莎車縣先巴扎防洪工程堤防設計與復核計算

胥東

（新疆喀什第三師勘測設計院，新疆喀什844000）

莎車縣先巴扎防洪工程堤防設計與復核計算

胥東

（新疆喀什第三師勘測設計院，新疆喀什844000）

結合莎車縣先巴扎防洪工程概況，確定工程設計等級與防洪標準，計算得出，河道整治寬度為800 m，通過方案比選，確定防洪堤型式為沿現狀河岸線布置，堤線長度4.0 km。通過計算護腳沖刷深度與堤頂高程，給出堤防結構斷面圖，對堤防抗滑與滲流穩定進行復核，結果表明：上游壩坡最小安全系數為1.72，大于規范允許最小安全系數1.15，堤防邊坡抗滑計算結果滿足規范要求。

防洪工程；堤防設計；方案比選；穩定分析

葉爾羌河是一條洪水多發性河流，也是新疆境內洪峰流量最大的河流，實測最大洪峰流量6270 m3/s，由于其河源段大面積冰川的發育及冰川堰塞湖的存在，常有突發性洪水發生，而中下游平原地區現有的防洪工程設施簡陋，抗洪能力低，防汛任務很重，每年都要投入大量人力物力進行防洪，洪災損失大。為加強葉爾羌河中下游平原區的防洪工程建設，提高平原區的抗洪能力，相繼開展了葉爾羌河防洪規劃與工程設計工作。莎車縣先巴扎防洪工程被列入葉爾羌河防洪二期工程。

由于資金短缺，防洪工程部分段現狀采用梢木土壓壩，工程標準低，使用周期短，抗洪能力差。因先巴扎防洪段處于葉河大拐彎處，主流對位于凹岸的先巴扎防洪段淘刷非常嚴重，已威脅到依干其水庫安全，該水庫為中型水庫，一但決口將形成巨大的潰壩型洪水，威脅下游人民生命和財產安全。因此治理先巴扎防洪工程，己迫在眉睫。

1 工程布置方案設計

依據《防洪標準》（GB50201－94）有關規定[1]，根據防洪工程所保護的對象綜合考慮，先巴扎防洪工程防洪標準應為20年一遇，設計洪峰流量3626 m3/s。按照《堤防工程設計規范》GB50286-98表2-1-1的規定[2]，本堤防工程級別為4級。地震動峰值加速度0.10 g，確定本次工程建筑物抗震設計烈度為Ⅶ度。

1.1 河道整治寬度計算

先巴扎防洪工程90+750-92+250段現狀河道寬度為650~990 m。河道的整治寬度以阿爾圖寧公式計算：

式中：By為穩定水流寬度；A為系數一般取A＝0.9~1.1；Q為20年一遇（5%）設計洪峰流量3626 m3/s；J為此段河道平均縱坡為1/2532。

代入阿爾圖寧公式，可得By＝2.77×36260.5/(1/2532)0.2=799.93 m。此值與90+750-91+600段現狀河道寬度為800~990 m，與實際情況接近，該段穩定河段取800 m。

表1 穩定河寬計算及規劃整治河道寬度計算表

1.2 治導線的位置

確定合理的河床整治寬度，明確先巴扎防洪工程全段（90+750-94+750）的治導線的布置是本次工程的重要依據[3]。根據先巴扎防洪工程的具體情況，充分考慮規劃的防洪工程對上、下游的影響，左右岸的影響，對規劃防洪堤的治導線位置提出二個方案：

方案一：防洪堤沿現狀河岸線布置，堤線長度4.0 km；

方案二：為滿足河道行洪寬度要求，在現有河岸線的外側，距離現有河岸線50~320m布置新防洪堤堤線，堤線長度3.942 km。對上述方案進行方案比選，見表2。

本次初設分別對兩個方案主要工程做了投資概算，經經濟比較，方案一較方案二投資低1325.98萬元，僅征占耕地補償費1485.00萬元，方案一更為經濟。

通過以上綜合比選，并結合先把扎防洪工程的具體情況，充分考慮新建的防洪工程對上、下游及左、右岸的影響，推薦采用方案一：防洪堤沿現狀河岸線布置。本次防洪工程從先把扎防洪工程的始端（90+750處）開始向下游延伸1.5 km（92+250處）結束[4]。

表2 防洪堤的治導線位置方案比較表

1.3 工程總體布置

新建防洪堤總布置為：新建防洪堤沿現狀河岸線布置。本次設計防洪堤起點樁號90+750，終點樁號92+250，修建防洪堤長度1.5 km，其堤頂高程1211.83~1211.24 m。首端和末端設半徑21.875 m的半圓形裹頭與河岸相接，使之構成一個完整的防洪體系。

2 防洪工程主要建筑物形式及設計

2.1 堤防型式

針對先把扎斷面河道寬度、水文地質條件和多年的防洪經驗以及已建工程的運行情況，先把扎防洪工程考慮全段順壩的堤壩型式，順壩長1.5 km。確定壩體型式，首先需要計算順水流方向防洪堤沖刷深度，由于葉河兩邊灘地和河槽的糙率流速均不相同，應把斷面分成兩部分計算，使兩部分面積之和與原河道斷面面積相等。

順水流方向常遇洪水情況下防洪堤沖刷深度計算如下：

式中：hB為局部沖刷深度（m），從河床起算；hp為沖刷處的水深（m），以近似設計水位的最大深度代替；vcp為平均流速（m/s），vcp＝2.09 m/s；v允—河床面上允許不沖流速（m/s），v允＝0.89 m/s；n為系數，取0.25；計算結果見表3。

表3 水流斜沖護岸常遇洪水沖刷深度計算表

經以上計算得知，在水流平行于岸坡的計算沖刷深度為0.81 m，按彎道計算最大沖深值為3.7 m，當水流斜沖防洪岸坡的計算沖刷深度為5.55 m，根據近幾年堤壩實測最大沖刷深度，在水流斜沖防洪岸坡處的最大沖刷深度為6 m左右，理論計算比實際略小。本次順壩在水流斜沖防洪岸坡處的沖刷深度取6 m。本次項目設計布設順壩1.5 km，起點樁號為90+750，終點樁號為92+250。

2.2 堤防橫斷面設計

根據工程實測縱坡，先巴扎防洪工程自樁號90+750至92+250，全長1.5 km，水面線縱坡為1/2381，本次設計堤防工程縱坡與水面線縱坡一致為1/2381。

本次防洪工程設計，考慮堤頂作為防洪巡堤道路及防洪搶險時的交通道路，堤頂寬度設計為5 m，并鋪設0.25 m厚的砂礫石路面，在91+500處，設一個錯車平臺，錯車平臺長度為20 m，寬度為12 m。

堤頂高程由設計洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高計算采用《堤防工程設計規范》（GB50286-98）第6.3.1款中的計算公式：

式中：Y為堤頂超高(m)；R為設計波浪爬高(m)；e為設計風壅增水高度(m)；A為安全加高(m)，根據規范表2.2.1查得4級堤防安全加高為0.6 m。計算結果見表4。

表4 先巴扎防洪工程防洪堤堤頂設計高程表

堤防邊坡確定根據實際地質勘察試驗及實際確定。堤防沿線地層巖性主要為低液限粉土和粉細砂，地質部門建議防洪堤的內邊坡系數不小于l∶2.5，外邊坡系數不小于1∶2.0。本次設計內邊坡取1∶2.5，外邊坡取1∶2.0。堤防橫斷面結構圖見圖1[5]。

圖1堤防橫斷面結構圖

3 壩體滲流抗滑穩定計算分析

3.1 壩體滲流計算

根據《堤防工程設計規范》第8.1.1條規定，河堤、湖堤應進行滲流及滲透穩定計算。本次計算以先巴扎防洪工程90+800處斷面作為典型斷面進行核算。計算時采用上游為設計洪水、下游無水工況進行計算。依據根據地質勘測報告，防洪堤壩體材料為低液限粉土，壩基以下為細砂，屬透水層。故本次滲流計算按透水地基計算，壩坡下游按無排水設施情況分析[6]。

根據《堤防工程設計規范》附錄E.3可知，透水堤基均質土堤滲流量計算方法是將堤身和地基滲透量分開計算，總單位寬度滲流量q為兩者之和：

式中：qD為不透水地基上求得的相同排水型式的均質土堤單位寬度滲流量；T為地基的透水深度（m）；K0為地基滲透系數（m/s），k=6.19×10-4cm/s；L為水平距離，為14 m。通過與不透水地基均質土堤滲流量計算公式連立可以求得：h0=0.49 m，q=1.4×10-4m3/(s·m)，計算結果見表5。

浸潤線計算公式：

表5 堤防滲流穩定計算成果表

式中：h0為特征水深（m）；Te為地基的有效深度；浸潤線各點坐標按以上公式計算，計算結果見表5。可以看出滲流作用下堤體穩定，滿足規范要求。

3.2 壩體抗滑穩定計算

根據本區段堤防斷面的特點及滲流計算成果，按《堤防工程設計規范》（GB50286－2013）的要求，本堤防的穩定計算考慮以下三種工況：

（1）設計洪水位下穩定滲流時背水側堤坡抗滑穩定（設計洪水位）；

（2）設計水位驟降時的臨水側堤坡抗滑穩定（設計洪水位驟降至堤腳無水）；

（3）施工期的上、下游壩坡；

（4）地震工況下背水側堤坡抗滑穩定（設計洪水位+地震）。

對應滲流計算成果，選取滲流計算斷面進行穩定分析。穩定計算，采用《理正邊坡穩定分析軟件》進行穩定分析計算。計算采用有限元邊坡穩定分析理論，運用瑞典圓弧法計算堤防邊坡穩定的安全系數，計算結果見表6。

表6 防洪堤抗滑穩定計算表

從壩坡穩定計算結果可以看出：上游壩坡最小安全系數為1.72，大于規范允許最小安全系數1.15，因此，可以看出堤防邊坡抗滑計算結果滿足規范要求。

4 結論

本文結合莎車縣先巴扎防洪工程，采用阿爾圖寧公式計算得到穩定河段長800 m，通過方案比選采用防洪堤沿現狀河岸線布置型式，確定了堤防工程的工程等級，通過計算設計水面線，堤頂高程與坡腳局部沖刷深度，結合筑堤材料選取與上下游情況，給出了莎車縣先巴扎防洪工程堤防斷面形式。并對該堤防進行了滲透穩定與抗滑計算分析，計算結果滿足規范要求。后續還需要對堤防護腳等進行細部設計，同時本文采用公式法計算滲流穩定，方法較為簡單，還需采用理正水利分析軟件等計算工具進一步驗證結果的合理性。

[1]GB 50201-94，防洪標準[S].

[2]GB 50286-2013，堤防工程設計規范[S].

[3]李自榮.堤防設計中堤基設防深度探討[J].水利科技與經濟,2014, (09):99-100.

[4]趙廣建.澤州縣長河河道治理工程堤防設計分析[J].科技創新與應用,2013,(17):176-177.

[5]曹駿.貴州省錦屏縣城區河道治理親水型堤防設計[J].人民長江, 2012,(18):50-52.

[6]伍元,范子武,姜樹海.河道堤防設計高程的概率設計和風險校核方法[J].中國農村水利水電,2005,(04):14-17.

TV85

C

1673-9000（2017）03-0081-03

2017-02-17

胥東（1982-），男，四川蓬溪人，工程師，主要從事水利工程設計工作。