新疆阿拉爾段防洪工程橫斷面設(shè)計(jì)

王克強(qiáng)

（阿克蘇塔河源勘測設(shè)計(jì)院有限公司,新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

防洪工程主要針對洪水帶來的嚴(yán)重性地表破壞的災(zāi)害,河道受洪水的沖擊,主流頻繁變化,河岸和河床被迫調(diào)整[1]。因此易發(fā)生洪水的地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)“橫河”“斜河”病害,防洪面臨的不利因素較多,已經(jīng)嚴(yán)重危及已建工程與工程區(qū)域周邊群眾的安全[2]。為此,防洪工程需要從整體性和穩(wěn)定性兩方面考慮,保證周邊群眾安全。此外,防洪工程施工的難易程度與橫截面設(shè)計(jì)息息相關(guān)。防洪工程治理河段長、任務(wù)重,河道洪水持續(xù)時(shí)間長、主流擺動(dòng)頻繁。洪水發(fā)生對工程的破壞力強(qiáng),所以需要確定橫截面的數(shù)據(jù)信息,設(shè)計(jì)抗沖刷性強(qiáng)的橫截面,為當(dāng)?shù)氐姆篮楣こ烫峁┫鄳?yīng)的基礎(chǔ)保障。而且橫截面工程完建后運(yùn)行需要各單位對管轄區(qū)內(nèi)防洪工程及防汛道路進(jìn)行日常管理,定期進(jìn)行觀測、維護(hù)以及堤防汛期搶險(xiǎn)預(yù)報(bào),實(shí)施加堤、護(hù)堤等綜合措施,以達(dá)到保證橫斷面防洪工程的安全,這樣才能充分發(fā)揮工程效益的建設(shè)目標(biāo)[3]。橫截面的工程建設(shè)從設(shè)計(jì)到最后的施工運(yùn)行管理應(yīng)充分做好準(zhǔn)備工作,確保完工后設(shè)計(jì)的橫截面能夠長久安全地做好防洪的工作。為此,本文根據(jù)新疆阿拉爾段的水文環(huán)境,對防洪工程的結(jié)構(gòu)斷面型式方案進(jìn)行分析。

1 防洪工程橫斷面設(shè)計(jì)

1.1 對洪水位的預(yù)判

本工程的橫截面設(shè)計(jì)需要提前確定新疆阿拉爾段地區(qū)的水文環(huán)境,也就是根據(jù)洪水位進(jìn)行預(yù)判。

1.1.1 沖刷深度計(jì)算

由于新疆水文環(huán)境大多為游蕩型河流,沖刷角度變化較大,本次選取N15 與N16 整治段之間（L51+900～L53+600）0+800 斷面作為計(jì)算斷面,根據(jù)阿拉爾站測量資料中不同水深、流速、不同沖刷角度計(jì)算黏性和砂質(zhì)河床,根據(jù)下式計(jì)算：

式中：U 代表洪水沖刷的泥沙起動(dòng)流速,m/s；H 代表洪水沖刷引起的水的深度,m；d50代表床沙的中值粒徑,m,根據(jù)新疆地區(qū)的地質(zhì),本工程取值為0.11 mm。

計(jì)算出實(shí)測水面的沖刷深度,設(shè)計(jì)選用的河床各斷面分級流量應(yīng)大于洪水的沖刷深度。

1.1.2 滲流坡降組合計(jì)算

防洪工程采用線性滲流設(shè)計(jì),考慮到在臨水一側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為洪水位,背水一側(cè)設(shè)置為相應(yīng)水位,為此臨水一側(cè)結(jié)構(gòu)則設(shè)置為特大洪水位,背水一側(cè)設(shè)置為最低水位甚至無水[4]。洪水在降落時(shí)會(huì)對臨水兩側(cè)堤坡形成線性滲流的情況,為此,臨水一邊需為設(shè)計(jì)的洪水位,背水一邊為實(shí)際的相應(yīng)水位[5]。臨水一邊的設(shè)計(jì)洪水位和背水一邊實(shí)際相應(yīng)水位間的滲徑長的實(shí)際坡降計(jì)算公式如下：

式中：H1代表壩前最高水位,m；H2代表壩后水位,m；L 為壩底寬度,m。

參考阿拉爾站對塔河汛期水位降落速度統(tǒng)計(jì),其水位降落最快的為0.28 m/d,通過對左岸52+800 處斷面計(jì)算成果,48 h 內(nèi)臨水側(cè)水位由995.57 m 降落至995.01 m,背水側(cè)相應(yīng)水位為994.27 m,經(jīng)計(jì)算滲徑長度由14.51 m 至15.35 m,計(jì)算實(shí)際坡降0.47 m。經(jīng)綜合考慮分析,設(shè)計(jì)的洪水滲流需考慮到坡降數(shù)值,擬定本工程橫斷面堤防設(shè)計(jì)洪水位水面線高度為1071.35 m。

1.2 橫斷面土體結(jié)構(gòu)

橫斷面的土體結(jié)構(gòu)主要由土壩體、護(hù)坡、拋石護(hù)根和進(jìn)占體四部分構(gòu)成。土壩滲漏一般選用壤土建造,在堤頂處混合砂礫石,為達(dá)到對建筑物整體抗沖的要求,土壩滲漏通常采用順壩滲漏方式進(jìn)行建造[6]。同時(shí)考慮到強(qiáng)汛期施工搶救力和堆放搶險(xiǎn)工料物的要求,土壩的壩頂寬必須保持在背水面邊坡施工水平在一零點(diǎn)五以上,施工水位必須保證在四分之一以內(nèi)。護(hù)坡設(shè)計(jì)時(shí)必須保證路堤與土壩滲漏方向齊平,在護(hù)坡與混凝土壩滲漏方向之間需要鋪設(shè)改性無紡布[7]。由于堤壩的滲漏方向靠水,且所在段河流土質(zhì)多為細(xì)沙性地質(zhì),因此易于受水流淘刷。為保證工程的安全性,避免因泄洪而擴(kuò)大的沖坑問題,應(yīng)在執(zhí)行護(hù)坡方法前設(shè)置散拋的礫砂。拋石護(hù)根也可采用沖刷的方法確定,但根據(jù)以往應(yīng)急工程和長期的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),很難一次達(dá)到一定安全深度,只有經(jīng)過反復(fù)的出險(xiǎn)處理使其更加穩(wěn)固[8]。而護(hù)坡內(nèi)的散拋石護(hù)根無法解決設(shè)計(jì)上所需的效果,所以可在堤后設(shè)置備防石,以便搶救性需要。在水中進(jìn)占大壩滲漏采用了進(jìn)占體的部分做護(hù)根,而進(jìn)占體采用拋石填筑基礎(chǔ)。結(jié)合施工機(jī)械進(jìn)占要求,進(jìn)占體高程高出施工水位0.5 m。再采用二層格賓水平鋪蓋50 cm 厚、20 m 長的格賓石籠。考慮到細(xì)砂河床的濕陷下設(shè)18 m～20 m 長、0.8 m 厚的拋石墊層,坡腳設(shè)2 m 深、四層0.5 m×1.0 m 的格賓石籠底隔墻。拋石鎮(zhèn)腳設(shè)在水平鋪蓋上,緊靠格賓石籠護(hù)坡,頂寬7 m,高1.1 m,邊坡1∶2。

需要根據(jù)河道地質(zhì)條件來判斷工程建設(shè)狀況,但由于拋石坡型斷面一次很難達(dá)到設(shè)計(jì)深度,所以在工程實(shí)施過程中,需要計(jì)算不同的水深,在沒有足夠沖刷深度的拋石護(hù)坡前方預(yù)先設(shè)置拋石體或占體,在洪水沖刷后,按照預(yù)先設(shè)定的穩(wěn)定邊坡沉降,直到沉降到設(shè)計(jì)深度,以使河岸穩(wěn)定[9]。最終采用土堤體、格賓護(hù)坡+拋石順壩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。

1.3 橫斷面結(jié)構(gòu)型式設(shè)定

根據(jù)水文環(huán)境的限制,本工程對已建堤防段落進(jìn)行提升加固、擴(kuò)建延伸對空白段進(jìn)行新建堤防工程,橫截面土體選擇應(yīng)結(jié)合原有堤型和筑堤材料,堤防應(yīng)盡可能考慮到兩岸防護(hù)結(jié)構(gòu),適應(yīng)當(dāng)?shù)睾觿葑兓膾伿槈?、保證堤頂暢通。橫斷面因地制宜、就地取材,滿足防汛和管理要求。根據(jù)分段河勢和保護(hù)對象的重要性,同一段的各部分可根據(jù)具體條件確定,在堤防橫斷面結(jié)構(gòu)變換處應(yīng)做好連接,必要時(shí)應(yīng)設(shè)過渡段。洪水發(fā)生的特點(diǎn)是突發(fā)性和不可預(yù)測性,因此對新建城區(qū)段,應(yīng)該建設(shè)緊急防洪段的斷面施工方案[10]。護(hù)坡采用格賓石籠,護(hù)坡與土壩體頂齊平,厚度為0.5 m,設(shè)計(jì)邊坡1∶1.5。土壩與護(hù)坡之間采用無紡布300 g/m2,護(hù)坡前預(yù)備塌體,高程與設(shè)計(jì)洪水位齊平,向下擺放至水下灘面,設(shè)計(jì)邊坡1∶1.5,備塌體石方量根據(jù)沖刷深度確定,土壩與備塌體之間采用無紡布300 g/m2和草簾墊層0.1 m。

由于橫截面臨河段,河道主流持續(xù)貼岸、頂沖。護(hù)坡水平鋪蓋施工需人工輔助機(jī)械在地下水位以下作業(yè),要提前進(jìn)行施工導(dǎo)流和排水施工。河道主流頂沖段用土方圍堰實(shí)施難度較大,因此實(shí)施拋石備塌體設(shè)計(jì)斷面方案,在此基礎(chǔ)上對斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,城區(qū)段河道非貼岸段采用土堤體、格賓護(hù)坡、二層格賓水平鋪蓋+拋石鎮(zhèn)腳設(shè)計(jì)方案,城區(qū)段河道主流頂沖段及非城區(qū)段采用格賓石籠護(hù)坡+拋石備塌體順壩結(jié)構(gòu)斷面型式。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

本次工程范圍起點(diǎn)為塔里木河源頭下游39+550 處,終點(diǎn)為十四團(tuán)與沙雅縣邊界處, 工程河段全長72 km。根據(jù)阿拉爾水文站水文分析成果相對應(yīng)洪峰流量城區(qū)段為2330 m3/s、鄉(xiāng)村段為1940 m3/s,整治流量1000 m3/s。新建防洪3 段工程,工程總長度為6.533 km,其中左岸N15 與N16整治段之間（L51+900～L53+600）長度為1.7 km,右岸S11 與S12 整治段之間（R39+550～R43+800）長度為2.663 km 和S20 整治段（R103+000～R111+900）下段（6+100～8+270）段長度為2.170 km。整治段之間（L51+900～L53+600）段位置線起點(diǎn)布置老河岸坎的高處,整治工程位置線終點(diǎn)在河灘與耕地的交界處,長度為1700 m,其中直線段長1017 m,弧長683 m。新建段布置見表1。

表1 工程總體布置表

2.2 應(yīng)用情況

由于本工程為新疆阿拉爾的堤防工程,考慮除對工程運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測外,還需要對堤前水位進(jìn)行長期監(jiān)測,在工程沿線應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)作為水準(zhǔn)點(diǎn),在堤前工程的相應(yīng)部位進(jìn)行水位觀測,在堤前設(shè)置水尺,選擇便于觀測水位的儀器進(jìn)行布置。通過對新疆阿拉爾段防洪的實(shí)測大斷面成果進(jìn)行復(fù)核,在此基礎(chǔ)上,針對本次設(shè)計(jì)的整治段前、中、后處及第一師河段起點(diǎn)、阿拉爾水文段及結(jié)束段增加10 個(gè)大斷面進(jìn)行水位～流量關(guān)系計(jì)算,即選取樁號13+000、19+000、41+680、44+640、53+865、86+100、96+100、111+635、113+000、122+000 共10 個(gè)大斷面參與計(jì)算。為便于表述,將這10 個(gè)大斷面代號依次編為新增1-1、新增2-2、新增3-3、新增4-4、新增5-5（阿拉爾水文站斷面）、新增6-6、新增7-7、新增8-8、新增9-9、新增10-10。根據(jù)實(shí)測水面坡降及選用河床糙率阿拉爾站根據(jù)多年實(shí)測經(jīng)驗(yàn),推薦取0.020,計(jì)算出各斷面分級流量,水位～流量關(guān)系見1。

水位越高,所設(shè)計(jì)的橫斷面承載的分級流量也應(yīng)該增加。隨著水位的增高,新增的10 個(gè)橫斷面的流量也在增加。由圖1 可知,新增的10 個(gè)大斷面水位設(shè)計(jì)洪峰流量平均在3000 m3/s,均大于10 年一遇設(shè)計(jì)洪峰1940 m3/s,因此達(dá)到了水位控制的效果。

圖1 新增實(shí)測大斷面水位與流量關(guān)系曲線圖

3 結(jié)語

河道防洪工程需要結(jié)合每年汛期后的河勢變化進(jìn)行橫斷面的設(shè)計(jì)。因此在橫斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要對整治段的地理位置和水文環(huán)境進(jìn)行復(fù)測,結(jié)合相應(yīng)的條件進(jìn)一步完善橫截面平面設(shè)計(jì)和具體的優(yōu)化工程,避免出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)問題,并確保工程順利施工。本工程利用河道非汛期進(jìn)行施工,提前做好工程前期準(zhǔn)備工作,并針對十個(gè)大斷面進(jìn)行了水位測試。希望本文提出的設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用到實(shí)際的洪水治理中,為防洪工程提供一些參考。