薩爾布拉克河防洪工程防洪堤結(jié)構(gòu)選型及穩(wěn)定分析

楊慧蕓

(新疆伊犁州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 伊寧 835000)

1 基本概況

為提高薩爾布拉克河防御洪災(zāi)的能力，促進(jìn)和保障流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)全面可持續(xù)發(fā)展，本著統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合治理、確保重點(diǎn)、分期實(shí)施的原則，對(duì)19+000～22+000段3.0km河道進(jìn)行疏浚整治，沿河道兩岸治導(dǎo)線(xiàn)修建防洪堤總長(zhǎng)6.006km，防洪工程保護(hù)人口0.32萬(wàn)人,保護(hù)農(nóng)田400hm2,及河道兩岸縣鄉(xiāng)公路，依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)，防護(hù)區(qū)人口≤20萬(wàn)人，耕地面積≤2萬(wàn)hm2，其防洪等級(jí)為Ⅳ級(jí)，使本段河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到10a一遇，確保河道兩岸村鎮(zhèn)、農(nóng)田及工程設(shè)施的安全，保護(hù)人口、農(nóng)田及河道兩岸縣鄉(xiāng)公路，為薩爾布拉克鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和兩岸居民的安居樂(lè)業(yè)創(chuàng)造安全有利的條件。

2 工程總體布置

2.1 防洪工程總體布置方案

薩爾布拉克河(樁號(hào)19+000～22+000)段河道沿河谷底部穿行，河床寬101～260m，主河槽沿河道內(nèi)左右擺動(dòng)，河槽深0.8～2.5m。本段河道主要是防治洪水淹沒(méi)河道兩岸的農(nóng)田、村莊和沖毀兩岸的水利工程及交通設(shè)施，防止洪水沖蝕兩岸土地，防止河道產(chǎn)生淤積造成河床的抬高。因此，防洪總體方案如下：按照河道行洪寬度的要求及兩岸土地、設(shè)施分布情況調(diào)整河道走勢(shì)，確定穩(wěn)定行洪寬度，對(duì)河道進(jìn)行整治、疏通，沿河道兩岸治導(dǎo)線(xiàn)修筑防洪堤，束水歸槽，使洪水能順暢下泄，既要防止河道沖刷下切，又要避免河道內(nèi)形成左右擺動(dòng)的河槽,從而造成河槽沖刷、灘地淤積。

防洪堤按永久堤防標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，因地制宜、就地取材。防洪堤采用斜坡式堤防，堤身采用河道內(nèi)砂礫石料填筑，對(duì)防洪堤臨水面邊坡進(jìn)行護(hù)砌并按沖刷深度要求下設(shè)基礎(chǔ)，通過(guò)護(hù)砌提高防洪堤的防沖抗沖能力。防洪堤堤頂高在設(shè)計(jì)洪水位以上預(yù)留足夠的超高，滿(mǎn)足校核洪水的通過(guò)。為了便于工程管理和應(yīng)急搶險(xiǎn)的需要，堤頂寬度必須滿(mǎn)足搶險(xiǎn)車(chē)輛的通行。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有河道整治，整治后的河道寬度較現(xiàn)有河道縮窄較多，對(duì)堤防兩側(cè)空出的河灘地進(jìn)行整治，種植生態(tài)防護(hù)林，既增加了土地利用率，同時(shí)起到生態(tài)治理的作用。

2.2 治導(dǎo)線(xiàn)的選擇

治導(dǎo)線(xiàn)選擇合理與否，對(duì)防洪安全和防汛搶險(xiǎn)影響很大，是規(guī)劃設(shè)計(jì)中重要工作。通過(guò)實(shí)地勘測(cè)，目前河道寬度較過(guò)去加寬了許多，河道寬度已由過(guò)去的100～150m加寬到101～260m,主要是河岸無(wú)防沖設(shè)施，河岸不斷侵蝕、河灘地不斷增加所致。薩爾布拉克河是一條年際、年內(nèi)徑流變化較大的河流，年際豐、枯水徑流量相差4倍之多，徑流的年內(nèi)分配很不均勻，枯水期平均流量在2.0m3·s-1，豐水期平均流量8.1m3·s-1。灌溉期上游大量引水，造成河道下游大部分時(shí)期下泄流量很小，長(zhǎng)流水基本沿主河槽流動(dòng)，主河槽寬50～100m，只有洪水期河灘地才上水。隨著河灘地的不斷加寬，水流被分散，水流挾沙能力大大減弱，大部分泥砂在河灘地上淤積，造成灘地不斷加高加寬。

結(jié)合有關(guān)資料和伊犁地區(qū)河道整治實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)薩爾布拉克河河道必須整治，對(duì)現(xiàn)有的河道必須縮窄疏通，河道整治寬度要力求接近河道穩(wěn)定寬度，要考慮適應(yīng)渲泄稀遇洪水的要求，不能降低河道安全泄洪能力和滯洪能力。必須保證河道的沖淤平衡，防止河道淤積和下切。綜上所述，本防洪段防洪堤治導(dǎo)線(xiàn)為左右兩岸平行布置，對(duì)部分河段采用裁彎取直，封堵岔流，力求水流平順。

2.3 河道整治寬度計(jì)算

確定合理的河床整治寬度，對(duì)保證行洪和兩岸安全非常重要，河道整治寬度不易太窄，避免束縮水流加大流速，造成河岸的沖刷和河床的下切。同時(shí)也不能太寬，容易形成心灘和邊灘地從而改變水流的流向和流態(tài)，造成局部沖刷和局部淤積。蘇聯(lián)學(xué)者阿爾圖寧整理大量中亞、西亞沖積扇河流資料，得出穩(wěn)定河寬與造床流量及比降的關(guān)系：

B=AQ0.5/J0.2

式中,B為穩(wěn)定河床寬度，m；Q為造床流量，相當(dāng)于頻率P=(3～10)%的洪水流量，取頻率P=10%的洪水流量為造床流量；J為河床比降，取該段河床平均比降；A為河流特性系數(shù)。

河流特性不同，公式中系數(shù)A值也將不同，根據(jù)資料，我國(guó)長(zhǎng)江的荊江蜿蜒性河道A=0.64～1.15；黃河高村以上的游蕩性河道A=2.23～5.41。目前薩爾布拉克河過(guò)縣城城區(qū)段防洪工程已實(shí)施，該段河道整治寬度為70m，穩(wěn)定寬度計(jì)算時(shí)河流特性系數(shù)取2.3。目前工程已運(yùn)行了4a，河道穩(wěn)定，沖淤變化不大，實(shí)踐證明該段河的整治寬度是合理的，因此本次規(guī)劃薩爾布拉克河穩(wěn)定河道寬度的計(jì)算中采用A=2.3，經(jīng)計(jì)算河段穩(wěn)定河床寬度見(jiàn)表1。

河道的整治寬度在計(jì)算的穩(wěn)定寬度基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整，并結(jié)合已實(shí)施河段整治寬度情況及現(xiàn)有的穩(wěn)定河段寬度確定，具體如下：19+000～22+000河段長(zhǎng)3km，現(xiàn)狀河道寬度70～260m，主河槽寬50～100m，河道縱坡1/95～1/120，河道整治計(jì)算寬度67.9～71.15m，綜合考慮，本段河道整治后穩(wěn)定寬度為100～195m。

河道計(jì)算穩(wěn)定寬度及整治寬度詳見(jiàn)表1。

表1 河段穩(wěn)定河床計(jì)算寬度

2.4 防洪堤布置

按照河道行洪寬度的要求及兩岸耕地設(shè)施分布情況調(diào)整河道走勢(shì)，確定防洪治導(dǎo)線(xiàn)，對(duì)河道進(jìn)行整治、疏通，沿河道兩岸治導(dǎo)線(xiàn)修筑防洪堤，束水歸槽，使洪水能順暢下泄。防洪堤按永久堤防標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，因地制宜、就地取材。

本工程河段長(zhǎng)度3km,兩岸防洪堤總長(zhǎng)6006m，左右岸分別敘述,其中，左岸段長(zhǎng)3018m,上游與水定鎮(zhèn)幸福新村河岸護(hù)段相接，下游與跨薩爾布拉克河北岸大渠輸水渡槽右岸護(hù)砌段上游相接，沿原河道岸坎布置，局部裁彎取直，主要保護(hù)民區(qū)，耕地和縣鄉(xiāng)道路。右岸段長(zhǎng)2988m,上游與薩爾布拉克河韓家莊子村河岸護(hù)岸相接，下游與跨薩爾布拉克河北岸大渠輸水渡槽左岸護(hù)砌段上游相接，該段沿岸坎耕地邊緣布置，不侵占農(nóng)田為主，主要保護(hù)居民區(qū)，耕地和縣鄉(xiāng)道路。綜上所述，本工程防洪堤大部分均沿原河道岸坎布置，局部裁彎取直，以不侵占耕地為本次布置指導(dǎo)思路，因地制宜地確定河道整治寬度，以達(dá)到保護(hù)兩岸對(duì)象的目的。

3 堤防工程設(shè)計(jì)

3.1 防洪堤結(jié)構(gòu)型式選擇

本著就地取材的原則，防洪堤設(shè)計(jì)采用土石方填筑，堤型為斜坡式土堤，結(jié)合河道整治充分利用河道整治過(guò)程產(chǎn)生的砂礫石料及河灘地料進(jìn)行土堤的填筑。為防止洪水對(duì)防洪堤的沖刷，對(duì)防洪堤臨水面邊坡進(jìn)行護(hù)砌，并按設(shè)計(jì)沖刷深度要求下設(shè)護(hù)坡基礎(chǔ)。防洪堤護(hù)砌形式結(jié)合地質(zhì)條件、建筑材料、建設(shè)條件等方面綜合考慮，初步確定以下2種方案。

3.1.1 方案1

防洪堤采用一坡到頂?shù)默F(xiàn)澆砼板護(hù)砌形式，采用C20現(xiàn)澆砼護(hù)坡，迎水面邊坡為1∶1.5，基礎(chǔ)部位砼板厚0.2m,基底設(shè)0.5m×0.8m的砼基座(阻滑墻),堤防上部邊坡砼板厚為0.15m,堤頂設(shè)0.5m寬0.15m厚的壓頂。

3.1.2 方案2

防洪堤護(hù)砌采用漿砌石形式，一坡到底，堤防基礎(chǔ)部分采用C20細(xì)石砼砌卵石結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)底座寬1.0m，厚0.8m,堤頂邊坡護(hù)砌厚度0.5m，邊坡1∶1.5。邊坡上部上部護(hù)砌采用漿砌石形式。板厚0.3m，堤頂設(shè)壓頂，壓頂寬0.5m，厚0.15m。

通過(guò)對(duì)上述方案的建筑材料、施工條件、運(yùn)行條件、水力條件、投資等方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，考慮到本段河道內(nèi)卵石分布有限，卵石采集有一定難度，另外漿砌石機(jī)械化作業(yè)程度低、人工需求量大且施工進(jìn)度慢、工程投資較大，綜合考慮，本段河道堤防護(hù)砌決定采用方案1，即現(xiàn)澆砼板護(hù)砌形式。

3.2 防洪堤斷面設(shè)計(jì)

3.2.1 防洪堤縱斷面

根據(jù)河道實(shí)測(cè)縱斷面并考慮河道整治后河床縱斷面確定，設(shè)計(jì)縱坡為1/95～1/120。

3.2.2 防洪堤橫斷面

防洪堤為土堤，主要采用砂石料填筑，設(shè)計(jì)壓實(shí)相對(duì)密度不小于0.75，根據(jù)邊坡穩(wěn)定要求，防洪堤內(nèi)邊坡均為1∶1.5，外邊坡1∶1.5。防洪堤采用機(jī)械碾壓，考慮到機(jī)械施工工作面要求，同時(shí)為了滿(mǎn)足今后工程的管理及防洪搶險(xiǎn)通行要求，堤頂寬按4m設(shè)計(jì)。為了便于錯(cuò)車(chē),每隔800m設(shè)一處錯(cuò)車(chē)平臺(tái)，平臺(tái)長(zhǎng)20m,寬8m。

防洪堤堤高按設(shè)計(jì)洪水位加安全超高確定，并復(fù)合滿(mǎn)足特大洪水的要求。經(jīng)計(jì)算分析，堤防高2.0m。

為防止洪水對(duì)堤防的沖刷，防洪堤臨水面邊坡采用現(xiàn)澆砼板護(hù)砌，并按沖刷深度要求下設(shè)基礎(chǔ)。

3.3 設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算

本次防洪工程建設(shè)主要是沿河道整治寬度外修建防洪堤，防洪堤主要通過(guò)河床斷面取料，通過(guò)取料、整治，該段河道將形成較規(guī)則的過(guò)水?dāng)嗝?，底寬、糙率、縱坡、堤防邊坡基本上相同。因此通過(guò)水力計(jì)算確定河道水面線(xiàn)，水力計(jì)算按明渠均勻流公式計(jì)算：

Q=ωc(RJ)1/2

河道斷面底寬b取各河段設(shè)計(jì)整治寬度，整治后河床較平整，為礫石河床面，其糙率n底取0.037，堤防邊坡采用現(xiàn)澆砼板護(hù)砌，邊坡1∶1.5，邊坡部位糙率n邊取0.015,通過(guò)加權(quán)平均,綜合糙率取0.035。河道縱坡根據(jù)各段河道自然縱坡確定。確定各段河道水力要素詳見(jiàn)表3。

表2 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

表3 設(shè)計(jì)河道水力要素表

3.4 堤防堤頂高的確定

本工程防洪堤頂高程依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于本段河道防洪堤是在河道整治的基礎(chǔ)沿河道兩岸修建堤防，防洪堤修建后形成穩(wěn)定的河道斷面，因此防洪堤堤頂高采用設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高的方法確定。

3.4.1 堤頂超高計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算，防洪堤堤前波浪的平均波高為0.054～0.82m，水力半徑為0.58～0.67m，設(shè)計(jì)風(fēng)壅水高度為0.00266～0.00816m，應(yīng)當(dāng)分段進(jìn)行計(jì)算。本工程堤防級(jí)別為4級(jí)，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中表2.2.1按堤防工程級(jí)別查得堤頂超高為0.6m。

3.4.2 防洪堤頂高確定

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)要求計(jì)算得到防洪堤堤頂高。計(jì)算堤高為1.89～1.93m，綜合考慮，本段河道防洪堤堤高統(tǒng)一取2.0m。河段各控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)堤頂高程詳見(jiàn)表4。由表4可知，各段堤頂高程均高于實(shí)測(cè)和調(diào)查歷史洪水位，說(shuō)明堤防是安全的。

表4 防洪堤堤高計(jì)算表

4 堤防穩(wěn)定計(jì)算

4.1 計(jì)算工況

按照《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)的規(guī)定，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5。

表5 土堤穩(wěn)定計(jì)算工況表

4.2 計(jì)算成果

采用《土石壩壩坡穩(wěn)定分析程序》中圓弧分析法進(jìn)行分析(理正計(jì)算軟件)。上、下游安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 上、下游安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可知，防洪堤斷面尺寸滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)薩爾布拉克河防洪工程的實(shí)施，減少了沿河兩岸在洪澇災(zāi)害時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失，土地砂化進(jìn)一步減輕，農(nóng)田投入大量有機(jī)肥、化肥等均為農(nóng)作物吸收，為改良土壤提供條件，保障了大東溝河兩岸生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)，也改善了小氣候和景觀，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。