新疆葉爾羌河蘇蓋提吐乎防洪工程設(shè)計(jì)研究

麥麥提明·依比布拉

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

1 概 述

洪水是一項(xiàng)自然災(zāi)害，會對沿岸居民的正常生產(chǎn)生活產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1-2]。針對這種情況下，則需要建設(shè)相關(guān)的工程措施，以降低洪水對沿線居民正常生活的影響[3-4]。同時(shí)，整治完成的河道也可以改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境，發(fā)揮其防洪、排澇作用，促進(jìn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益[5-6]。進(jìn)行河道治理前，需要分析河道的洪水特征，確定設(shè)計(jì)洪水參數(shù)，以便于準(zhǔn)確確定防洪工程規(guī)模，采用科學(xué)、合理的手段完成河道防洪工程建設(shè)[7-8]。目前，在河道防洪中，通常采用堤防治理[9-10]。結(jié)合葉爾羌河蘇蓋提吐乎段防洪工程，分析葉爾羌河的洪水特征以及防洪工程設(shè)計(jì)洪水參數(shù)，為堤防工程設(shè)計(jì)提供基本參數(shù)。

2 工程概況

蘇蓋提吐乎位于新疆喀什地區(qū)葉爾羌河西岸。防洪工程所處地段河道縱坡1/250，為砂卵石河床，河寬2.0～3.0 km，兩岸絕大部分為耕地。河道坡度大、流速大，對兩岸沖刷嚴(yán)重，屬于游蕩性河床。蘇蓋提吐乎防洪工程現(xiàn)狀有順壩2 600 m，丁壩12條。順壩多采用梢木卵石壓壩，丁壩采用鉛絲石籠護(hù)壩。工程標(biāo)準(zhǔn)低，使用周期短，抗洪能力差。

3 葉爾羌河洪水特征及設(shè)計(jì)洪水確定

3.1 洪水特征

葉爾羌河洪水可分為冰雪消融型、冰川潰壩型、暴雨型、混合型洪水4種類型。葉爾羌河發(fā)源于喀喇昆侖山口，是全球冰川最為發(fā)育的山脈。葉爾羌河流域內(nèi)冰川、冬季積雪十分發(fā)育。每當(dāng)氣溫上升，造成冰川、積雪融化，則形成冰雪消融型洪水。同時(shí)，在葉爾羌河上游有較多冰川攔截形成堰塞湖，氣溫上升，冰川消融形成冰川潰壩型洪水。在雨季，強(qiáng)降雨會在葉爾羌河形成暴雨型洪水?；旌闲秃樗缮鲜?種類型中的兩種或3種洪水同時(shí)發(fā)生，形成的洪水。

1973年7月發(fā)生的消融型洪水較為典型，主要特征表現(xiàn)為：洪水上漲慢，表現(xiàn)為復(fù)式洪水峰型，對溫度變化較為敏感。1984年潰壩型洪水較為典型，主要特征表現(xiàn)為：洪水來勢洶涌、破壞性極強(qiáng)，為單一洪峰，多發(fā)育于溫度較高的氣候條件，在寒季也偶有發(fā)生。1987年7月，發(fā)育了較為典型的暴雨型洪水，主要特征表現(xiàn)為：單一洪峰，洪水上漲、回落速度快，洪水總歷時(shí)較短。1971年8月發(fā)育了一次較大規(guī)模的混合型洪水，為消融型+潰壩型洪水，小規(guī)模的混合型洪水，在運(yùn)移過程中迅速坦化，分辨難度極大；混合型洪水特征主要由其組成的洪水類型決定。

3.2 設(shè)計(jì)洪水確定

此次蘇蓋提吐乎段治理工程場址無實(shí)測的水文資料。使用喀群站和依干其渡口站作為參證站，根據(jù)兩個(gè)參證站之間洪水流量變化規(guī)律以及參證站的設(shè)計(jì)洪峰流量作為控制依據(jù)，采用線性插值方法，推求擬建場地內(nèi)的設(shè)計(jì)洪峰流量。按照下式計(jì)算：

(1)

式中：Qp為計(jì)算斷面設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；Qsp為上游參證站設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；Qxp為下游參證站設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；L為上游與工程場址斷面間距，為26 km；Lsx為上游參證站與下游參證站間距，為70 km。

喀群站和依干其渡口的設(shè)計(jì)洪峰流量見表1、表2。根據(jù)參證站設(shè)計(jì)洪峰流量，利用式(1)計(jì)算得到治理段設(shè)計(jì)洪峰流量和洪水位，見表3、表4。

表1 喀群站洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪峰流量

表2 依干其渡口站洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪峰流量

表3 工程場址洪峰流量設(shè)計(jì)洪水成果

續(xù)表3

表4 葉爾羌河蘇蓋提吐乎防洪工程設(shè)計(jì)洪水位

4 防洪工程設(shè)計(jì)

4.1 堤型選擇

按照堤型可將堤防分為直立型和斜坡型兩種。斜坡型斷面一般采用梯形斷面，使用漿砌塊石或者混凝土直接進(jìn)行砌筑、澆筑，這種類型的斷面具備施工難度低、結(jié)構(gòu)簡單、堤防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高等特點(diǎn)，適宜性強(qiáng)，材料獲取難度，易于修復(fù)，但占地面積較大、材料耗費(fèi)較大。直立型堤防外側(cè)一般為直立，與斜坡型相比具有占地面積小、節(jié)約材料等優(yōu)勢，河道水深越大，越節(jié)省材料，但工程施工要求多，對于不均勻沉降適宜性較差。

蘇蓋提吐乎段在洪水暴發(fā)后，將會攜帶體積較大的塊石、泥沙等，對堤防結(jié)構(gòu)具有極大的沖擊破壞力，直立型堤防在這種情況下，將要承受巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，工程區(qū)內(nèi)地基土承載力較差，可能出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，直立型堤防在該工程適用性較差。場地內(nèi)，河道兩岸主要為耕地，物料豐富，推薦采用斜坡型堤防。

4.2 堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 穩(wěn)定河寬確定

確定河道的穩(wěn)定河寬，可以減少河水對堤防的沖刷作用，保證防洪工程的安全性。穩(wěn)定河寬采用下式計(jì)算：

By=AQ0.5/J0.2

(2)

式中：By為穩(wěn)定河寬，m；Q為造床流量，m3/s；J為河床比降；A為系數(shù)，取A=4.0。

計(jì)算過程及結(jié)果見表5。經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定河寬為858 m，小于葉爾羌河防洪規(guī)劃中的1.0 km河寬，因此取設(shè)計(jì)河寬為1.0 km。

表5 穩(wěn)定河寬計(jì)算

4.2.2 堤頂超高計(jì)算

堤頂超高按下式計(jì)算：

Y=R+e+A

(3)

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，取0.5 m。

各段安全超高計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 安全超高計(jì)算

4.2.3 斷面方案比選

目前，有3種方案在葉爾羌河治理工程中使用較多，分別為全斷面漿砌石堤防、漿砌石+混凝土面板、全斷面漿砌石+現(xiàn)澆混凝土。3種方案對比見表7。從表7中可知，采用全斷面漿砌石+現(xiàn)澆混凝土方案具有工程投資低、水利條件好、抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此采用該方案作為堤防斷面，典型堤防斷面見圖1。

表7 堤防結(jié)構(gòu)方案比選

圖1 堤防斷面

4.3 堤防穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.3.1 抗沖刷設(shè)計(jì)

河道河床比降相對較大，洪水來臨時(shí)，水流流速較大，采用下式計(jì)算河道抗沖粒徑d：

(4)

式中:C為塊石穩(wěn)定系數(shù)；γs、γ分別為水和塊石的容重；g為重力加速度。

粒徑大于0.32 m時(shí)即可滿足防沖要求，塊石粒徑相對較小，在施工過程中難度不大。

4.3.2 抗滑、抗傾覆設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，抗滑安全系數(shù)kc和抗傾覆安全系數(shù)km可以采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

(6)

式中：f為基底和基礎(chǔ)摩擦系數(shù)；∑W、∑P分別為計(jì)算單元處豎向力之和和水平力之和；∑MV，∑MH分別為抗傾力矩和抗覆力矩。

通過計(jì)算，各個(gè)斷面處的安全系數(shù)結(jié)果見表8。

表8 抗滑、抗傾覆安全系數(shù)

通過3個(gè)斷面的計(jì)算，使用全斷面漿砌石+現(xiàn)澆混凝土作為堤防時(shí)，抗滑、抗傾覆安全系數(shù)均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

葉爾羌河是新疆地區(qū)極為重要的一條內(nèi)陸河流，通過分析，葉爾羌河主要發(fā)育消融型、潰壩型、暴雨型、混合型4種類型的洪水，使用喀群站和依干其渡口站作為工程場地洪水計(jì)算的參證站，利用線性插值的方法確定了防洪段設(shè)計(jì)洪水位和流量。采用斜坡型堤防具備施工簡便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，在蘇蓋提吐乎段防洪治理工程中適用性較強(qiáng)，采用全斷面漿砌石+現(xiàn)澆混凝土堤防結(jié)構(gòu)具有投資低、施工簡便等優(yōu)勢，通過驗(yàn)算，滿足抗沖刷和穩(wěn)定性要求。