèn)雷家坡、南溝-西溝段設(shè)計(jì)堤距不小于100 m；棣花鎮(zhèn)兩嶺段由于地形限制，左右岸坎處為民房密集區(qū)，拆遷難度大，因此確定設(shè)計(jì)堤距不小于65 m。

2.2 堤頂高程確定

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，兩嶺-鞏家灣段護(hù)岸超高值Y=0.6 m，再加20年一遇洪水位，即可得到堤防的堤頂高程。綜合確定丹鳳縣農(nóng)防段堤防工程雷家坡大橋右岸、南溝-西溝右岸、兩嶺段左右部分段落，雷家洞段右岸風(fēng)浪爬高為0.364 m，風(fēng)壅水面高度為0.005 m，安全加高值0.6 m（20年標(biāo)準(zhǔn)為0.6 m）。確定工程治理段堤防工程堤頂超高為1.0 m；護(hù)岸工程雷家坡大橋左岸、兩嶺-鞏家灣段部分段落護(hù)岸超高為0.6 m。

2.3 堤防橫斷面形式

根據(jù)堤線布置原則及堤距，結(jié)合現(xiàn)狀堤防及各段實(shí)際情況，綜合考慮，本次堤防結(jié)構(gòu)形式采用仰斜式擋土墻和漿砌石護(hù)坡兩種方案進(jìn)行比較。兩種堤防斷面形式優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 各種護(hù)坡技術(shù)對(duì)比分析表

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、適宜性等多方面的比選，最終確定本次工程這兩種方案分段考慮。

1）棣花雷家坡、南溝-西溝段

此段位于西部花都景區(qū)，為配合景區(qū)發(fā)展，此段采用復(fù)式生態(tài)堤防形式，擬定堤防橫斷面見(jiàn)圖1。新修堤防采用梯形斷面砂礫石堤，護(hù)腳采用漿砌石擋墻形式，臨水側(cè)1∶0.5，背水側(cè)直立，前趾寬0.3 m，高0.6 m。護(hù)腳頂寬3 m（含護(hù)腳墻頂寬0.6 m），護(hù)腳平臺(tái)鋪設(shè)漿砌石厚0.3 m，表面鋪設(shè)0.1 m厚C25混凝土。堤后采用0.2 m厚1∶2.0生態(tài)護(hù)坡，表面采用植草護(hù)坡形式，C25混凝土框格尺寸2 m×2 m，格構(gòu)梁斷面尺寸0.2 m×0.35 m。坡腳采用50 cm×60 cm的C25混凝土固腳，坡頂采用40 cm×40 cm的C25混凝土壓頂，堤頂后側(cè)設(shè)1.0 m寬綠化帶，3.0 m寬C25混凝土路面。

2）棣花兩嶺段（樁號(hào) Z0+000-Z0+793.7、Y0+000-Y0+559.7）

此段由于地形限制，左右岸坎處為民房密集區(qū)，拆遷難度大，綜合考慮左右岸的利益，兼顧上下游已成堤防、盡量不縮窄過(guò)洪斷面，擬定堤防采用仰斜式斷面，擬定堤防橫斷面見(jiàn)圖2。斷面采用M7.5漿砌石仰斜式擋墻后填筑砂礫石型式，擋墻頂寬0.8 m，后側(cè)設(shè)1.0 m綠化帶，堤頂寬3.0 m，設(shè)20 cm厚C25混凝土路面。堤防臨水側(cè)坡比1∶0.5，背水側(cè)坡比1∶0.15，前趾寬 0.5 m，高1.0 m；擋墻每隔 10 m設(shè)1道縱向伸縮縫，墻前設(shè)DN50PVC排水管梅花形布置。

圖1 生態(tài)復(fù)式斷面

圖2 仰斜式斷面

3）棣花鎮(zhèn)兩嶺段（樁號(hào) Z0+884.0—Z1+418.0）

此段河道均有干砌石老堤存在，老堤前沿有10～20 m寬的灘地，由于河床下切，灘地前沿與河床形成2.5～3.5 m的土坎，如遇洪水沖刷，土坎坍塌，對(duì)老堤形成巨大威脅，根據(jù)本段河道現(xiàn)狀，在漫灘前沿采用格賓籠對(duì)老堤進(jìn)行加固。格賓籠塊石尺寸2.0 m×1.0 m×1.0 m，頂部種植爬山虎、紫藤等爬行植物，堤后植綠化帶。擬定堤防加固橫斷面見(jiàn)圖3。

圖3 格賓籠塊石后填筑砂礫石型式棣花鎮(zhèn)兩嶺段

4）棣花鎮(zhèn)兩嶺段（Y0+559.7—Y1+042）

此段為已成漿砌石堤防，掉跟嚴(yán)重，此段采用護(hù)根加固處理，加固形式采用C20埋石混凝土結(jié)構(gòu)，護(hù)根迎水面坡比1∶0.2，基礎(chǔ)頂寬0.6 m，底寬1.2 m，高3.0 m。擬定堤防加固橫斷面見(jiàn)圖4。

圖4 兩嶺段(Y0+559.7-Y1+042)堤防加固橫斷面圖

2.4 沖刷計(jì)算及基礎(chǔ)埋深

工程區(qū)河道比降陡，洪水流速大，易對(duì)堤腳造成淘刷，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)公式，結(jié)合兩岸堤防、護(hù)岸防洪標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行沖刷計(jì)算。最終確定：兩嶺基巖段（Z0+000～Z0+200、Y0+000～Y0+170 m）基礎(chǔ)埋置深度在弱風(fēng)化基巖以下1.0 m，護(hù)灘棣花鎮(zhèn)兩嶺段（Z0+884.0—Z1+418.0）、雷家洞（Z0+000-Z0+584.8）段基礎(chǔ)埋置深度在深泓線以下2.0 m；其余段基礎(chǔ)埋置深度在深泓線以下3.0 m。

2.5 堤防穩(wěn)定分析

2.5.1 擋土墻穩(wěn)定分析

棣花鎮(zhèn)雷家坡-兩嶺段防洪工程穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)斷面形式及地質(zhì)情況的不同，選取同類型中高度最高的斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析，本次分別選取兩嶺段DF3(50+689)斷面，DF8(51+427)斷面，雷家坡-西溝段DF11（46+904）斷面為代表斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。對(duì)擬定的堤防斷面，按單位長(zhǎng)度一米堤防進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算計(jì)算。采用水利水電程序集進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 堤防驗(yàn)算成果匯總表

4級(jí)堤防正常運(yùn)用條件下抗滑安全系數(shù)為1.20，抗傾覆安全系數(shù)為1.45。從上表計(jì)算結(jié)果知，所擬定堤防斷面抗滑穩(wěn)定系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范允許值，基底應(yīng)力均小于地河床地基許可承載力，且最大基底應(yīng)力值與最小值之比均小于規(guī)范容許值，所擬設(shè)計(jì)堤防斷面滿足穩(wěn)定及強(qiáng)度要求。

2.5.2 護(hù)坡整體穩(wěn)定計(jì)算

結(jié)合地形、地質(zhì)情況，本次選取棣花鎮(zhèn)雷家坡-兩齡段DF11（46+904）斷面進(jìn)行堤坡穩(wěn)定分析。穩(wěn)定計(jì)算采用河海大學(xué)工程研究院編制的有限元平面滲流程序“Autobank”進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果為：迎水坡坡比1∶2，計(jì)算值為2.743，而規(guī)范值1.15。這說(shuō)明，堤防填筑質(zhì)量較好的情況下，臨水側(cè)邊坡1∶2，背水側(cè)邊坡1∶2是穩(wěn)定的。因此，本設(shè)計(jì)選定的棣花鎮(zhèn)南溝雷家坡-西溝段迎水坡1∶2生態(tài)護(hù)坡是穩(wěn)定的。

2.5.3 滲流計(jì)算

本工程以護(hù)岸為主，背水側(cè)高度比設(shè)計(jì)堤頂高1～2 m，不會(huì)形成穩(wěn)定滲流，故可不進(jìn)行背水坡滲流計(jì)算。

2.5.4 堤岸防護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算、堤坡砌護(hù)穩(wěn)定情況

對(duì)漿砌石堤坡砌護(hù)自身的穩(wěn)定性按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》D1.1—1式進(jìn)行復(fù)核。選擇典型斷面，取最大堤高斷面，砌護(hù)厚度：頂部40 cm，底部0.95 cm。不計(jì)基礎(chǔ)的阻滑作用。由以上計(jì)算，砌石護(hù)坡，滑動(dòng)安全系數(shù)＞1.0，即在各種滑動(dòng)深度情況下，護(hù)坡均是穩(wěn)定的。

3 結(jié)語(yǔ)

丹鳳縣棣花鎮(zhèn)工程區(qū)為棣花西部花都所在地，工程區(qū)大部分河段無(wú)防洪措施，為完善丹江干流防洪體系，規(guī)劃修建丹江棣花工程。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、適宜性等多方面的比選分析，棣花鎮(zhèn)雷家坡、南溝-西溝段設(shè)計(jì)堤距不小于100 m，堤防采用生態(tài)堤防；兩嶺段設(shè)計(jì)堤距不小于65 m，采用仰斜式擋土墻結(jié)構(gòu)型式，商鎮(zhèn)及兩嶺段采用M7.5漿砌石護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式，工程建成后，可保護(hù)丹鳳縣棣花鎮(zhèn)雷家坡、南溝-西溝、兩嶺人口1893人、耕地1172畝安全，防洪效益達(dá)1178.88萬(wàn)元。