大凌河干流原點(diǎn)河道治理工程堤防設(shè)計(jì)方案分析

劉英超

（遼寧省喀左縣水利局，遼寧 喀左122300）

1 流域概況

大凌河是東北沿渤海西部諸河中較大的一條獨(dú)流入海河流，干流全長435km，上游分西南兩支，西支（亦稱大凌河西支）發(fā)源于河北省平泉縣鄭杖子鄉(xiāng)南塔子山余脈，南支發(fā)源于遼寧省建昌縣水泉溝，西、南兩支于遼寧省喀左縣城附近匯合，流經(jīng)朝陽市、錦州市入海。

大凌河干流流域內(nèi)多為山區(qū)和丘陵地帶，地貌形態(tài)為一級階地，以河床為中心，向外過渡到一級階地，再向外擴(kuò)展為坡積洪積扇，進(jìn)而過渡到丘陵地帶，坡度平緩。流域內(nèi)林草覆蓋度底，項(xiàng)目區(qū)所在地為國家級水土保持綜合治理區(qū)。多年平均降水量495.2mm，降雨量時(shí)空分布不均，多集中在7、8兩個(gè)月，約占年總降水量的70%左右。多年平均徑流深102.4mm。

充分考慮工程所在地自然情況、社會經(jīng)濟(jì)情況、保護(hù)范圍綜合考慮確定大凌河干流河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防工程的級別為Ⅳ級?？ψ罂h大凌河干流原點(diǎn)河道堤防防洪工程位于喀左縣南哨鎮(zhèn)南窯村，大凌河南支與大凌河西支交匯處，工程主要由防洪堤、堤頂?shù)缆返炔糠纸ㄖ锝M成，筑堤長8670m。

2 水面線推算

工程確定起點(diǎn)水位為東哨發(fā)電站漫水橋。1993年1月，遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)院編制的《大凌河流域規(guī)劃補(bǔ)充報(bào)告》，根據(jù)該規(guī)劃報(bào)告其水文資料分析，采用喀左縣大凌河干流吉利玍大橋總流量4059m3/s（P=5%），大凌河南支總流量2677m3/s（P=5%），根據(jù)現(xiàn)場地形測量數(shù)據(jù)，采用天然水面線計(jì)算軟件V3.111計(jì)算得到大凌河干流吉利玍大橋起點(diǎn)水位283.950m。

大凌河干流的糙率選擇根據(jù)實(shí)際河道查勘、河道特性及河床質(zhì)組成，參考水力手冊的糙率表確定取0.027。

大凌河干流設(shè)計(jì)水面線計(jì)算采用天然水面線計(jì)算軟件V3.111，其中橋壅水計(jì)算采用鮑式公式，一般斷面間用能量方程式推算。根據(jù)上述已知條件及所確定的有關(guān)參數(shù)，河道P=5%水面線成果如表1。

表1 大凌河干流水面線計(jì)算成果

3 堤型選擇

大凌河干流原點(diǎn)河道治理工程堤防主體采用外運(yùn)黏土土料填筑。工程技術(shù)重點(diǎn)是堤防迎水坡及岸坎的防護(hù)。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣象水文特點(diǎn)，在確保安全同時(shí)充分考慮生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水土保持等因素，對平順段、急變段分別選擇符合實(shí)際情況的護(hù)岸型式［1］。

迎水坡采用客土改良植草護(hù)坡。本工程設(shè)計(jì)洪水流速2.38m/s，綜合考慮植草護(hù)坡抗沖涮能力差等特點(diǎn)，確定迎水坡設(shè)計(jì)水位以下采用框格植草護(hù)坡?；炷量蚋駥⒄麄€(gè)坡面分割成小塊坡面，減小了流水匯集并使流速降低，有效降低了坡面水流沖刷。

急變段護(hù)坡多采用混凝土護(hù)坡，混凝土護(hù)坡易出現(xiàn)裂縫且不符合生態(tài)保護(hù)和景觀要求。綜合分析本工程護(hù)岸對于坡面整體性、耐久性，能與生態(tài)整治相結(jié)合［2］等要求，采用框格干砌石方案。

綜合確定平順段采用框格植草護(hù)坡，易崩岸段采用框格干砌石護(hù)坡。

4 工程總體布置

4.1 防洪堤

堤線根據(jù)堤線布置規(guī)劃方案，主要以現(xiàn)有岸線為主進(jìn)行治理工程布置。具體布置時(shí)尚遵循下列原則：

（1）河堤堤與河道流向一致，與洪水的流線保持平行布置。

（2）堤防線要平順，各段堤防連接平緩，避免出現(xiàn)折線和急彎［3］。

（3）合理利用原堤防和河坎等建筑物及地形，新堤防建在滲透系數(shù)小、基礎(chǔ)穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上。

（4）堤線布置及堤距根據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，及各設(shè)計(jì)階段的審查、評估及批復(fù)意見等進(jìn)行了綜合考慮，堤線布置采用規(guī)劃報(bào)告中成果，大凌河干流堤防堤距450m。

（5）堤線布置少占壓耕地，利于防汛搶險(xiǎn)和工程管理。

4.2 迎水坡

在河道轉(zhuǎn)彎段及大凌河干流右岸的重點(diǎn)防沖段設(shè)計(jì)水位以下坡面采用30cm厚混凝土框格，框格內(nèi)采用干砌石填充，下設(shè)20cm砂墊層及400g/m2土工布反濾。設(shè)計(jì)水位以上采用回填種植土，植草護(hù)坡。其余各順直段迎水坡在設(shè)計(jì)水位以下，采用30cm厚混凝土框格，框格內(nèi)回填種植土，植草防護(hù)。設(shè)計(jì)水位以上，采用回填30cm種植土，植草護(hù)坡。堤防采用二級護(hù)坡斷面形式，迎水坡設(shè)有親水平臺4.0m寬，鋪設(shè)15cm C20素混凝土板，10cmC10混凝土墊層，30 cm回填砂礫料，親水側(cè)布置理石欄桿。

迎水坡坡度均為1∶2.5，背水坡坡度為1∶20。 護(hù)腳型式為石籠護(hù)腳與漿砌石護(hù)腳相結(jié)合。護(hù)坡底腳采用漿砌石齒墻，基底埋深1.2m。

大凌河干流吉利玍大橋上游新建原點(diǎn)橡膠壩，考慮橡膠壩正常運(yùn)行時(shí)水下草皮護(hù)坡難以成活，塌壩泄洪時(shí)對正常運(yùn)行水位以下坡面容易造成沖刷，對橡膠壩正常運(yùn)行期水位以下迎水坡坡面進(jìn)行加固處理。原點(diǎn)橡膠壩正常運(yùn)行時(shí)水位高度1.5m，原點(diǎn)橡膠壩壩底高程280.1m，綜合考慮確定迎水坡坡面282m以下采用框格干砌石護(hù)坡。

5 工程設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 堤頂高程

本工程等級為4級，依據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，堤頂超高等于安全加高加風(fēng)浪爬高加風(fēng)壅增水高度［4］。4級堤防安全加高采用0.6m。

經(jīng)計(jì)算，大凌河干流堤防安全加高0.60m，風(fēng)浪爬高0.793m，設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度0.0067m，本工程堤防超高1.39m，為與原有堤防連接，安全超高值取1.4m。

5.2 護(hù)腳沖刷深度

經(jīng)計(jì)算，沖刷深度為1.1m。水流平行于岸坡沖刷深度計(jì)算成果如表2。根據(jù)本工程護(hù)腳沖深的計(jì)算結(jié)果及水文特性因素，結(jié)合堤防基礎(chǔ)特性，本工程采用漿砌石護(hù)腳。

表2 水流平行于岸坡沖刷深度計(jì)算

5.3 護(hù)坡厚度計(jì)算

本工程的迎水坡面采用框格混凝土內(nèi)砌干砌石，混凝土強(qiáng)度為C20、F150，框格內(nèi)填充30cm厚干砌石。

混凝土框格內(nèi)砌干砌石整體性好，并有一定的適應(yīng)變形的能力，為安全起見，其厚度按干砌石厚度計(jì)算，采用GB5028—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算干砌石護(hù)面厚度0.11m，根據(jù)施工條件及構(gòu)造上的需要，厚度一般為15～30cm，結(jié)合多年觀測資料和已有堤防防護(hù)數(shù)據(jù)，干砌石護(hù)坡厚度確定為30cm。

5.4 堤防滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算

依據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告描述，堤身及堤基土體粉土②層、粗砂③層的滲透變形為流土型。堤基圓礫，其滲透變形類型為管涌型。

本工程堤段較多利用原有、堤防、河坎，背水坡基礎(chǔ)面較高，堤防背水坡填筑量不大。0+500斷面為最不利斷面，顧選取此斷面作為典型斷面進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析，計(jì)算參數(shù)均采用《大凌河干流原點(diǎn)河道治理工程地勘勘察報(bào)告》中的建議值。

5.4.1 計(jì)算工況

根據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對滲流計(jì)算的規(guī)定及闡述，本次設(shè)計(jì)選取如下計(jì)算工況：

（1）臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水，背水側(cè)無水。

（2）洪水降落時(shí)（及橡膠壩塌壩運(yùn)行時(shí)）對臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定最不利工況。根據(jù)計(jì)算，k/μV=58.5，大于1/10小于60，按緩降過程計(jì)算浸潤線下降的位置。

5.4.2 計(jì)算方法及結(jié)論

計(jì)算采用理正軟件，對典型斷面分別計(jì)算堤防背水側(cè)滲出段、地基段及臨水側(cè)堤坡的滲流坡降，通過與允許的滲流比降相比較判定滲透的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，第1種工況背水側(cè)坡面、地基滲出部位及第2種工況的迎水坡坡面滲出部位的滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.5 堤身抗滑穩(wěn)定計(jì)算

5.5.1 計(jì)算參數(shù)選擇

本工程計(jì)算參數(shù)采用 《大凌河干流原點(diǎn)河道治理工程地勘勘察報(bào)告》中的建議值，其中堤身采用壓實(shí)后黏土數(shù)據(jù)，堤基采用地勘勘察現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算過程參照工程滲流計(jì)算所取得的成果。

表4 穩(wěn)定計(jì)算采用土料的物理力學(xué)指標(biāo)

5.5.2 計(jì)算工況與允許安全系數(shù)

根據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對穩(wěn)定計(jì)算控制時(shí)期和運(yùn)行條件的規(guī)定，本地區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，項(xiàng)目區(qū)多年平均水位相對較低，只進(jìn)行正常情況下穩(wěn)定分析，未進(jìn)行特殊情況穩(wěn)定分析計(jì)算，計(jì)算工況選取正常情況下的穩(wěn)定計(jì)算：

（1）設(shè)計(jì)洪水位情況下穩(wěn)定滲流期的背水坡。

（2）設(shè)計(jì)洪水驟降期的迎水坡。

本工程為Ⅳ級堤防，根據(jù)簡化畢肖普法可知，正常運(yùn)用條件下安全允許系數(shù)為1.15。

5.5.3 計(jì)算方法及計(jì)算程序

堤坡安全系數(shù)計(jì)算公式，穩(wěn)定分析計(jì)算選取斷面與滲流計(jì)算選取斷面為同一典型斷面。計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 堤坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果可知，堤防在兩種正常工況下堤坡安全系數(shù)均大于抗滑穩(wěn)定允許安全系數(shù)1.15，符合規(guī)范抗滑穩(wěn)定要求，工程斷面坡比設(shè)計(jì)合理、安全。

6 結(jié)語

大凌河干流原點(diǎn)河道堤防防洪工程工程任務(wù)為在大凌河南支與大凌河西支交匯處修建防洪堤，總長度8670m。經(jīng)綜合比選平順段迎水坡采用客土改良植草護(hù)坡，易崩段迎水坡采用框格干砌石岸護(hù)，筑堤材料為黏土，護(hù)腳采用漿砌石基礎(chǔ)。通過對堤型結(jié)構(gòu)、堤頂高程、堤腳沖刷深度、護(hù)坡厚度計(jì)算、滲流穩(wěn)定計(jì)算、堤身抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，分析并選擇經(jīng)濟(jì)適用、成熟可靠、生態(tài)效果良好的設(shè)計(jì)方案，確保工程滿足實(shí)際防洪需求。