某防洪治理工程沖刷深度及堤身滲流計算分析

漆輝駿 劉阿隆

(四川大學工程設計研究院有限公司，四川 成都 610044)

1 工程背景

根據(jù)我國最新出臺的“十四五”水利規(guī)劃，我國需要大量開展河道的防洪治理工程建設，顯著提高河流防洪能力水平，從而達到減少山洪災害威脅的目的[1-3]。某流域?qū)僦衼啛釒貪櫦撅L氣候區(qū)，暴雨發(fā)生次數(shù)較多，暴雨歷時長、強度大。洪水過程線以單峰為主，復峰較少，受區(qū)域年際氣候變化，洪水年際變化較大。該河道流域夏秋多雨，暴雨集中，每年都有不同程度的洪澇災害，每到汛期，交通因暴雨洪水而中斷,基礎設施、工礦企業(yè)、居民點等不同程度受損。頻繁發(fā)生的洪澇災害直接制約著當?shù)亟?jīng)濟和社會的發(fā)展，如何合理提升當?shù)胤罏臏p災水平顯得尤為重要。鑒于此，有必要及時開展該河道的防洪治理工程建設，從而保障當?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全。

該河道防洪治理工程位于A縣城河道下游，主要保護縣城某鎮(zhèn)場鎮(zhèn)建筑物及部分郊區(qū)農(nóng)田。根據(jù)設計方案顯示，該工程堤防均布置在河道左右兩岸。由于當?shù)睾拥赖匦渭鞍哆吔ㄖ锏南拗?，同時考慮到工程的安全性和經(jīng)濟性，擬建防洪堤的堤身采用了當?shù)啬雺菏逼率降谭篮秃庵負鯄秃鲜降谭?種類型，堤高一般在6～8m，水利工程水工建筑物級別為5級。

2 工程基本水文條件

本次設計收集到水文站1974—2010年共37a的水位流量觀測資料，該站水尺設置正規(guī)，水尺零點高程引測、校核均符合《水文測驗規(guī)范》，經(jīng)復核，測站的測驗設備和測驗精度均較好，所觀測的水文流量，資料可靠、系列精度高，資料經(jīng)多次水利工程設計引用，能滿足本工程設計洪水計算要求。

工程控制流域?qū)偾鹆陞^(qū)。流域內(nèi)洪水主要由暴雨形成。流域?qū)僦衼啛釒貪櫦撅L氣候區(qū)，根據(jù)水文站實測資料分析，洪峰持續(xù)時間1～2h，洪水過程線以單峰為主，復峰較少，受區(qū)域年際氣候變化，洪水年際變化較大。記載有1893年、1933年和1956年的調(diào)查歷史洪水資料，洪峰流量分別為2070m3·s-1、1730m3·s-1、2660m3·s-1；水文實測有1974年和1981年2次特大洪水。該地區(qū)歷史洪水調(diào)查成果見表1。

表1 水文站歷史洪水整編成果表

鑒于本流域歷史洪水資料缺乏，歷史洪水考證期到1893年，但可靠程度一般，因此本次從1956算起，至2010年，考證期為54a。經(jīng)分析，按不連續(xù)系列公式計算經(jīng)驗頻率，求得該站年最大洪峰流量，見表2。

表2 水文站年最大流量頻率計算成果表

水文站控制斷面以上集水面積為2740km2，工程河段以上集水面積761km2，將水文站設計洪水成果以面積比的2/3次方移用至工程河段。通過采用水文比擬法和推理公式法對計算成果進行比較，推求防洪治理工程設計洪水成果見表3。

表3 防洪治理工程設計洪水成果比較表

從表3可以看出，設計標準下推理公式法所推求設計洪水值較水文比擬法所求設計洪水值相差較大，2a一遇洪水時成果基本一致，分別為421m3·s-1和443m3·s-1。如，當P=2%時，水文比擬法計算的洪水值為1107m3·s-1，而推理公式法計算的洪水值為2160m3·s-1，相差了接近1倍。

經(jīng)分析，水文站洪水不能反映工程斷面設計洪水。同時，結(jié)合小流域產(chǎn)匯流條件和降雨特征，推理公式法能更好地反映小流域的產(chǎn)流特征，其結(jié)果比水文類比法更可靠。從工程安全角度考慮，本工程采用推理公式法計算結(jié)果作為設計值。

3 堤基沖刷深度計算分析

結(jié)合以上工程水文條件，設計本堤防工程背坡填筑坡比1∶1.75，坡腳處設置沿堤線方向的縱向排水溝匯集保護區(qū)內(nèi)的坡面雨水，排水溝采用矩形橫斷面。根據(jù)工程河段水文、地質(zhì)條件，結(jié)合堤防的結(jié)構設計，防洪堤以及護岸基礎的埋置深度主要取決于堤岸沖刷深度和地基承載力等因素[4]。本工程部分河段為順水流段，部分河段為水流頂沖或斜沖河段。堤岸沖刷深度計算公式[5-7]：

(1)

(2)

式中，hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處水深，m；Ucp為近岸平均流速，m·s-1；Uc為泥沙啟動流速，m·s-1；n=1/6；η為不均勻系數(shù)。

工程河段為黏性與砂質(zhì)河床，啟動流速Uc采用張瑞瑾公式計算，計算公式如下：

(3)

式中，d50為床沙的中值粒徑，m，根據(jù)地質(zhì)實驗成果本次取0.026m；γs、γ為泥沙與水的容重，kN·m-3。

經(jīng)過上述公式進行沖刷計算，發(fā)現(xiàn)堤防興建后，各計算斷面的沖刷深度介于1.75～3.38m。而且大部分沖刷深度在2m以上，小于2m的斷面較少。其中，沖刷深度最大處出現(xiàn)在斷面JCS06處，最大沖刷深度為3.38m；沖刷深度最小處出現(xiàn)在斷面MCS02處，最小沖刷深度為1.75m。具體計算結(jié)果見表4，計算成果包括行進流速、近岸平均流速以及沖刷深度和沖刷處的水深。

進一步分析表4可以看出，沖刷深度最大處出現(xiàn)在斷面JCS06處，此處的近岸平均流速達到3.51m·s-1，對應的最大沖刷深度為3.38m。根據(jù)本工程各斷面的沖刷深度，建議所有建基面均置于沖刷線以下0.5～1m，能夠滿足防沖要求。此外，本工程現(xiàn)澆砼面板碾壓石渣料斜坡式的齒墻和復合式堤的衡重式擋墻基礎均需置于強風化層基巖上，堤防修建時必須清除其表層腐殖土及淤泥部分。其中復合式堤的衡重式擋墻基礎地基承載力應大于0.3MPa。現(xiàn)澆砼面板碾壓石渣料斜坡式齒墻以上采用大塊石回填至原河床高程。衡重式擋墻基坑臨河側(cè)要求回填至原河床高程，采用碾壓石渣料回填和大塊石護腳。

表4 防洪治理工程沖刷深度計算成果表

4 堤防堤身滲流計算分析

本工程為中強透水地基，根據(jù)堤身斷面設計，堤基滲漏是影響該段堤滲流穩(wěn)定的主要問題。因此，有必要復核計算該防洪堤堤身的滲漏量，從而保證堤身達到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，選取該防洪治理工程右岸堤防典型斷面做為滲流計算的控制斷面。根據(jù)GB50286-2013《堤防工程設計規(guī)范》規(guī)定，采用附錄E《滲流計算》方法進行滲流計算[8]。本次滲流計算采用計算公式如下[9-12]：

(4)

(5)

(6)

式中，q為單位寬度滲流量，m3·s-1·m-1；k為堤身滲透系數(shù)，m·s-1；H1為上游水位，m；H2為下游水位，m；h0為下游出逸點高度，m；m1為上游坡坡率；m2為下游坡坡率；L為上游水位與上游堤坡交點距下游堤腳或排水體上游端部的水平距離，m；ΔL為上游水位與堤身浸潤線延長線交點距上游水位與上游堤坡交點的水平距離，m；L1為滲流總長度，m；y為浸潤線上任意一點距下游堤腳的垂直高度，m；x為浸潤線上任意一點距出逸點的水平距離，m。

防洪堤堤身滲流計算參數(shù)：堤身回填的石渣推薦的滲透系數(shù)k=2.0×10-4cm·s-1；堤基粉質(zhì)壤土推薦的滲透系數(shù)：k=3.2×10-5cm·s-1。計算工況選取臨水側(cè)為設計洪水位和臨水側(cè)洪水降落時2種工況。參照同類工程，碾壓石渣堤身滲透系數(shù)取2.0×10-4cm·s-1，堤基土層滲透系數(shù)取3.2×10-5cm·s-1。經(jīng)計算，石渣堤身的最大滲透比降為0.07，小于石渣料的允許比降0.15，最大單寬滲流量為1.02×10-4m3·s-1·m-1，說明滲漏問題基本不存在。

由上述計算成果可以看出，雖然該防洪堤堤身滲透系數(shù)k≤10-3cm·s-1。由《堤防工程設計規(guī)范(GB 50286-2013)》附錄E.6，計算得0.1

5 結(jié)論

本文首先對A縣某防洪治理工程的基本水文條件進行了闡述，并經(jīng)過方案比較，推薦采用推理公式法計算成果作為堤防設計的使用值，之后分別對設計方案中防洪堤結(jié)構進行了沖刷深度計算和堤防滲流計算分析，結(jié)合計算結(jié)果和綜合分析比較得到以下結(jié)論。

設計標準下推理公式法所推求設計洪水值較水文比擬法所求設計洪水值相差較大，從工程安全角度考慮，本工程采用推理公式法計算成果作為設計使用值。

堤防興建后，各計算斷面沖刷深度為1.75～3.38m，其中沖刷深度最大處出現(xiàn)在斷面JCS06處，最大沖刷深度為3.38m。建議所有建基面均置于沖刷線以下0.5～1m，從而滿足防沖要求。此外，建議復合式堤的衡重式擋墻基礎地基承載力應大于0.3MPa，衡重式擋墻基坑臨河側(cè)要求回填至原河床高程，采用碾壓石渣料回填和大塊石護腳。

該堤防工程典型斷面滲流計算結(jié)果顯示，石渣堤身滲透比降僅為0.07，遠小于石渣料的允許比降0.15，而單寬滲流量為1.02×10-4m3·s-1·m-1，說明滲漏問題不明顯。

以上相關計算結(jié)果及結(jié)論驗證了本堤防結(jié)構的堤基防沖設計和堤身抗?jié)B設計是合理可行的。