北安市東山澇區防洪工程設計方案分析

孫宇東

(北安市城郊鄉農村經濟技術服務中心，黑龍江北安164000)

1 工程概述

東山澇區位于北安市趙光鎮境內，烏裕爾河以南，轱轆滾河右岸的低洼易澇地塊，受洪澇農田266.7 hm2。

本次設計的澇區堤防工程處于轱轆滾河下游，基本沒有堤防和排水建筑物，澇區內有4條排水溝自然進入河道內。

現有河道彎曲嚴重，有4處河道坍塌嚴重，切割岸邊。規劃新建堤防工程采用20 a一遇的防洪標準，堤防工程及主要建筑物等級為4級。本地區地震動峰值加速度＜0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度值為＜Ⅵ度區，充需進行抗震計算。

根據現場測量資料，擬建堤防長度13.077 km，采用黏土填筑，新建穿堤涵閘4座，護岸4處總長602 m，迎水坡3+200－9+200處靠近主河槽，洪水流速較大，采用混凝土板護砌。

設計堤防斷面擬定原則為:滿足設計抗滑穩定和抗滲透穩定要求，有利于汛期防汛搶險的交通運輸，便于超標準洪水搶險度汛。根據該工程地質報告和堤坡穩定計算的最小安全系數，考慮堤防邊坡的穩定和堤基、堤身的滲透穩定，此次設計堤防頂寬采用4 m，堤防上下游邊坡采用1∶3。

2 堤防工程設計

2.1 堤頂高程計算

堤防高程按設計水位加堤防超高確定，通過推求堤防設計水面線確定各斷面設計水位［1］。轱轆滾河縱斷面和橫斷面圖采用2010年實測成果，設計流量采用本工程水文分析成果，河道大橫斷面共17個，從轱轆滾河入烏裕爾河河口下游CS17斷面起推至CS1斷面，按穩定非均勻流公式計算各斷面水位。河道糙率采取在實測的地形圖上量算各斷面主槽、灘地偏角以及斷面間的彎曲系數和調查到的1998年4個洪痕點，試算主槽糙率為0.032，灘地糙率為0.075。

本次轱轆滾河水面線推求長度共14.8 km，洪峰流量采用2%、5%、10%、20%和33.3%共5個設計頻率。根據斷面數據以及計算方法和參數，推求轱轆滾河現狀水面線及規劃設計水面線。確定堤頂高程時，先計算堤頂超高數值，堤頂超高計算公式為:

式中:R為設計波浪爬高，e為設計風壅水面高度，A為安全加高)。經計算按1.3 m考慮堤防超高。每個堤防斷面的堤頂高程為該斷面對應的設計洪水位加上超高1.3 m得相應斷面的堤頂高程。

2.2 堤防土料設計

堤防堤體填筑土低液限黏土。按工程地質勘察報告中提供料場，筑堤土料采用集中料場，地層巖性為低液限黏土，適于筑堤，填筑標準按壓實度確定，按《堤防工程設計規范》“在3級以下及低于6 m的3級堤防壓實度不應＜0.90”［2－3］。

地質報告所提供筑堤土料土粒相對密度2.72、滲透系數6.57×10－6cm/s。設計壓實干密度計算公式為:

式中:m為壓實系數，本次設計取0.90;βdmax為標準擊實試驗最大干密度。

筑堤土料標準擊實試驗最大干密度為1.59 g/cm3，經計算，堤防筑堤土料設計干密度取值為1.43 g/cm3。

2.3 滲流穩定計算分析

堤防主要筑堤土料為低液限黏土。根據地質報告，堤基為上薄黏性土下粗粒土組成的雙層結構地基［4－5］。選擇堤前水頭相對較高的典型斷面兩個，分別為5+500和9+900斷面，大部分堤防堤前水頭均在兩個斷面以下，各斷面代表基本資料見表1，2。

表1 堤防斷面特性表 m

表2 土基典型斷面滲透系數表 cm/s

表3 典型斷面滲流計算成果表

表4 浸潤線計算成果表

2.4 邊坡穩定計算分析

堤防穩定分析采用瑞典圓弧條分法，對均質土堤，在進行施工期的臨水、背水側堤坡和設計洪水位驟降期的臨水側堤坡計算時，采用不計條塊間作用力的總應力法，在設計洪水位下的穩定滲流期的背水側堤坡計算時，采用有效應力法，計算所采用土料物理力學指標，見表5。

表5 土料物理力學指標

根據《堤防設計規范》，4級堤防抗滑穩定安全系數正常運用條件≥1.15，非常運用條件≥1.05，由表6可見，堤防斷面上、下游堤坡抗滑安全系數均滿足抗滑穩定安全系數要求。

表6 典型斷面穩定分析安全系數成果表

3 涵閘設計

依據《灌溉與排水工程設計規范》的有關規定，在防洪堤上修建穿堤建筑物，其級別不得低于防洪堤級別，堤防為4級，主要建筑物為4級，相應防洪標準采用20 a一遇。

坡水區建筑物排水標準采用10 a一遇，平原區建筑物排水標準采用5 a一遇。按實測河段和排水干渠出口位置布設了4處穿堤涵閘，即1號、2號、3號及北河排水閘。

根據建筑物所在的地形、地質、進出口水流及堤防斷面等條件，本次設計穿堤建筑物均為自排涵閘。

排水涵閘由進口段、涵閘段及出口消能段組成。進口段由鋪蓋、鋼筋混凝土U型槽和鋼筋混凝土翼墻組成;鋪蓋采用0.3 m厚干砌石護砌，下設砂礫石15 cm、無紡布一層;涵閘段包括涵洞、閘室、啟閉排架及工作橋組成。

出口消能段包括消力池U型槽、出口翼墻、海漫段組成，海漫采用0.3 m厚干砌石護砌，下設砂礫石15 cm、無紡布一層，末端設防沖槽。為防止凍脹破壞，涵閘、進出口U型槽的兩側及翼墻的墻后均采用鋪設厚10 cm保溫板的防凍措施。

涵閘過流能力按其設計水位及其進出口高程對應關系，采用“灌區水工建筑物叢書”《涵洞》中的有關公式判別流態計算公式為:

式中:a為洞高;H為上游水深。

根據上述公式判別，本次設計的涵閘均為無壓流。

無壓流涵洞的過流能力計算公式為:

式中:σ為淹沒系數，當σ=1時為自由出流;當σ＜1時為淹沒出流;m為流量系數;bk為過流斷面計算寬度。

涵閘消力池長度:

式中:Lsj為消力池長度;Ls為消力池斜坡段水平投影長度;β為水躍長度校正系數，采用0.8;Lj為水躍長度。

涵閘海漫長度:

式中:Lp為海漫長度;qs為消力池末端單寬流量;Ks為海漫長度計算系數。

經計算，涵閘實際過流能力均大于設計流量，涵閘洞徑設計滿足要求。計算消力池段長度1號、2號、3號及北河閘分別為9.45 m、9.19 m、8.79 m、6.53 m，消力池深1號、2號、3號及北河閘分別為0.76 m、0.73 m、0.65 m、0.52 m，后接海漫段。

東山澇區堤防工程和穿堤排水涵閘工程是澇區防洪的骨干工程，既防洪保護農田又能有效解決澇區排內水出路，工程實施后效益顯著。

［1］綏化市水利水電勘測設計研究院隆順分院.黑龍江省北安市趙光鎮轱轆滾河堤防工程初步設計報告［R］.肇東市:綏化市水利水電勘測設計研究院隆順分院，2012.

［2］黑龍江省金利工程勘測設計有限公司.北安市東山澇區防洪工程測繪報告［R］.哈爾濱:黑龍江省金利工程勘測設計有限公司，2011.

［3］羅愛涓，武進軍.博河中下游防洪工程設計方案探討［J］.東西北水利水電，2010(05):05－06.

［4］田春玲，何淼.黃泥河1.7km防洪工程設計方案［J］.東北水利水電，2010(05):05－06.

［5］蔣宏英.益陽市城市防洪工程北大堤方案設計［J］.湖南水利水電，1999(04):06－07.