淺析陜西省漢中市漢臺(tái)區(qū)漢江干流堤防工程設(shè)計(jì)

寇柏瑩

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

淺析陜西省漢中市漢臺(tái)區(qū)漢江干流堤防工程設(shè)計(jì)

寇柏瑩

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

本文結(jié)合漢中市漢臺(tái)區(qū)漢江河道實(shí)際情況通過(guò)對(duì)堤頂超高、橫斷面型式、筑堤材料選擇與土堤填筑標(biāo)準(zhǔn)、護(hù)坡形式、沖刷計(jì)算及基礎(chǔ)埋深、堤頂結(jié)構(gòu)以及滲流穩(wěn)定計(jì)算等方面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，從而完成干流堤防工程設(shè)計(jì)，可為類(lèi)似案例提供借鑒。

漢江干流；堤防工程；滲流穩(wěn)定計(jì)算；方案設(shè)計(jì)

1　概況

漢江干流堤防工程所屬漢臺(tái)區(qū)位于漢中盆地中部，北依秦嶺，南臨漢江，東與城固縣接墻，西迄褒河與勉縣為鄰，北倚秦嶺與留壩縣邊界，南止?jié)h江與南鄭縣隔河相望，南北長(zhǎng)37km，東西長(zhǎng)約23km。漢臺(tái)區(qū)歷史悠久，文化燦爛，今為漢中市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，交通方便，人口稠密，是國(guó)家級(jí)歷史文化名城、全國(guó)優(yōu)秀旅游城市。全區(qū)轄7鎮(zhèn)2鄉(xiāng)7個(gè)街道辦事處，人口54萬(wàn)人，總面積556km2。

漢臺(tái)區(qū)現(xiàn)狀干流堤防主要為漢江左岸褒河口到洪溝河之間的河段，本次治理河段為褒河口至沙沿溝口及漢江橋閘至洪溝河口進(jìn)行整治（城固分界），治理河段長(zhǎng)21.83km。工程總體布置以構(gòu)筑堤防為主線，充分利用已成堤防及天然節(jié)點(diǎn)，對(duì)少數(shù)惡化河勢(shì)，堤距過(guò)窄，影響上下游行洪安全的堤段予以拆除改建，加高培厚低標(biāo)準(zhǔn)堤防，新修部分堤防及護(hù)岸工程。

干流防護(hù)工程全長(zhǎng)21.83km，堤防工程長(zhǎng)21.58km，根據(jù)治理范圍、防洪標(biāo)準(zhǔn)及堤防型式劃分為7段：褒河～沙沿溝加高培厚段長(zhǎng)5.36km、漢江橋閘～文廟溝加高培厚段長(zhǎng)5.92km、文廟溝～普陀加高培厚段長(zhǎng)0.76km、普陀～楊庵新修護(hù)岸段長(zhǎng)2km、楊庵～鋪鎮(zhèn)干溝加高培厚長(zhǎng)5.48km、鋪鎮(zhèn)干溝～烏沙渠加高培厚段長(zhǎng)1.77km、烏沙渠～洪溝河加高培厚段長(zhǎng)0.28km。加高培厚堤防總長(zhǎng)19.58km，護(hù)岸總長(zhǎng)2.0km。［1］

2　堤頂超高計(jì)算確定

設(shè)計(jì)堤頂高程按設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高確定。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-98），堤頂超高的計(jì)算公式如下：

式中:Y——堤頂超高（m）；

R——設(shè)計(jì)波浪爬高（m）；

e——設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度（m）；

A——安全加高（m），1級(jí)堤防1.0m，2級(jí)堤防0.8m，4級(jí)堤防0.6m。

經(jīng)分析計(jì)算，1、2級(jí)堤防計(jì)算堤頂超高1.91m～1.93m，設(shè)計(jì)堤頂超高2.0m；4級(jí)堤防計(jì)算堤頂超高1.64m，設(shè)計(jì)堤頂超高1.6m。

3　干流堤防堤身設(shè)計(jì)

3.1橫斷面型式

按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-98）要求，結(jié)合現(xiàn)狀堤防斷面，本著因地制宜的原則，治理段堤防斷面型式推薦采用梯形斷面。初擬城區(qū)段堤防堤頂寬8m，農(nóng)防段堤防堤頂寬5m。加高培厚堤防迎水坡和背水坡設(shè)計(jì)坡比1∶2.5，新修護(hù)岸臨水坡設(shè)計(jì)坡比1∶2。當(dāng)?shù)谭栏叨瘸^(guò)6m時(shí)，在背水坡距堤頂6m處設(shè)1.5m寬的戧臺(tái)。

3.2筑堤材料選擇與土堤填筑標(biāo)準(zhǔn)

漢江兩岸堤線均布置在一級(jí)階地和河漫灘上，本次根據(jù)就近取材原則，堤防填筑材料主要以砂礫料為主。

砂礫料河漫灘儲(chǔ)量豐富，填筑砂礫料的質(zhì)量指標(biāo)除滲透系數(shù)偏大外，其余各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足規(guī)范要求。

按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及堤防級(jí)別確定填筑標(biāo)準(zhǔn)為：1、2級(jí)和高度超過(guò)6m的3級(jí)堤防不應(yīng)小于0.65，低于6m的3級(jí)及3級(jí)以下堤防的相對(duì)密度不小于0.60。

3.3護(hù)坡形式

本工程設(shè)計(jì)洪水情況下斷面流速為2.0 m/s～4.0m/s，超過(guò)了堤身填筑材料和岸坎地質(zhì)巖性的允許沖刷流速，必須進(jìn)行砌護(hù)處理。對(duì)于護(hù)坡材料，目前廣泛使用的有現(xiàn)澆砼、六邊形砼預(yù)制塊、漿砌石等剛性護(hù)坡材料，格賓網(wǎng)墊、干砌塊石、鋼筋混凝土聯(lián)鎖板、多孔質(zhì)生態(tài)砼護(hù)坡等生態(tài)性柔性防護(hù)材料。

經(jīng)過(guò)對(duì)各護(hù)坡材料適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)綜合分析比較，堤防工程護(hù)坡材料選擇如下：對(duì)于遠(yuǎn)離石料場(chǎng)的中心（主）城區(qū)采用5cm厚M7.5水泥砂漿砌六邊形C25砼預(yù)制塊，次城區(qū)及工業(yè)園區(qū)采用15cm厚現(xiàn)澆C20砼；對(duì)于距離石料場(chǎng)較近的農(nóng)防及支流匯入口堤防采用厚度30cm干砌石加漿砌石肋帶護(hù)坡。堤防背水坡均采用草皮護(hù)坡。

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果，對(duì)于外岸處于低洼地段，外岸地面高程和內(nèi)岸地面基本接近的堤段，外岸坡腳高2.0m范圍內(nèi)設(shè)有貼坡排水，以防止發(fā)生流土破壞。

3.4沖刷計(jì)算及基礎(chǔ)埋深

3.4.1沖刷計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286—98中6.8.4條規(guī)定，基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)滿足抗沖刷和凍結(jié)深度的要求。沖刷計(jì)算工況有水流平行岸坡和水流斜沖防護(hù)堤坡兩種情況。水流平行岸坡的沖刷一般發(fā)生在兩個(gè)彎道之間的過(guò)渡段或半徑很大的微彎河段，水流斜沖岸坡的沖刷一般發(fā)生在彎道的凹岸、水流頂沖段，淘刷一般較為嚴(yán)重。因此，河道沖刷深度計(jì)算應(yīng)分水流平行岸坡方向和水流斜沖岸坡段兩種類(lèi)型進(jìn)行計(jì)算。［1］

1）水流平行于岸坡的沖刷深度計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286—98）附錄D.2公式D.2.2—1對(duì)水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷進(jìn)行計(jì)算：

式中：hB—局部沖刷深度（m），從水面算起；

hp—沖刷處的水深（m），以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替；

Vcp—平均流速（m/s）；

V允—河床面上允許不沖流速（m/s）；砂卵石1.0m/s、砂礫石0.8m/s；

n—與防護(hù)堤坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4。

2）水流斜沖岸坡段的沖刷深度計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286—98）附錄D.2公式D.2.2—2對(duì)水流斜沖岸坡產(chǎn)生的沖刷進(jìn)行計(jì)算：

式中：Δhp——從河低算起的局部沖深（m）；

α——水流流向與岸坡交角（度）；

m——防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)；

d——坡腳處土壤的計(jì)算粒徑（m）；Vj——水流的局部沖刷流速（m/s）。

根據(jù)上述兩個(gè)公式，結(jié)合該段堤防工程布置，水流平行于岸坡方向及水流斜沖段沖刷深計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-1。從計(jì)算結(jié)果，根據(jù)河床地質(zhì)情況確定合理的基礎(chǔ)埋深。

3.4.2基礎(chǔ)型式及埋深

根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果，結(jié)合調(diào)查和了解的工程所在處河道沖刷深度，并考慮基礎(chǔ)施工、河道淘刷、工程造價(jià)及漢江干支流已成堤防護(hù)腳運(yùn)用情況等，基礎(chǔ)埋置深度按照水流平順段、凸岸段，凹岸有護(hù)基壩段、凹岸無(wú)護(hù)基壩段四種工況確定。結(jié)合沖刷計(jì)算成果、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況及《堤防工程規(guī)范》要求，水流平順段基礎(chǔ)底以位于灘面以下3m并不高于深弘控制，凸岸段以位于灘面以下3m控制，凹岸有護(hù)基壩段基礎(chǔ)底與深弘齊平，凹岸無(wú)護(hù)基壩段基礎(chǔ)底位于深弘以下2m。城防及工業(yè)園區(qū)多數(shù)為砼（現(xiàn)澆或預(yù)制）護(hù)坡，采用現(xiàn)澆C15砼或格賓籠石淺基礎(chǔ)或鋼筋籠護(hù)腳；農(nóng)防段大多為干砌石護(hù)坡，采用漿砌石或格賓籠石淺基礎(chǔ)護(hù)腳。

3.5堤頂結(jié)構(gòu)

根據(jù)河道防汛、工程管理及施工要求，結(jié)合漢中市城市總體規(guī)劃和沿江工業(yè)園區(qū)及重要集鎮(zhèn)規(guī)劃，并考慮現(xiàn)狀堤防堤頂寬度和工程段實(shí)際情況、現(xiàn)狀交通條件、堤防級(jí)別和投資情況確定，確定干流一、二級(jí)堤防堤頂寬8m，其中C25砼路面寬6.5m，人行道寬1.5m；四級(jí)堤防堤頂寬5m。城區(qū)及工業(yè)園區(qū)堤頂部路面均采用厚20cmC25砼硬化、下鋪15cm厚碎石墊層；干流農(nóng)防段及支流段堤頂部采用20cm厚泥結(jié)石路面。

4　滲流穩(wěn)定計(jì)算

4.1滲流計(jì)算

4.1.1斷面選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及地質(zhì)勘察成果，以地質(zhì)地貌單元及現(xiàn)狀堤岸特點(diǎn)，本次治理范圍內(nèi)，共選擇代表性斷面4處。

4.1.2滲流計(jì)算

根據(jù)“81.8”、“90.7”等歷史洪水特點(diǎn)，漢江洪水具有全流域降雨、洪水歷時(shí)長(zhǎng)、以復(fù)式洪峰為主等特點(diǎn)。同時(shí)，漢江已成堤防筑堤料系多次加高培厚，人工堆填形成，密實(shí)度低，加高培厚沙礫石滲透系數(shù)為10～2量級(jí)，透水性強(qiáng)，在背水坡坡腳出現(xiàn)時(shí)間不足2天，而以“81.8”為代表的洪水過(guò)程持續(xù)時(shí)間一般為10天，結(jié)合《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E.1.2關(guān)于大江大湖或中小河湖重要堤段應(yīng)按穩(wěn)定滲流計(jì)算的要求，本次按穩(wěn)定滲流計(jì)算背水坡，計(jì)算工況為：臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)無(wú)水。［2］

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E.6.1判斷，臨水側(cè)水位降落時(shí)，堤身浸潤(rùn)線下降為緩降狀況，故需計(jì)算降落期堤身浸潤(rùn)線。滲流計(jì)算采用土石壩軟件包推薦的《土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計(jì)算程序》。

根據(jù)計(jì)算，各斷面堤身及堤基均滿足滲透穩(wěn)定要求。但存在部分背水坡滲流溢出段，出溢比降不能滿足要求，在滿足抗滑穩(wěn)定情況下，擬在堤防背水坡設(shè)置貼坡排水，其頂部高于出溢點(diǎn)0.5m，使其滿足滲透穩(wěn)定。

4.2穩(wěn)定計(jì)算

漢江堤防遭遇大洪水機(jī)率較小，高水位運(yùn)行時(shí)間短，且工程區(qū)不滿足抗震設(shè)計(jì)要求，堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算只考慮正常運(yùn)用情況，即迎水坡水位驟降期和背水側(cè)穩(wěn)定滲流兩種工況。計(jì)算采用（《土石壩設(shè)計(jì)軟件包》）stab程序，該程序采用瑞典圓弧法，計(jì)算公式采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄F公式。通過(guò)土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算，在正常運(yùn)用情況下，各個(gè)斷面的安全系數(shù)均符合規(guī)范要求，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)擬定的斷面型式是合理的。

5　結(jié)語(yǔ)

漢臺(tái)區(qū)漢江干流堤防工程是漢江防洪工程的重要組成部分，設(shè)計(jì)者應(yīng)按照堤防工程設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求，在確保防洪安全的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程區(qū)河勢(shì)特點(diǎn)及城市總體規(guī)劃，考慮工程實(shí)施難易程度、運(yùn)行管理、工程投資等各方面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，從而得出合理乃至最佳的設(shè)計(jì)成果。陜西水利

［1］陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院《陜西省漢臺(tái)區(qū)漢江干流防洪可行性研究報(bào)告》［R］.

［2］陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院《陜西省漢江綜合整治干流防洪工程規(guī)劃實(shí)施方案》［R］.

（責(zé)任編輯：唐紅云）

表3-1　堤岸沖刷深度計(jì)算成果表

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