略陽縣大石灣村河堤建設方案分析

趙金龍

(略陽縣水利工程管理服務中心，陜西 漢中 724300)

1 概 況

略陽縣郭鎮大石灣村道河組河堤工程位于樂素河右岸，其右岸居住農戶100余人，河岸為河灘土石坡坎，無防洪設施。樂素河流域屬北亞熱帶半濕潤季風氣候區，受西南暖濕氣流影響，氣候溫和，雨量充沛，多年平均降水量860 mm。由于山高坡陡，砂金的開采，致使部分河段河床淤積嚴重，泥石流頻發，嚴重威脅到當地村民的生命財產安全，為此，略陽縣水利局規劃在樂素河右岸修建河堤工程。根據建設要求及資金情況，結合現場勘察、調查，擬建河堤上游接右岸高坎坡處、下游接高地處，形成封閉區域，規劃布置河堤全長296.6 m，以確保大石灣村道河組的防洪安全。

2 河道洪水分析

樂素河郭鎮大石灣段以上流域面積81 km2，河道長13.5 km。該流域屬無實測水文資料地區，本次設計洪水分析計算擬采用《漢中地區實用水文手冊》(以下簡稱《水文手冊》)中推薦的經驗公式法和暴雨資料推求法進行計算。

2.1 經驗公式法推求設計洪水

依據《水文手冊》提供的計算洪峰流量經驗公式計算。

Qp=CpFn

(1)

式中：Qp為頻率為p的洪峰流量，m3/s；F為工程河段末端流域面積，km2；Cp、n為頻率為p的經驗參數，查得指數n取值0.705。

2.2 推理公式法推求設計洪水

由暴雨推求設計洪水，采用《水文手冊》所提供的暴雨成果和產匯流計算方法計算。

(1)設計暴雨計算。由《水文手冊》查得各歷時點面系數的參數at、bt，經計算各歷時點面系數及面雨量計算成果見表1。

表1 暴雨點面系數及面雨量計算成果表

從《水文手冊》中查得12 h概化雨型，設計凈雨按蓄滿產流概念計算，根據暴雨相似區分區圖，最大蓄水量為82.0 mm，前期影響雨量為54.7 mm，潛流量占產流總量的20%，按產流時段平均扣除即推求出設計凈雨過程，計算出不同頻率下的設計凈雨結果。

(2)設計洪水的計算。依據基本公式：

(2)

(3)

假設Qm，并將m、L、J值代入計算公式，經計算m=0.6123，計算得Qm～τ關系曲線見表2。

表2 Qm～τ曲線計算表

2.3 成果分析與比選

將經驗公式法和推理公式法計算的設計河段末端斷面處設計洪峰流量，列表分析比較，見表3。

表3 不同方法計算的洪峰流量對比表

從表3計算結果可見，經驗公式法和推理公式法計算的洪峰流量結果相差不大。兩種方法計算結果顯示，地區經驗公式法稍小一些，推理公式法較大，經驗公式雖具有形式簡單，計算方便等優點，但對洪水形成的復雜成因，只考慮了較為主要的因素，加之在地區綜合過程中的代表性問題，使計算成果容易出現偶然性誤差。《水文手冊》中的暴雨成果是依據1954—1983年間的實測暴雨、洪水資料分析綜合求得，期間豐、平、枯所占比例相當，代表性較好，各種成果又經綜合平衡及合理性檢查，基礎可靠，使成果具有一定的代表性和實用性。缺點為資料年限太短，最近的資料距現已有34 a，不能代表近30 a情況。同時推理公式法計算洪峰流量較大，為工程安全起見，應選用大值。綜合分析本次堤防設計洪水成果，即20 a一遇洪峰流量為405 m3/s。

3 堤防建設方案分析

3.1 堤線布置及河寬

利用實測的工程區1/1000地形圖，結合河道走勢，該段堤防在平面上基本呈線性。其中樁號右0+000～右0+068.8為直線段，樁號右0+068.8～右0+188.6為圓弧段，接吊橋右岸橋墩上游，樁號右0+188.6～右0+255.8為圓弧段，樁號右0+255.8～右0+296.6為直線段，起點接吊橋右岸橋墩下游，終點接下游高地處形成封閉區域。

根據現場實地測量,上游已成堤防及下游已成堤防最小行洪寬度為29.7 m,本次堤防工程修建后,行洪寬度為29.7～33.5 m,大于現狀最小行洪寬度,故設計堤距滿足行洪寬度要求。

3.2 堤防結構形式

設計河段溝道狹窄，為保障大石灣村道河組居民的防洪安全，本次采用衡重式擋土墻，占地面積小，遇超標準洪水對堤身影響不大。

3.3 堤頂高程

大石灣村設計河段堤為4級堤防，不允許越浪安全加高值為0.6 m。波浪的風速為16 m/s，風區長度為20 m，水域平均水深2.7 m，斜坡的糙率及滲透性系數為0.8，經驗系數為1.0，爬高累積頻率換算系數為2.07，經計算，堤頂超高0.784 m，出于安全考慮，超高采用值0.8 m。本次堤頂高程按照設計洪水位加堤頂超高值確定，確定河堤堤頂高程為1067.95 m。

3.4 堤身構造

本次設計新建衡重式堤防長度296.6 m，M7.5漿砌石砌筑，堤頂為M10砂漿抹面，其余外露表面用M10砂漿勾縫，墻高6.41～6.78 m，墻頂寬0.60 m，臨水面坡比1∶0.25，墻頂以下坡比1∶0.30，再以下坡比1∶0.25；基礎采用C15混凝土澆筑，底寬2.27 m，墻趾寬0.30 m，墻趾高0.50 m。為排除洪水期堤后積水，保證堤身的正常使用，沿墻高設Φ75 mm UPVC排水孔兩排，上排距墻頂0.80 m，下排高出枯水位0.50 m，間排距2.00 m，墻背排水孔設反濾層，分別為15 cm的卵礫石20～100 mm、5 cm的細礫石2～20 mm，以及5 cm粗砂0.5～2.0 mm。堤身設置變形縫，縫距15 m，縫寬2 cm，采用聚乙烯泡沫板填充。根據本工程的地質情況，墻背采用砂卵石回填，輔料厚度控制在30～50 cm之間，相對密度不小于0.6。

4 堤防安全性分析

4.1 沖刷分析

工程河段設計的堤防基礎位于河道平行段或凹岸段，基礎的埋深應根據河床沖刷深度、安全埋深、河道深泓線及地質條件綜合分析確定堤岸沿線不同堤段的基礎埋設深度。沖刷深度依據《堤防工程設計規范》[1](GB 50286—2013)附錄D中的公式計算：

(4)

(5)

(6)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；n與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡夾角α查表D.2.2；d50為河床的中值粒徑，m；Uc為泥沙起動流速，m/s，對于卵石河床采用長江科學院起動公式計算；rs、r為泥沙與水的容重，kN/m3。

根據上述公式，結合設計堤段工程布置，沖刷計算結果見表4。

表4 堤防沖刷深度計算結果表

本段堤防工程基本處于順直段，根據計算結果，結合現場實際地形情況、上下游已建堤防基礎埋深情況，同時按照規范要求，堤防埋深不應低于計算沖刷深度0.5 m確定埋置深度，故綜合確定堤防基礎深度右0+000.0～右0+296.6段基礎高程為1061.40～1058.55 m，埋置深度2.5 m。根據工程布置，堤防基礎采用C15混凝土，底寬2.27 m，墻趾寬0.3 m，墻趾高0.5 m。

4.2 堤防穩定性分析

經選擇，右0+127.2斷面為控制斷面，分析其結構穩定性。堤后回填碎石土內摩擦角水上32°，水下30°，河堤背摩擦角16°；天然容重19.5 kN/m3、土容重9.5 kN/m3、水容重10 kN/m3、河堤容重23 kN/m3；根據《中國地震動參數區劃圖》[2](GB 18306—2015)，工程區地震動峰值加速度為0.15 g，相應地震基本烈度為Ⅶ度；地基允許承載力為250 kPa。

依據《水工擋土墻設計規范》[3](SL 379—2007)第5.1.1條要求，作用在防護墻上的荷載組合分為基本組合和特殊組合兩種。設計樂素河堤防完建時基本荷載組合有：堤防自重、填土重、靜水壓力、浮托力、土壓力。洪水位情況時作用在堤防上的荷載有：墻背水壓力、墻前水壓力、土壓力、浮托力、滲透力、淤砂壓力等荷載。見圖1。

圖1 擋土墻穩定計算簡圖

依據規范SL 379—2007第5.1節，經計算分析作用在擋墻上的荷載分為基本荷載和特殊荷載。經計算，土質地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數完建情況為1.45，設計洪水位為1.39，地震時為1.39，大于基本組合時安全系數1.2和特殊情況的安全系數1.0。抗傾穩定安全系數完建情況為2.65，設計洪水位為2.09，地震時為1.76，均大于基本組合時安全系數1.45和特殊情況的安全系數1.35,經計算，其所擬定的堤防結構是安全的。

利用材料力學法，依據規范SL 379—2007附錄C公式計算代表斷面堤體基礎截面正應力。計算出完建情況時最大堤基允許承載力165.7 kPa，最小堤基允許承載力98.6 kPa，設計洪水位情況時最大堤基允許承載力146.8 kPa，最小堤基允許承載力36.3 kPa，均小于堤基允許承載力250 kPa；堤身中部未出現拉應力，壓應力和剪應力均小于允許值。

5 結 論

根據略陽縣大石灣村道河組防洪目標需要，在分析當地樂素河洪水量級的基礎上，結合現場勘察、調查，擬建河堤上游接右岸高處坎坡、下游接高地處，規劃布置河堤全長296.6 m，形成封閉區域，防護河堤按20 a一遇防洪標準進行建設。經分析，堤防抗滑、抗傾安全系數符合標準，滿足防洪需要，工程建成后具有較大的經濟效益和社會效益，使居民的防洪安全得到有力保護。