烏裕爾河干流北安市段堤防設計綜述

王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150000)

1 工程概況

烏裕爾河是嫩江左岸一級支流，為無尾河，地理位置為E124°53′-127°23′，N46°26′-48°25′之間。烏裕爾河發(fā)源于小興安嶺西麓山區(qū)，北源稱雞爪河，南源稱轱轆滾河，南北二源于北安市境內(nèi)匯合后稱烏裕爾河，是嫩江左岸較長的內(nèi)陸河流。烏裕爾河流域呈長條形，地勢自東北傾向西南。烏裕爾河有大小支流數(shù)十條，其中較大支流為轱轆滾溝、紅旗溝、鬧龍河、折鐵河、潤津河、群勝溝、敖龍河、泰西河、寶泉河和雙陽河等，干流在下游富?？h雅州附近又分為西、南兩支，西支又稱塔哈河，向西直接匯入嫩江，南支向南經(jīng)九道溝進入扎龍濕地后河道消失，河道長598km，流域總面積23100km2，其中龍安橋以上流域面積12345km2。

北安市位于黑龍江省北部，黑河市南部，北距黑河市260km,南距哈爾濱市330km，西距齊齊哈爾市230km，地處黑龍江省北部區(qū)域中心。東與遜克、綏棱以小興安嶺嶺脊分界，西與克東、拜泉接壤，南與海倫隔通肯河相望，北與五大連池相鄰，地理坐標在E126°16′-127°53′、N47°53′-48°33′之間，總面積7194 km2。

2 工程布置

北安市規(guī)劃設計堤防5段，分別為東勝堤防、城鎮(zhèn)1號堤防、城鎮(zhèn)2號堤防、鬧龍河左岸回水堤和鬧龍河右岸回水堤。東勝堤防、鬧龍河左岸回水堤和鬧龍河右岸回水堤為現(xiàn)有堤防加高培厚，城鎮(zhèn)1號堤防和城鎮(zhèn)2號堤防為新建堤防。北安市規(guī)劃堤防總長度25.656km，其中新建10.83km，加高培厚7.18km，達標7.646km。建設工程護坡3處，長度12.93km；建設工程護岸2處，長度0.7km。

3 堤防工程設計

3.1 堤頂高程確定

依據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013)，根據(jù)風速數(shù)據(jù)，結(jié)合本次堤線，堤段位置、堤距及設計標準，分別按近30a(7-9月)最大風速資料，在與堤軸線法線方向成±45°范圍內(nèi)，其中對堤防影響最大的風向為主方向。根據(jù)吹程按混凝土護坡、雷諾護墊護坡、草皮護坡等不同護坡型式，分別計算波浪爬高、壅水高度，而后確定堤頂超高，計算結(jié)果見表1。

本次設計依據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013)中第7.3.1條規(guī)定，堤防高程按設計洪水位加堤防超高確定。

堤頂在靜水位以上的超高值按下式計算：

y=R+e+A

(1)

式中：y為堤頂超高，m；R為設計波浪爬高，m；e為設計風雍增水高度，m；A為安全加高。

1)風浪要素計算：

波浪的平均波高和平均波周期采用莆田實驗站公式計算：

(2)

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(5)

2)波浪爬高計算：

按下式計算波浪爬高值，對不允許越浪的堤防，宜取累積頻率為2%的爬高值R2%進行計算。

(6)

3)風壅水面高度計算：

(7)

式中：e為計算點處的風壅水面高度，m；K為綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；B為計算風向與壩軸線法線的夾角，°。

計算風速值采用汛期多年平均最大風速值的1.5倍，根據(jù)風速資料，結(jié)合堤線分別按不同吹程及護坡型式計算波浪爬高、壅水高度，以各堤段典型斷面為例，計算堤頂超高值見表1。

表1 堤頂高程計算表

本次設計城鎮(zhèn)1號堤防超高值為1.9m，城鎮(zhèn)2號堤防超高值為2.0m，東勝堤防超高值為1.40m，鬧龍河右岸回水堤超高值為1.3m，鬧龍河左岸回水堤超高值為1.1m。堤防設計水位及堤頂高程見表2。

表2 設計堤頂高程成果表

3.2 堤防斷面

本著節(jié)約用地原則，根據(jù)料場分布、加培土料的性質(zhì)、占地、環(huán)境影響等因素，合理確定堤防結(jié)構(gòu)斷面型式。現(xiàn)有堤防加高培厚原則為：①現(xiàn)有土堤為了充分利用現(xiàn)有堤防的穩(wěn)定性，在堤防背水側(cè)進行加高培厚；②現(xiàn)有土堤堤后有排水溝、水庫等構(gòu)造物時，在臨水側(cè)加高培厚；③砂堤段若有黏土料時，在臨水側(cè)加高培厚[1]。

本次規(guī)劃設計堤防5段，分別為東勝堤防、城鎮(zhèn)1號堤防、城鎮(zhèn)2號堤防、鬧龍河左岸回水堤和鬧龍河右岸回水堤。東勝堤防、鬧龍河左岸回水堤和鬧龍河右岸回水堤為現(xiàn)有堤防加高培厚，城鎮(zhèn)1號堤防和城鎮(zhèn)2號堤防為新建堤防。北安市規(guī)劃堤防總長度25.656km，其中新建10.83km，加高培厚7.18km，達標7.646km。

1)東勝堤防：

東勝堤防全長11.446km，全部利用原堤對未達標段在背水側(cè)進行加高培厚。堤防堤基為雙層地基和砂基，料場位于東勝段堤防0+000東北、東民村西南部，為集中料場，運距約3km-14km，料場土料巖性為低液限黏土，料場土料質(zhì)量及儲量基本滿足設計要求。堤防堤頂寬采用4.0m，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.5。

2)城鎮(zhèn)1號堤防：

城鎮(zhèn)1號堤防為規(guī)劃新建堤防，堤防長度4.734km，其建成后堤距>2.0km，滿足河道行洪斷面要求。堤防堤基為上黏性土下砂性土雙層堤基和砂性土堤基，料場位于城鎮(zhèn)1號堤防2+000北側(cè)、南山灣村東側(cè)，運距約1km，料場土料巖性為低液限黏土，料場土料質(zhì)量及儲量基本滿足設計要求。堤防堤頂寬采用8.0m，上游坡比1∶3，下游坡比1∶3。

3)城鎮(zhèn)2號堤防：

城鎮(zhèn)2號堤防為規(guī)劃新建堤防，堤防長度6.096km，其建成后堤距>2.0km，滿足河道行洪斷面要求。堤防堤基為上黏性土下砂性土雙層堤基和砂性土堤基，料場位于城鎮(zhèn)2號堤防末端，向陽村南側(cè)，為集中料場，運距約0.5km，料場土料巖性為低液限黏土，料場土料質(zhì)量及儲量基本滿足設計要求。堤防堤頂寬采用8.0m，上游坡比1∶3，下游坡比1∶3。

4)鬧龍河左岸回水堤：

鬧龍河左岸回水堤位于鬧龍河入烏裕爾河入河口處左岸，本次加培回水堤長1.28km。堤防防洪標準為10a一遇，堤防級別為5級。堤防堤頂寬采用4.0m，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.5。

5)鬧龍河右岸回水堤：

鬧龍河右岸回水堤位于鬧龍河入烏裕爾河入河口處右岸，本次加培回水堤長2.1km。堤防防洪標準為50a一遇，堤防級別為2級。堤防堤頂寬采用8.0m，上游坡比1∶3，下游坡比1∶3。

3.3 土料設計

1)筑堤土料及控制標準：

烏裕爾河治理工程現(xiàn)有堤防為土堤，本次設計填筑土料為低液限黏土。筑堤料場為集中料場，料場實驗指標見地質(zhì)報告。土料采用低液限黏土，黏粒含量宜為15%-30%，塑性指數(shù)宜為10-20，且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜物；填筑土料含水率與最優(yōu)含水率的允許偏差為±3%。按料場地質(zhì)勘察成果，土料基本能夠滿足設計要求[2]。

本工程堤防級別為2級和5級，根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013)規(guī)定，對于2級堤防，黏性土土堤的填筑標準為壓實度≥0.93；對于3級以下及低于6m的3級堤防，黏性土土堤的填筑標準為壓實度≥0.91。

設計干密度根據(jù)以下公式確定：

γd=m·γmax

(8)

式中∶γd為填筑壓實干密度；γmax為料場土最大干密度(由土工試驗確定)；m為壓實度，2級堤防取0.93，5級堤防取0.91。

2)蓋重及壓滲土料選擇及填筑標準

蓋重及壓滲土料選砂性土料，壓實后的相對密度要求≥0.60。

各段堤防填筑壓實干密度見表3。

表3 填筑壓實干密度

3.4 護坡工程設計

1)護坡設計原則：①城市堤段采用生態(tài)護坡；②迎風頂流，沖刷嚴重堤段采用工程護坡；③險工段采用工程護坡；④砂堤段采用工程護坡；⑤其他堤段采用草皮護坡。

2)護坡段范圍的確定：

依據(jù)上述原則，本次設計堤防工程護坡3處，長度12.93km。護坡范圍統(tǒng)計情況見表4。

表4 護坡情況統(tǒng)計表

3)護坡型式：

本著就地取材，經(jīng)濟合理，施工方便，能夠保證施工質(zhì)量并盡量降低工程造價及結(jié)合城市景觀的原則，初步擬定混凝土板、干砌石、雷諾護墊植草三種護坡型式進行方案比較?；炷涟遄o坡厚15cm，下設礫石墊層10cm，其下鋪無紡布一層。干砌石護坡厚30cm，下設礫石墊層10cm，其下鋪無紡布一層。雷諾護墊厚30cm，下設礫石墊層10cm，其下鋪無紡布一層。

比較結(jié)果見表5。

表5 護坡方案比較表

4)護坡型式比較結(jié)論：

預制混凝土板護坡具有外形美觀、施工便捷、整體性好等優(yōu)點，對冰推有一定適應能力，護坡板不易破壞，但造價比干砌石略高。

干砌石護坡屬于散體結(jié)構(gòu)，適應變形能力較強，與混凝土板護坡相比造價較低。但是干砌石護坡要求石料比較堅硬并耐風化，實踐證明在東北地區(qū)由于凍脹、冰推力和風浪的作用，干砌石護坡常遭到嚴重破壞。

雷諾護墊護坡施工方便，做護坡可有效防止石頭垮塌，增加結(jié)構(gòu)的抗沖刷能力，坡上植綠可增添景觀、綠化效果。缺點是與干砌石、混凝土板護坡相比造價較高。

結(jié)合城市景觀需求，本次設計采用雷諾護墊護坡，雷諾護墊上植草綠化。

5)雷諾護墊厚度計算：

石籠護坡厚度計算一般是根據(jù)波浪、水流沖擊下的穩(wěn)定性確定，根據(jù)《堤防工程手冊》中推薦的皮拉斯克(Pilarczyk，1990)公式計算：

(9)

計算結(jié)果雷諾護墊厚度δ=0.11m。

根據(jù)本地區(qū)以往類似工程經(jīng)驗結(jié)合本次計算，本次設計取雷諾護墊厚度厚度為0.3m。

6)結(jié)構(gòu)型式：

雷諾護墊厚度30cm，下設砂礫石墊層10cm及400g/m2無紡布一層。固腳采用格賓石籠固腳，矩形斷面，寬0.6m，高1.0m。雷諾護墊上部鋪設10cm腐殖土，播撒草籽綠化。

4 結(jié) 語

目前該項目尚未實施完成，待項目按照設計實施完成后將大大提高烏裕爾河堤防建設標準，加固工程存在的很多薄弱段，對現(xiàn)有防洪工程進行合理布局，完善防洪體系，達到規(guī)劃標準。