東帝汶現(xiàn)役軍人住宅項目防洪工程設(shè)計分析

陳平川，曹志成

（1.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，廣東 深圳 518100；2.中國電建中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 概述

東帝汶位于東南亞努沙登加拉群島最東端，島國。國土面積14874 km2，境內(nèi)多山，屬熱帶草原雨林氣候。東帝汶現(xiàn)役軍人住宅項目位于東帝汶首都帝力以東約30 km 麥地那羅(Metinaro)村附近的小河溝下游右側(cè)小型沖洪積扇上。該項目建設(shè)用地面積3 hm2，建筑面積約9000 m2，主要建筑為100 套軍人住宅。

該項目于2010 年4 月份正式動工興建，重慶外建公司通過議標方式取得該項目承建權(quán)。2010 年10 月，軍人住宅項目區(qū)域遭遇暴雨，住宅項目旁邊的小河洪水暴漲，溢出的洪水經(jīng)項目背后坡地以及沖溝沖擊項目施工場地。由于東帝汶方面專為軍人住宅項目修建的擋水墻早在以前洪水中遭淘刷倒塌，因此本次洪水長驅(qū)直入淹沒整個施工場地，淹沒水深約1 m，淹沒時間約3 h。洪水退卻后，場地內(nèi)淤積大量泥沙，造成一定的經(jīng)濟損失，并由此遲滯住宅項目施工工期約1個月。

洪水事件發(fā)生以后，中國政府決定援建東帝汶防洪設(shè)施，確?，F(xiàn)役軍人住宅項目滿足20 年一遇的防洪標準。

2 基本思路

軍人住宅項目防洪基本思路是：在河道右岸，用防、排兩種方案，防止洪水對住宅的威脅。第一種方案為防洪堤，該方案在河道出峽谷口以下，沿河道右岸1200 m 范圍布置防洪堤，使洪水歸集于主河道，防止洪水對軍人住宅項目的威脅；第二種方案為排洪渠，該方案是在軍人住宅項目南邊及西北邊坡地一帶，布置一道排洪渠，排泄主河道溢出的洪水，防止洪水對軍人住宅區(qū)的威脅。

排洪渠方案存在以下缺點：1)由于排洪渠地勢低于主河道10 m～25 m，且主河道與排洪渠之間的坡地為沖洪積扇砂卵礫石地層，主河道溢出的洪水極易在坡地形成沖溝。長此以往，主河道極有可能變道于排洪渠，這非常不利于軍人住宅的安全；2)洪水期間一旦排洪渠淤塞，排洪渠將失去排洪作用，洪水將直接進入軍人住宅區(qū)；3) 排洪渠穿越大部分軍人住宅區(qū)征地，使住宅區(qū)征地使用價值大為減少。

綜上，排洪渠方案基本不可行，選擇防洪堤方案作為本項目防洪方案。

3 防洪堤結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 防洪堤斷面尺寸擬定

3.1.1 防洪堤各斷面設(shè)計水位計算

防洪堤河道范圍較小，僅1200 m，且河道較順直規(guī)則，考慮在設(shè)計洪水情況下，按恒定均勻流推求各斷面設(shè)計洪水位。

式中：Q 為洪水流量，243 m3/s；A 為過流斷面面積，m2；R 為水力半徑，m；n 為河道糙率，0.035；i 為河道坡降，0.03～0.025。

河道可近似看做矩形斷面：

式中：b 為河道寬度，23 m；h 為河道水深，m。

已知Q、n、I，可解方程求得河道水深。防洪堤各斷面設(shè)計洪位見表1。

3.1.2 堤頂高程

堤頂高程：本項目屬5 級堤防，堤頂高程=設(shè)計洪水位+安全超高+風(fēng)浪爬高。安全超高取0.5 m(不允許越浪)，沿程堤頂高程見表1。

表1 防洪堤主要參數(shù)表

3.1.3 堤頂寬度

根據(jù)堤身穩(wěn)定和防洪搶險要求，對土堤及土石混合堤，堤頂寬度不宜小于4 m，本工程取4.3 m。

3.2 防洪堤結(jié)構(gòu)形式選擇

根據(jù)現(xiàn)場查勘，工地現(xiàn)場缺少粘土及石料，但存在大量沖洪堆積的砂卵礫石，該砂卵礫石級配較差，中小顆粒含量較多，粗顆粒及細顆粒含量少，且顆粒中含有一定量片巖顆粒，巖性強度較低。

為充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，防洪堤主體結(jié)構(gòu)采用砂卵礫石填筑，考慮防滲、防沖刷及穩(wěn)定要求，堤身迎水面采用懸臂式混凝土擋墻。為防止洪水對基礎(chǔ)的淘刷，混凝土擋墻基礎(chǔ)迎水面設(shè)淺齒墻，深度0.8 m，平均厚度0.64 m，同時混凝土齒墻也可起到一定的防滲作用。為防止洪水對堤腳的淘刷，懸臂擋墻臨水面底部采用級配碎石+塊石護腳。防洪堤背水面坡腳設(shè)置棱體排水，采用級配碎石填筑，排水體與堤身之間設(shè)置土工布反濾。以防滲水帶走大量細顆粒而危及堤身安全。防洪堤結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 防洪堤典型斷面

3.3 防洪堤結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)懸臂式混凝土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

懸臂式混凝土擋墻最大高度3.27 m，擋墻迎水面坡度1∶0.1，背水面坡度1∶0.1，底板最大厚度0.6 m，最長2.7 m。底板迎水側(cè)混凝土齒墻深0.8 m，平均厚度0.64 m。

2)主體填筑物及背水面坡度擬定

防洪堤主體結(jié)構(gòu)采用砂卵礫石填筑。背水面坡度擬定1∶2.0。背水面抗滑穩(wěn)定計算采用理正邊坡穩(wěn)定設(shè)計軟件，在防洪堤的長度方向截取12 m 長(混凝土擋墻分縫長度)的截條作為計算對象，采用圓弧滑動瑞典條分法進行整體滑動驗算，計算工況見表2。

表2 背水面抗滑穩(wěn)定計算工況表

物理參數(shù)：墻后填土內(nèi)摩擦角30°；墻后填土粘聚力0.0 kPa；墻后填土容重為9.50 kN/m3。

背水面抗滑穩(wěn)定驗算結(jié)果見表3。

表3 背水面抗滑穩(wěn)定計算成果表

3)背水面排水體設(shè)置

背水面基礎(chǔ)部位設(shè)置排水棱體，高0.8 m，背水面坡度1∶1.4，臨水面坡度1∶1，采用級配碎石填筑，排水棱體與堤身及地基面之間設(shè)置土工布反濾。

4 順壩設(shè)計

考慮到先前東帝汶方面專為軍人住宅項目修建的擋水墻有過在洪水中遭淘刷倒塌的教訓(xùn)，為進一步讓洪水歸流主河道，降低洪水流速，減小對防洪堤基礎(chǔ)的淘刷，特沿防洪堤布置一定數(shù)量的順壩（順壩長約30 m，間距約60 m，與堤防夾角約17°），順壩布置見圖2。

圖2 順壩平面布置示意面

順壩的設(shè)置主要為減小洪水對堤身基礎(chǔ)的淘刷，防止河道往右岸發(fā)展，因此順壩的高度不宜超過設(shè)計洪水位，本順壩頂部高程按低于設(shè)計洪水位約0.4 m 考慮。順壩采用塊石鋼絲籠，頂部寬1.0 m，迎水面和背水面坡度均為1∶1，順壩高度1.2 m，基礎(chǔ)埋深0.6 m。

5 堤岸及順壩沖刷深度計算

5.1 順岸（壩）沖刷深度計算

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷按下式計算:

式中：h 為沖刷深度，m；VCP為平均流速，為3 m/s；V允為允許不沖流速，砂卵石河床取0.75 m/s；n 為指數(shù)，取n=1/4。

經(jīng)計算，h=0.4，最大沖刷深度0.4 m，防洪堤基礎(chǔ)埋深1.4 m，順壩基礎(chǔ)埋深0.6 m，均大于最大沖刷深度，滿足防沖刷要求。

5.2 凹岸沖刷深度計算

凹岸沖刷按下式計算:

式中：Δhp為從河底算起的局部沖深，m；a 為水流流向與岸坡交角，取90°；m 為防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)，為0；d 為坡腳處土壤計算粒徑，取6.8 cm；Vj為水流的局部沖刷流速，為3 m/s。

經(jīng)計算Δhp=0.7，凹岸最大沖刷深度0.7 m，防洪堤基礎(chǔ)埋深1.4 m，大于凹岸最大沖刷深度，滿足防沖刷要求。

6 山洪預(yù)警系統(tǒng)

為發(fā)生超標準洪水時進行應(yīng)急響應(yīng)，本著經(jīng)濟、實用、便于維護的原則，建設(shè)一套簡易山洪預(yù)警系統(tǒng)。流域上游山區(qū)居民稀少，當(dāng)?shù)赝当I情況嚴重，因此在流域內(nèi)建設(shè)水雨情監(jiān)測站不合適。僅在項目所在地建設(shè)1 個雨量監(jiān)測站，實時檢測降雨量。當(dāng)發(fā)生連續(xù)降雨，雨量超過100 mm 時即以短信方式發(fā)送至相關(guān)人員手機，以引起重視。該系統(tǒng)配置接收計算機、雨量計、短消息模塊、太陽能光板、電池等。投資少，后期運行費用低，在發(fā)生強降雨時能起到預(yù)警作用，同時為本區(qū)域積累寶貴的雨量資料。

7 結(jié)語

東帝汶軍人住宅項目防洪工程作為商務(wù)部援外項目，規(guī)模不大，堤防長度約1.2 km。但方案設(shè)計周全仔細，首先總體上對防、排兩種思路進行比較選擇，其次在進行堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮應(yīng)用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場土石材料。并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H，建設(shè)簡易山洪預(yù)警系統(tǒng)，既節(jié)省投資，又發(fā)揮預(yù)警效果。本工程運行效果良好，得到了東帝汶政府的充分肯定和感謝，可供類似工程參考。