艾力克塔木防洪工程堤防設計與有限元復核研究

吐爾遜江

（新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所，新疆烏魯木齊830000）

艾力克塔木防洪工程堤防設計與有限元復核研究

吐爾遜江

（新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所，新疆烏魯木齊830000）

結合艾力克塔木防洪段河道整治項目現狀工程布置情況，通過項目比選，確定采用混凝土板護砌邊坡護砌型式，防洪堤基礎采用槽孔混凝土連續墻，以達到止水隔水的目的，采用換填非凍脹土砂礫石和碎石作為抗凍處理措施。參照規范，計算堤防0+150斷面處浸潤線位置與滲透量，采用abaqus軟件模擬分析正常蓄水位下堤防滲流狀態，結果滿足規范要求。

防洪工程；堤防設計；護岸設計；方案比選

艾力克塔木段防洪堤工程為葉爾羌河中下游平原區的防洪工程建設的一部分，其存在河道淤積嚴重、總干渠部分段被洪水沖斷及沖毀、堤防欠高，破損嚴重等問題。急需對其進行工程整治[1-2]。

1 工程概況

艾力克塔木段防洪工程位于葉爾羌河流域的下游，在小海子水庫西南約25 km處。艾力克塔木位于巴楚縣境內，多年平均氣溫為11.7℃。最熱月為7月，月平均氣溫25.85℃；最冷月為元月，月平均氣溫-7.0℃。7～9月最大平均風速：17 m/s，屬于寒冷地區，最大凍土層深度70cm。根據保護對象艾力克塔木防洪堤為Ⅲ等中型工程，設防標準為20年一遇洪水，設計洪峰為670 m3/s。

2 堤線設計

艾力克塔木位于農三師小海子水庫西南約25 km處，防洪工程范圍根據《新疆葉爾羌河防洪規劃報告》從艾力克塔木渠首開始分為兩段，上段位于艾力克塔木渠首上游，葉爾羌河右岸342+000-352+140段，下段位于艾力克塔木渠首至小海子水庫南壩河道，總長35 km，保護對象為農三師前海總干渠、艾力克塔木渠首、小海子庫外渠、小海子水庫。提出以下兩種防洪堤軸線方案：

方案一：采用原防洪堤軸線，對局部彎道進行裁彎取直。

優點：此方案能夠因地制宜的充分利用現狀土堤，軸線較短為1010 m，能夠起到防洪堤壩的作用。

缺點：此段壩前和壩后均生長有較為茂密的植被（大多為胡楊），施工中必然破壞現狀植被；現狀土堤前填有大量多年沉積的臨時防洪材料，如：卵石鉛絲籠、卵石以及梢捆，基礎防沖設計局限性較大，就現行技術成熟的基礎防沖方法，僅鋼筋混凝土灌注樁防沖基礎可行；由于未改變壩軸線，河道寬度未發生變化，故河道行洪寬度與現狀一致（現狀河寬900～1050 m）；此方案施工期受洪水期的影響較大，洪水期不能施工，只能在河道非洪水期筑臨時導流堤進行搶修，施工排水費用高，容易造成施工質量缺陷。

方案二：平行原壩軸線，在原防洪堤外邊坡坡腳外30～50 m范圍內新建防洪堤。

優點：此方案少破壞原有河漫灘植被；水流條件較好，河道行洪寬度較方案一寬30～50 m；基礎防沖設計局限性較方案一小，鋼筋混凝土灌注樁基礎、槽孔混凝土基礎、水力插板基礎等均適合；施工期不受洪水期的限制，施工排水費用低，能保證工程施工質量。

缺點：壩軸線長1020 m，較方案一長10 m，防洪堤以大填方為主，土方工程量大（填方約7萬m3），采用混凝土灌注樁基礎工程造價較方案一高。

經比較，方案二可避開多年沉積的臨時防洪設施，不受洪水影響及施工場地限制。故以方案二作為防洪堤線的推薦方案。

3 堤防設計

3.1 堤防斷面設計

堤防頂高程以20年一遇洪水水位加風浪爬高和安全超高而定。堤頂超高計算公式如下：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）。選取典型斷面進行堤防超高計算，計算結果見表1。

對于堤防護砌形式擬采用混凝土板護砌邊坡，防洪堤基礎采用槽孔混凝土連續墻，并在墻前設置12 m長水平卵石格賓籠鋪蓋設計方案[3]。

表1 堤防堤防高程計算成果表

堤防邊坡采取現澆混凝土板護砌，根據《堤防工程設計規范》6.6.6條的要求混凝土板下設排水孔，孔徑取80 mm，排水孔間距3 m，呈梅花狀布置，排水孔后布置反濾。混凝土板下鋪設10 cm反濾層，再鋪設土工織物，布重200 g/m2。封頂寬度為0.50 m，厚10 cm，封頂板混凝土強度為C20，Ⅱ級配，抗凍等級為F150。護坡型式見圖1。

3.2 混凝土板厚度計算：

圖1 艾力克塔木防洪工程防洪堤堤防斷面圖

混凝土板厚度是采取《堤防工程設計規范》中D.3.3公式計算。

試中：T為混凝土護面板厚度，（m）；η為系數,對開縫板可取0.075，對上部為開縫板下部為閉縫板可取0.10，本設計采取上部開縫板，故η取0.075；H為計算波高，取H1%。計算出平均波高后，查《堤防工程設計規范》中C.1.3-1不同頻率波高換算表，計算結果見下表2：

表2 混凝土厚度計算成果表

計算出的混凝土板厚度偏薄，堤防受河水沖刷厲害，混凝土板厚根據經驗取20 cm。混凝土強度為C20，Ⅱ級配，抗滲等級為W6，抗凍等級為F150。

3.3 抗凍脹設計

項目區最大凍土深度為100 cm（2007年）。根據工程地質情況，筑堤土料主要為低液限粉土，有一定的凍脹性，需采取抗凍脹措施。依據《水工建筑物抗凍脹設計規范》SL211-2006進行抗凍脹設計。本次設計采用的抗凍脹措施為堤基換填措施[4]。

設計凍深是指天然地表或設計地面高程算起的凍結深度，可按《規范》公式進行計算：

式中：Zd為設計凍深，m；ψd為日照及遮蔭程度的修正系數，按式B. 1.1-2確定，ψw為地下水影響系數，按式B.1.1-3計算。ψi為典型斷面某部位的日照及遮蔭程度修正系數，查得為1.15。α為系數，據工程所在的氣候區，建筑物計算斷面軸線走向、斷面形狀及計算點位置可分別由《規范》表B.1.1-1查取，取值為0.69。β為系數，為0.63。Zwo為當地或鄰近氣象臺(站)的凍前地下水位深度(m)。Zwi為計算點的凍前地下水位深度(m)。計算結果見下表3。

表3 凍深計算成果表

經計算最大凍深為1.12 m。根據《規范》6.3.2條規定，凍深小于1.2 m的地區，防凍層厚度應大于0.6倍當地最大凍土深度（最大凍土深度100 cm）。本工程防凍換填層厚度取0.6 m，換填材料為非凍脹土砂礫石和碎石，滿足抗凍脹要求。

3.4 基礎防沖設計

基礎防沖設計為：槽孔混凝土防滲連續墻，并在墻前鋪設15 m長的水平鋪蓋進行壩基防沖。

槽孔混凝土防滲墻墻厚0.6～1.0 m，本次采用墻厚0.6 m的槽孔鋼筋混凝土防滲墻進行基礎防沖，槽孔混凝土砼強度等級為C25，Ⅱ級配，抗凍等級為F150,抗滲等級為W6，砼密度不宜小于2300 kg/m3。為保證槽孔混凝土防滲墻在洪水淘刷作用下的穩定性，在墻體迎水面拋格賓卵石籠增加其穩定性。卵石格賓籠技術指標：格賓石籠規格為長5×寬1×高0.6 m，鋪設兩層，用于制作格賓的鋼絲需厚鍍高爾凡（5%鋁鋅合金＋稀土元素）防腐處理，鍍層的粘附力要求：當鋼絲繞具有2倍鋼絲直徑的心軸6周時，用手指摩擦鋼絲，其不會剝落或開裂，符合EN10223～3標準；網面抗拉強度大于50 kN/m，符合EN10223-3標準；卵石短徑不小于120 mm[5]。見圖2。

4 滲流有限元計算分析

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0+150樁號斷面作為典型斷面進行核算。計算時采用迎水面為設計洪水、背水面無水工況進行計算。依據根據地質勘測報告，防洪堤壩體材料為粉質粘土，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，壩坡背水面按無排水設施情況分析。

圖2 防洪堤槽孔混凝土防滲連續墻結構斷面圖

浸潤線計算公式：

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4。

表4 堤防滲流計算成果表

本文采用Abaqus有限元軟件對正常蓄水位下堤防0+150樁號斷面進行非穩態滲流計算分析。非穩態分析是指地基的內部或外部的邊界條件隨時間發生變化的分析。非穩態分析和穩態分析的區別就在于邊界條件隨時間而變化，以及需要考慮體積含水率的影響。滲流計算基本微分方程為：

式中：Q為土單位體積上單位時間內的釋水量，Θ為體積含水率。計算結果見圖3～圖5.

圖30 +150斷面總水頭計算結果

圖40 +150斷面孔隙壓力水頭計算結果

圖50 +150斷面滲流流量計算結果

5 結論

本文對艾力克塔木段防洪工程存在的問題進行了分析。確定了艾力克塔木段防洪工程布置方案，通過方案比選對于堤防護砌形式擬采用混凝土板護砌邊坡，防洪堤基礎采用槽孔混凝土連續墻，并在墻前設置12m長水平卵石格賓籠鋪蓋設計方案，并計算得到了護砌混凝土板厚度。經計算最大凍深為1.12m，采用換填非凍脹土砂礫石和碎石，來滿足抗凍脹要求。采用規范推薦的方法計算了堤防浸潤線分布與滲透量，結果滿足規范要求。由于項目所在地區為新疆高寒地區，抗凍設計是否能達到實際要求還需要進一步檢驗。

[1]張家靈.生態堤防設計問題與原則分析[J].河南水利與南水北調, 2016,(01):21-22.

[2]張寅虎.護岸堤防設計計算分析實例探討[J].中國水運(下半月), 2015,(06):189-190+193.

[3]張曉佳.生態堤防設計的必要性及其原則分析[J].科技展望,2015, (13):245.

[4]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.

[5]朱三華,黎開志,劉飛.淺析生態堤防設計[J].人民珠江,2005,(S1): 17-18.

TV85

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1673-9000（2017）04-0090-03

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吐爾遜江（1974-），男，維吾爾族，新疆和田人，工學學士，工程師，主要從事水利工程與設計工作。