額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤設(shè)計(jì)

梁黎明

（第九師聯(lián)拓勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,新疆 塔城 834601）

1 工程概況

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤位于額敏縣額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)喀拉尕什庫(kù)熱西村西側(cè),額敏水庫(kù)東側(cè),工程具體位置見(jiàn)圖1。額敏水庫(kù)始建于1959年,1967年竣工,是一座中型攔河式平原水庫(kù),水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩,最大壩高為15.35 m,壩長(zhǎng)5500 m,壩頂高程651.80 m,校核洪水位為649.51 m,設(shè)計(jì)洪水位為649.21 m。50年一遇洪峰流量為109 m3/s,300年一遇洪峰流量為177 m3/s,10年一遇洪峰流量為54.30 m3/s。每當(dāng)額敏水庫(kù)高水位蓄水時(shí),會(huì)淹沒(méi)喀拉尕什庫(kù)熱西村的基本農(nóng)田,對(duì)村民的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。因此,新建防洪堤,提高區(qū)域現(xiàn)狀防洪工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期,以達(dá)到規(guī)范要求的防洪標(biāo)準(zhǔn),保護(hù)區(qū)域內(nèi)人民的生命以及財(cái)產(chǎn)在其洪水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的安全,保障交通、通訊系統(tǒng)在其洪水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)安全暢通。

圖1 額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤工程具體位置圖

2 防洪標(biāo)準(zhǔn)和工程等級(jí)

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)喀拉尕什庫(kù)熱西村人口總數(shù)為534人。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）[1]規(guī)定：防護(hù)區(qū)人口≤20萬(wàn)人,確定鄉(xiāng)村等級(jí)為Ⅳ級(jí),其防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年～10年一遇。因防護(hù)對(duì)象在額敏水庫(kù)附近,防護(hù)對(duì)象為居民區(qū)及基本農(nóng)田,因此其防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10年。

2.2 工程等級(jí)

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)可耕地2884畝。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）[2]規(guī)定：保護(hù)農(nóng)田面積＜5萬(wàn)畝,防洪工程等別為Ⅴ等,工程規(guī)模為小（2）型,主要建筑物級(jí)別為5級(jí),次要建筑物級(jí)別為5級(jí),臨時(shí)性建筑物級(jí)別為5級(jí)。

3 防洪堤設(shè)計(jì)

3.1 防洪堤軸線選擇

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤位于額敏水庫(kù)溢洪閘東側(cè),擬建防洪堤總長(zhǎng)1177.84m。該工程的起點(diǎn)0+000位于額敏水庫(kù)溢洪閘東北50m處,此處有一條田間土路,終點(diǎn)位于居民區(qū)房屋后背西北角。本工程走向大致由東南向西北。防洪堤軸線樁號(hào)0+000～0+205.10是由原田間路截彎取直確定,田間路左側(cè)為水庫(kù)庫(kù)盤(pán),右側(cè)為樹(shù)根堆砌地及林星樹(shù)木；樁號(hào)0+205.10～0+512.00基本沿著原有田間路選取,左側(cè)為水庫(kù)庫(kù)盤(pán)邊緣種植的林帶,右側(cè)為防護(hù)林；樁號(hào)0+512.00～0+580.00基本沿著原有耕地與林帶交界處選取。樁號(hào)0+580.00～1+028.71基本沿著水庫(kù)庫(kù)盤(pán)地勢(shì)較高處且盡量少伐樹(shù)木的原則選線。樁號(hào)1+028.71～1+106.78左側(cè)為水庫(kù)庫(kù)盤(pán),右側(cè)為居民養(yǎng)殖家禽的區(qū)域,在兩者之間盡量截彎取直。樁號(hào)1+106.78～1+177.84左側(cè)為水庫(kù)庫(kù)盤(pán),右側(cè)為居民房屋,在兩者之間盡量截彎取直。

3.2 防洪堤襯砌方案比選

本文設(shè)計(jì)的防洪堤襯砌方案擬采用砼襯砌與雷諾護(hù)墊兩種襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較確定。

（1）方案一：砼襯砌,現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡

斜坡砼板護(hù)坡的護(hù)面厚度按下式計(jì)算：

式中：t 為現(xiàn)澆砼板護(hù)坡厚度,m；η為系數(shù),取0.01；γb為砼板的容重,取24 kN/m3；γ為水的容重,取10 kN/m3；H為計(jì)算波高,m；L為計(jì)算波長(zhǎng),m；B為沿斜坡方向的護(hù)面長(zhǎng)度,m；m為斜坡坡率,取1.75。

經(jīng)計(jì)算,現(xiàn)澆砼板護(hù)坡厚度為6.5 cm；由于該治理段水深約為0.3 m～0.9 m,按照抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范,并考慮嚴(yán)寒地區(qū)冰拔對(duì)砼板破壞問(wèn)題,確定現(xiàn)澆砼板的襯砌厚度為15 cm。

（2）方案二：雷諾護(hù)墊護(hù)坡

雷諾護(hù)墊護(hù)坡相對(duì)砼板來(lái)說(shuō)是一種柔性襯砌方式,其適應(yīng)變形能力較強(qiáng),生態(tài)效應(yīng)好。

其襯砌厚度的計(jì)算可按方案一的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,填充石塊的規(guī)格因有雷諾護(hù)墊,查閱相關(guān)資料及工程實(shí)例可采用70 mm～300 mm。

根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)以及考慮雷諾護(hù)墊的施工要求,本次設(shè)計(jì)確定雷諾護(hù)墊的填石厚度為17 cm,下設(shè)砂礫石厚度30 cm,最下層鋪設(shè)400 g/m2無(wú)紡布,砂礫石及無(wú)紡布均為反濾作用,并用砂礫石防止無(wú)紡布遭到破壞。

雷諾護(hù)墊規(guī)格為：長(zhǎng)6 m,寬2 m,高0.17 m,內(nèi)部每間隔1 m采用雙隔板隔成獨(dú)立的單元；邊板、端板、隔板及底板間為整體式。填筑完畢后蓋蓋板。網(wǎng)格規(guī)格為：6 cm×8 cm。鋼絲均要進(jìn)行熱鍍高爾凡防腐處理,網(wǎng)面鋼絲直徑為不小于2.0 mm,鍍層重量不小于215 g/m2；邊端鋼絲直徑不小于2.7 mm,鍍層重量不小于245 g/m2。填筑石料粒徑范圍為70 mm～150 mm,平均粒徑d50為110 mm。

方案比選：

1）從適用性來(lái)看。現(xiàn)澆砼板作為防洪堤護(hù)面材料在相應(yīng)工程的應(yīng)用較多,雷諾護(hù)墊作為護(hù)岸材料相應(yīng)工程應(yīng)用國(guó)內(nèi)較多,都是可行的。

2）從施工條件來(lái)看?；炷涟遄o(hù)坡：以機(jī)械化施工為主,混凝土骨料及墊層料在10.31 km處的料場(chǎng)可購(gòu)買(mǎi),現(xiàn)場(chǎng)可直接攪拌。雷諾護(hù)墊護(hù)坡：以人工施工為主,所需石料在10.31 km處的料場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。

3）從投資來(lái)看。選用相應(yīng)高度、每米長(zhǎng)度的護(hù)面工程量進(jìn)行投資比較,其比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 護(hù)岸投資比較表

根據(jù)治理河堤護(hù)面材料特性,雷諾護(hù)墊與混凝土護(hù)面投資相差不大,而由于治理河堤右岸有耕地,灌溉排水會(huì)對(duì)護(hù)岸材料造成頂托,而雷諾護(hù)墊的適應(yīng)變形能力較強(qiáng),生態(tài)效應(yīng)好。因此,額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤工程采用雷諾護(hù)墊的襯砌方式。

3.3 防洪堤堤頂高程的確定

3.3.1 最高水位

本工程位于額敏水庫(kù)溢洪閘東側(cè),溢洪閘底板高程647.35 m,由4孔5 m寬的開(kāi)敞式閘室組成。而額敏水庫(kù)10年一遇洪峰流量為54.3 m3/s。額敏水庫(kù)來(lái)水量與泄水量相同,因此,防洪堤最高水位為10 年一遇洪峰時(shí)溢洪閘堰上水深。

寬頂堰公式計(jì)算：

式中：σc為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù),取0.385；n為堰孔數(shù),取4；B為堰孔凈寬,取5 m；Q為堰上水頭,取54.3 m；H0為堰上水深,m。

經(jīng)計(jì)算,堰上水深為1.37 m,即最高水位為648.72 m。

3.3.2 堤頂高程

根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）[3]計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,堤防工程的頂部高程應(yīng)為最高水位加堤頂超高之和。

堤頂超高包括設(shè)計(jì)波浪爬高、風(fēng)壅水面的高度和安全加高三部分。其計(jì)算公式如下：

式中：Y為堤頂超高,m；RP為設(shè)計(jì)波浪爬高,m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度,m；A為安全加高值,m,取0.5 m。

式中：RP為累計(jì)頻率為P的波浪爬高,m；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù),護(hù)面類(lèi)型為透水堤心,KΔ=0.55；KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),KV=1.30；KP為爬高累計(jì)頻率換算系數(shù),KP=2.07；m為斜坡坡率,m=1.75；為堤前波浪的平均波高,m；L為堤前波浪的波長(zhǎng),m。

風(fēng)壅水面高度計(jì)算公式如下：

式中：e為計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)壅水面高度,m；k為綜合摩阻系數(shù),取3.6×10-6；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速,按計(jì)算波浪的風(fēng)速確定,m/s；f為由計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離,m；d為水域的平均水深,m；β為風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角,（°）。

由于工程區(qū)域內(nèi)洪水多發(fā)生在6月、7月兩個(gè)月,因此,本文設(shè)計(jì)針對(duì)風(fēng)速資料的分析主要為6月、7月兩個(gè)月的風(fēng)速和風(fēng)向。根據(jù)收集到的額敏氣象站的風(fēng)速、風(fēng)向資料,工程區(qū)域多年平均最大風(fēng)速為18.7 m/s,主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。

其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤堤頂超高的計(jì)算表

防洪堤堤頂高程為最高水位加堤頂超高之和,即可求得防洪堤堤頂高程為650.51 m。

3.4 防洪堤堤寬的確定

防洪堤堤頂寬度根據(jù)規(guī)范及相關(guān)要求確定。根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）[3]規(guī)范要求：本工程等級(jí)為5級(jí)建筑物,其堤頂寬度不宜小于3 m,但考慮防洪堤修建占用田間路,不能及時(shí)把防洪物質(zhì)運(yùn)至防洪堤,防洪堤修建時(shí)交通要求。因此,本次防洪堤工程防洪堤寬度,經(jīng)綜合考慮后確定為4.5 m。為了增加堤頂橫向排水,在堤頂設(shè)向內(nèi)側(cè)傾斜的坡度,坡度采用2%。

4 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《堤防防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）[3]規(guī)定：堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算可分為正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件,計(jì)算內(nèi)容應(yīng)符合表3的規(guī)定。

表3 堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算內(nèi)容

根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）[3],抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：正常運(yùn)用條件K≥1.10；非常運(yùn)用條件K≥1.05。

根據(jù)工程設(shè)計(jì),由于本工程全線樁號(hào)0+000～1+177.84段防洪堤臨水堤坡為1∶1.75,背水堤坡為1∶1.5,堤高均為0.5 m～3.23 m,因此抗滑穩(wěn)定可取堤高最高的斷面進(jìn)行計(jì)算,選擇樁號(hào)0+766.1處斷面作為坡式護(hù)岸典型斷面來(lái)進(jìn)行岸坡抗滑穩(wěn)定分析。護(hù)岸抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算采用瑞典圓弧滑動(dòng)法[4],其計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。計(jì)算軟件采用理正巖土6.0。

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；P為滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面方向的下滑力,kN；W3為基礎(chǔ)滑動(dòng)體的重量,kN；α為滑動(dòng)面與水平面的夾角,α2=26°、α3=22°；φ為基礎(chǔ)土的內(nèi)摩擦角,φ=20°。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 防護(hù)堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明：防護(hù)堤在各種運(yùn)用工況下,堤坡的最小安全系數(shù)均大于規(guī)范所規(guī)定的最小值,因此本文所設(shè)計(jì)的防洪堤的堤坡滿足抗滑穩(wěn)定要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)于保障工程區(qū)域內(nèi)的耕地正常生產(chǎn),保護(hù)人民的生命以及財(cái)產(chǎn)安全,確保灌溉、交通、通訊系統(tǒng)安全暢通,改善生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義,有著明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益。