白楊河河道治理工程堤防設(shè)計(jì)分析

姚治國(guó)

（新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

河道治理是現(xiàn)代水利工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物科學(xué)、生態(tài)學(xué)、城市規(guī)劃學(xué)、園林學(xué)、美學(xué)等多學(xué)科一體的、系統(tǒng)的水利工程[1]。受歷史洪災(zāi)影響，白楊河兩岸生產(chǎn)及生活設(shè)施嚴(yán)重?fù)p毀；同時(shí)部分采砂企業(yè)濫采亂挖侵占河道，嚴(yán)重影響行洪。針對(duì)河道現(xiàn)狀及防護(hù)對(duì)象，制定科學(xué)合理的防洪整治方案，科學(xué)布置堤線，避免河道側(cè)向侵蝕和洪水漫溢，穩(wěn)定河河床提高河道行洪能力十分迫切。穩(wěn)定河床，提高河道行洪能力已十分迫切。

1 河道現(xiàn)狀及治理方案

白楊河水系發(fā)源于天山東段的博格達(dá)大頂山北坡，源頭無(wú)終年冰川積雪，河水以季節(jié)性積雪、降水和基巖裂隙水補(bǔ)給為主。白楊河支流皆源于中山區(qū)、低山區(qū)，呈樹(shù)枝狀分布，最后在低山丘陵帶匯合后進(jìn)入白楊河水庫(kù)，流域最高點(diǎn)海撥高程3230 m，白楊河水庫(kù)海拔高程1740 m，水庫(kù)壩址以上河長(zhǎng)為21.2 km，白楊河水庫(kù)壩址以上流域面積為140.1 km2。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1980 年～2007 年白楊河發(fā)生洪災(zāi)7 次，平均近4 年一次，流域水系見(jiàn)圖1。

河道為下切式河床，河床穩(wěn)定，近30 年無(wú)明顯沖淤變化。白楊河擬治理河段河岸高度0.6 m左右，河床寬度50 m～170 m，汛期洪水易向兩岸漫溢造成淹沒(méi)損失，兩岸均為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象?？傮w治理方案為對(duì)左右兩岸總長(zhǎng)7.334 km河段進(jìn)行防護(hù)，部分河段設(shè)置丁壩，疏浚河道。

圖1 白楊河流域水系圖

2 堤防工程設(shè)計(jì)

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)及建筑物級(jí)別

白楊河擬治理河段防護(hù)等級(jí)Ⅳ等，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期）為10年～20 年，結(jié)合上級(jí)政府清潔水系要求，防洪標(biāo)準(zhǔn)取下限為10 年，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)取上限為20 年，防洪建筑物工程級(jí)別為5 級(jí)。

2.2 堤防斷面形式

選用護(hù)坡式結(jié)構(gòu)和墻式結(jié)構(gòu)兩種類型堤防斷面進(jìn)行綜合比選。

2.2.1 護(hù)坡式結(jié)構(gòu)方案（方案一）

堤頂寬度4 m，堤高2.0 m，護(hù)岸基礎(chǔ)埋深3.5 m，迎水面邊坡1∶1.5，背水面邊坡1∶1.5，基礎(chǔ)開(kāi)挖邊坡1∶1.25。堤身采用河床圓礫混合土填筑。在護(hù)砌板基礎(chǔ)設(shè)C20F200W6混凝土阻滑座，座頂寬0.5 m，底寬0.6 m，高0.3 m，見(jiàn)圖2。

圖2 護(hù)坡式結(jié)構(gòu)斷面示意圖

2.2.2 墻式結(jié)構(gòu)方案（方案二）

堤頂寬4 m，堤高2.0 m，墻體基礎(chǔ)埋深3.5 m，前后邊坡1∶1.5，基礎(chǔ)開(kāi)挖邊坡1∶1.25，墻頂寬度0.4 m，底部寬度2.4 m。與墻體銜接基礎(chǔ)埋深2.0 m，采用邊坡1∶1.5的砼護(hù)坡。堤身采用河床圓礫混合土填筑，見(jiàn)圖3。

圖3 墻式結(jié)構(gòu)斷面示意圖

2.2.3 方案比選

堤防斷面結(jié)構(gòu)型式比選結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)表1 可知，方案一在投資、施工強(qiáng)度、運(yùn)行管理和日常維護(hù)等方面均具有優(yōu)勢(shì)。綜合對(duì)比兩種斷面形式，白楊河設(shè)計(jì)推薦方案一，即護(hù)坡式堤防斷面結(jié)構(gòu)。

表1 堤防斷面結(jié)構(gòu)型式比選表

2.3 本工程堤防設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

2.3.1 堤防凹岸環(huán)流超高計(jì)算

由于本次設(shè)計(jì)治導(dǎo)線基本沿原河道布置，在進(jìn)行堤高取值時(shí)還需考慮彎道凹岸的環(huán)流超高，其增加值可按式（1）計(jì)算。

式中：為彎道凹岸頂部超高增加值，m；Bb為水面寬度，m；Vb為平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；R為彎道段中心線的曲率半徑，m。

堤防彎道段凹岸頂部超高計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 凹岸環(huán)流超高計(jì)算

2.3.2 基礎(chǔ)沖刷深度計(jì)算

本工程護(hù)坡沖刷深度選用水流順沖的沖刷計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 平順?biāo)鳑_刷深度計(jì)算表

由表3 計(jì)算得出水流平行于岸坡時(shí)產(chǎn)生的沖刷深度為0.32 m～0.63 m，考慮最不利情況，同時(shí)參考本區(qū)其他類似工程，本工程堤防基礎(chǔ)埋深在河道中心樁號(hào)18+611～20+830段取3.0 m，在河道中心樁號(hào)16+871 ～18+611段取3.5 m。

2.4 堤防工程設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4.1 堤頂寬度

堤頂寬度根據(jù)防汛、管理、施工、構(gòu)造及其它要求確定，3 級(jí)以下堤防頂寬不宜小于3 m。同時(shí)考慮防汛搶險(xiǎn)時(shí)交通運(yùn)輸和臨時(shí)存放防汛物資要求、場(chǎng)地寬松情況，被保護(hù)區(qū)的重要程度、堤防與岸坡的關(guān)系，本工程堤頂寬取4 m。

2.4.2 護(hù)岸邊坡

堤身迎水面為以現(xiàn)澆混凝土板為襯砌，設(shè)計(jì)邊坡采用1∶1.5；堤身為土石料，背水面邊坡采用1∶1.5，經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算和參考本地區(qū)已建類似工程經(jīng)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)邊坡是安全合理的。

2.4.3 護(hù)岸襯砌

設(shè)計(jì)護(hù)岸堤高2.0 m，基礎(chǔ)埋深3.5 m，迎水面邊坡1∶1.5，背水面邊坡1∶1.5，基坑開(kāi)挖邊坡1∶1.25，堤頂寬度4 m。護(hù)岸采用C20 F200 W6 現(xiàn)澆砼板護(hù)砌，設(shè)計(jì)岸坡上部2.5 m護(hù)砌板厚15 cm，設(shè)計(jì)岸坡下部護(hù)砌板厚20 cm。護(hù)砌板下鋪設(shè)3 cm厚M 10水泥砂漿，砂漿下鋪設(shè)50 cm厚圓礫混合土墊層。砼板分縫間距2.5 m×3.0 m，縫寬2 cm，采用聚氨酯砂漿和高壓閉孔板填縫。護(hù)岸頂部設(shè)置寬度30 cm，厚度8 cm的現(xiàn)澆C20 F200 砼壓頂板，壓頂板每隔1.5 m設(shè)一伸縮縫，縫寬2 cm，采用M10 水泥砂漿勾縫。

為增強(qiáng)襯砌混凝土板的抗滑穩(wěn)定性，在護(hù)砌板基礎(chǔ)設(shè)C20 F200 W6 混凝土阻滑座，座頂寬0.5 m，底寬0.6 m，高0.3 m。阻滑座每隔3.0 m設(shè)置一道伸縮縫，縫寬2.0 cm，采用聚氨酯砂漿和高壓閉孔板填縫。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，項(xiàng)目區(qū)地下水對(duì)混凝土具有腐蝕性，護(hù)砌板和阻滑座采用粉煤灰硅酸鹽水泥，壓頂板采用普通硅酸鹽水泥。

2.4.4 混凝土隔墻

為增強(qiáng)襯砌板的抗沖刷和穩(wěn)定性，護(hù)砌板每間隔60 m設(shè)置現(xiàn)澆C20 F200 W6 砼橫隔墻一道，采用粉煤灰硅酸鹽水泥。隔墻沿坡面布置，寬30 cm，深50 cm，采用聚氨酯砂漿和高壓閉孔板填縫。

2.4.5 堤身材料

堤身填筑料可利用基礎(chǔ)開(kāi)挖的河床圓礫混合土，儲(chǔ)量豐富，圓礫混合土中＜0.075 mm的顆粒含量為0.5%～2.7%，為非凍脹性土，質(zhì)量數(shù)量均滿足施工用料的需求。填筑碾壓指標(biāo)：依據(jù)規(guī)范低于6 m的3 級(jí)及3 級(jí)以下堤防，砂礫石相對(duì)密度≥0.75。

2.5 滲流及邊坡穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)防洪治理河段全線堤防進(jìn)行滲流計(jì)算，依據(jù)工程性質(zhì)按不透水堤基均質(zhì)土堤進(jìn)行穩(wěn)定滲流計(jì)算。計(jì)算可知，壩身和堤基實(shí)際滲透比降小于筑堤土料發(fā)生破壞的允許比降，因此滲流作用下堤防是穩(wěn)定的。

土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算可分為正常情況和非常情況。具體工況見(jiàn)表4。

表4 土堤穩(wěn)定計(jì)算工況表

采用理正計(jì)算軟件計(jì)算分析，計(jì)算方法見(jiàn)式（2）：

計(jì)算參數(shù)：堤高2 m，堤頂寬4 m，臨水面坡度1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，設(shè)計(jì)洪水水深0.84 m。堤身粘聚力C=12.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=27.5°，容重γ=20 kN/m3；基礎(chǔ)粘聚力C=0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=37°，容重γ=21.5 kN/m3；地震烈度為Ⅶ度。

堤防安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果表5。

表5 堤防安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

由表5可知，堤防斷面尺寸滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3 結(jié)語(yǔ)

河道治理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，流域局部河段治理不善，將直接導(dǎo)致全河段的安全和環(huán)境問(wèn)題。采取系列工程措施防治河床穩(wěn)定和行洪安全依然是目前的主流手段。堤防工程設(shè)計(jì)方案日臻成熟，但是特定區(qū)域特定環(huán)境的設(shè)計(jì)依然存在許多風(fēng)險(xiǎn)要素和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。河道治理中堤防設(shè)計(jì)方案的選用是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，不同的堤防型式、不同的護(hù)坡材料產(chǎn)生出迥異效果。因此應(yīng)結(jié)合河流特性、河道演變情況，治理段所處的地形地質(zhì)條件，綜合考量流域規(guī)劃，按照經(jīng)濟(jì)實(shí)用、工程與河道生態(tài)及周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的原則完成防洪度汛工程的建設(shè)任務(wù)。