九江市柴桑區(qū)城市防洪綜合治理工程淺析

胡少文

(江西省九江市柴桑區(qū)水利局，江西 九江 332100)

1 概 述

工程布置九江縣(2017年更名為柴桑區(qū))是鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分，是鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)38個(gè)重點(diǎn)發(fā)展縣之一。九江縣位于江西省北部，長(zhǎng)江中游南岸。東倚廬山，南鄰星子、德安，西接瑞昌，北與湖北黃梅、安徽宿松隔江相望，中插九江市區(qū)，使縣境分成東西兩部。2010年末全縣總?cè)丝跒?26237人，其中城鎮(zhèn)人口77038人，鄉(xiāng)村人口249199人。長(zhǎng)期以來(lái)由于河道堵塞，缺乏有效的治理和維護(hù)，遇到不利的自然條件，反而造成市區(qū)洪水淹沒(méi)等災(zāi)害。豐富的水資源沒(méi)有得到有效利用。

本次設(shè)計(jì)受九江縣項(xiàng)目辦委托，于2012年2月對(duì)九江縣城市防洪綜合治理項(xiàng)目進(jìn)行了可性研究階段的設(shè)計(jì)，完善九江縣城區(qū)的防洪治澇體系。

2 水 文

2.1 流域概況

沙河是長(zhǎng)江的一級(jí)支流，發(fā)源于九江市廬山仰天枰北風(fēng)口頂。河源位于E115°57′，N29°32′，由東南向西北方向，經(jīng)廬山林場(chǎng)黃龍庵、龍溪寺、紅花嶺、馬鞍山進(jìn)入沙河街，然后到達(dá)九江縣青山嘴七里湖，進(jìn)入八里湖，河口位于E115°55′，N29°39′。流域地形東南高西北低，河道較順直，水流甚急，幾乎成瀑布狀，中下游地勢(shì)漸趨平坦，為低丘崗地。上游河面寬小余40m，中下游河面寬40-80m，河床較穩(wěn)定。

2.2 氣象

九江縣地處江西省北部，屬中亞熱帶向北亞熱帶的過(guò)渡區(qū)，氣候溫濕，四季分明，雨量豐沛，光照充足。年平均氣溫11.5℃，歷史最高氣溫是32.0℃，最低氣溫是-16.8℃；年平均蒸發(fā)量944.2mm，年平均相對(duì)濕度78%，其中7月份蒸發(fā)量最大，約占全年15%左右。多年平均風(fēng)速為5.0m/s，多年平均最大風(fēng)速為 25.9m/s，歷年最大風(fēng)速29.3m/s，風(fēng)向多為ENE。多年平均降水量為1947.9mm，年最大降雨量是3034.8mm，最小降雨量是1181.7mm。年降水量分布不均，降水量年際變化也較大。年日照時(shí)數(shù)1879h，年無(wú)霜期226-297d，多年平均262d。

3 工程任務(wù)與規(guī)模

工程建設(shè)的目標(biāo)是：通過(guò)對(duì)沙河干、支流防洪堤的興建，使九江縣縣城城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到20a一遇，興建防洪堤總長(zhǎng)2.466km；根據(jù)“導(dǎo)排、抽排”相結(jié)合的治理原則，沙河干流上布置3座自排涵閘，沙河支流上拆除重建1座自排涵閘等治澇體系，構(gòu)建完善的防洪治澇體系；提升生物多樣性保護(hù)水平；推進(jìn)項(xiàng)目地社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；建設(shè)沙河的堤頂交通公路，保障區(qū)域交通的有序通行[1]。

工程實(shí)施后，圩堤能防御沙河20a一遇洪水位。工程建設(shè)的主要任務(wù)是：

1)新建長(zhǎng)5.0km防洪堤及堤頂交通公路。

2)對(duì)堤基薄弱段進(jìn)行防滲處理。

3)對(duì)迎流頂沖堤段進(jìn)行護(hù)坡、護(hù)岸，對(duì)塌岸險(xiǎn)段進(jìn)行加固。

4)新建(改建)4座自排控制閘。

5)完善必要的工程管理設(shè)施。

工程建設(shè)的規(guī)模為：新建土堤2.8km，混凝土防洪墻2.2km，預(yù)制混凝土塊護(hù)坡2.8km，草皮護(hù)坡2.8km，自排涵閘4座，堤頂混凝土交通公路(含防汛公路)5.0km。

4 防洪工程

4.1 防洪總體布置及防洪堤線路選擇

1)防洪總體布置：

本次設(shè)計(jì)根據(jù)《九江縣城市防洪綜合治理工程項(xiàng)目建議書(shū)》完善沙河流域九江縣城區(qū)防洪體系，興建(加固)水泥廠橋至楊家門橋段(沙河干流段樁號(hào)0+000-1+406)及新城村至沙河干、支流匯合口段(沙河支流段樁號(hào)0+000-1+006)兩岸防洪堤，以使項(xiàng)目區(qū)內(nèi)河道兩側(cè)免受洪澇災(zāi)害，兩段防洪堤總長(zhǎng)2.466km。

2)堤防線路及堤距選擇：

本工程堤線是結(jié)合本段防洪堤的地形條件和現(xiàn)有堤防位置，并根據(jù)本段防洪堤的保護(hù)范圍和主要保護(hù)對(duì)象來(lái)布置，堅(jiān)決按照不縮窄現(xiàn)有河道、不抬高河床的現(xiàn)狀水位來(lái)要求進(jìn)行，盡量利用原有堤防，并結(jié)合上下游、左右岸、河道要素縱橫斷面及水力、河流特性等要素，使堤線盡可能順滑，房屋拆遷少。

水泥廠橋以下沙河沿岸基本上是城區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)需要自行堆積而成，基本上沒(méi)有其他防洪設(shè)施。堤頂(岸頂)高程與堤內(nèi)地面高程基本一致，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低。本次設(shè)計(jì)堤線布置基本上沿現(xiàn)狀岸線布置，為盡量降低施工導(dǎo)流的難度，堤線離現(xiàn)狀岸線向后退10-20m；在確保河床水位不被抬高的情況下，平順布置堤線。綜合考慮以上因素，水泥廠橋至楊家門橋段沙河干流及新城村至沙河干、支流匯合口段沙河支流防洪堤線布置如下：

4.2 水面線計(jì)算

由于天然河道橫斷面極其不規(guī)則，底坡變化大，河道具有收縮、擴(kuò)散、曲流等特點(diǎn)，是一條非棱柱形河道，對(duì)整個(gè)河段來(lái)說(shuō)是非恒定流，但對(duì)較短的河段來(lái)說(shuō)，水力要素變化不大，可以近似地認(rèn)為是恒定流。根據(jù)上述原理，將天然河段劃分為若干個(gè)斷面，計(jì)算該河段的水面線，選取能代表河段的特征斷面，利用斷面間水流能量守恒原理計(jì)算河道水面線[2]。

九江縣(柴桑區(qū))城區(qū)沙河干流段水面線推求：

1)起算斷面及相應(yīng)水位的確定：

現(xiàn)狀水面線起始斷面為楊家門橋河段，起始斷面水位根據(jù)斷面過(guò)流能力反查水位流量關(guān)系曲線來(lái)斷定，確定20a一遇水位為18.87m，10a一遇水位為18.73m。計(jì)算時(shí)以楊家門橋?yàn)槠鹚銛嗝嫦蛏嫌伟茨芰渴睾阍硗魄笏婢€。

河道整治后的水面線起算斷面仍以楊家門橋?yàn)槠鹚銛嗝妫鹚銛嗝嫠挥?jì)算方法同現(xiàn)狀起算斷面水位計(jì)算方法，其水位為：20a一遇水位為18.65m，10a一遇水位為18.42m。

2)水面線推求的方法和基本公式：

一、論文字體要求：論文標(biāo)題使用小二黑體字（加粗），作者姓名使用三號(hào)楷體字，內(nèi)容提要使用小三號(hào)楷體字，正文使用四號(hào)宋體字，作者簡(jiǎn)介使用四號(hào)楷體字。

水面計(jì)算的公式為：

(1)

3)水面線成果的合理性分析：

從現(xiàn)狀水面線成果來(lái)看，計(jì)算楊家門橋段二十年一遇斷面水深h=4.81m與《九江市八里湖蛟灘水利綜合治理工程》(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院)中計(jì)算的同斷面水深相近(h=4.39m)，這說(shuō)明現(xiàn)狀水面線成果是合理的。設(shè)計(jì)水面線根據(jù)堤線的布置并結(jié)合河道的清障，河道水面較有下降，說(shuō)明整治后的水面線成果是合理的，也反映了堤線的布置是合理的，河道整治是有效的。

4.3 土堤

1)堤頂高程計(jì)算：

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201-94、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-98的規(guī)定，按設(shè)計(jì)洪水加超高堤頂高程確定，其計(jì)算公式為：

Z=Zp5%+Y
Y=R+e+A

(2)

沙河干流堤堤頂超高及沙河支流防洪墻墻頂高程計(jì)算成果詳見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算，沙河干流堤超高為0.99m，沙河支流防洪墻超高為0.91m，參照相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，堤頂超高取1.0m。

表1 堤頂高程計(jì)算成果表

2)堤身抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析：

結(jié)合工程實(shí)際情況，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-98)要求，進(jìn)行了正常情況下土堤的抗滑穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容為：設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流期背水側(cè)穩(wěn)定和設(shè)計(jì)洪水位下降至枯水位時(shí)臨水側(cè)岸坡穩(wěn)定。

根據(jù)地質(zhì)條件、堤身土質(zhì)和堤防斷面，選取典型斷面，比如：提身高度大、地質(zhì)條件差的壩段(堤基為泥質(zhì)軟土層或粉質(zhì)細(xì)砂)進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算斷面內(nèi)各土層的物理力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的結(jié)果選取。

采用剛體極限平衡法作為計(jì)算方法，按均質(zhì)土堤簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算程序采用陜西省水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院改編的《壩坡穩(wěn)定分析程序(STAB)》。浸潤(rùn)線采用北京理正研究院《平面穩(wěn)定滲流計(jì)算程序》滲流計(jì)算成果。計(jì)算成果見(jiàn)下表2，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以說(shuō)明，堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，滿足抗滑穩(wěn)定的要求。

表2 堤坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

4.4 護(hù)坡

1)護(hù)坡厚度計(jì)算

護(hù)坡厚度應(yīng)根據(jù)混凝土塊在波浪壓力和浮力作用下的整體穩(wěn)定性要求確定，按《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》式(18-10-21)計(jì)算：

(3)

式中：t為混凝土護(hù)坡厚度，m；k為安全系數(shù)，本圩為4級(jí)堤防，取k=1.15。2h為設(shè)計(jì)波高，m，取H1%。根據(jù)平均波高，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-98)表C.1.3-1計(jì)算。γc代表混凝土的容重，取2.4t/m3。γω為水的容重，取1.0t/m3。b為沿堤坡向板長(zhǎng)，m，預(yù)制混凝土護(hù)坡為b=0.52m；α代表堤坡與水平線的夾角，m=2.0，α=26.57°。

護(hù)坡厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)混凝土預(yù)制塊護(hù)坡厚度采用10cm。

表3 混凝土護(hù)坡厚度計(jì)算成果表

4.5 防洪墻設(shè)計(jì)

4.5.1 防洪墻布置

衡重式混凝土防洪墻主要布置在沙河支流樁號(hào)0+000-0+861，地面高程20.20-16.0，底板持力層為黏土，地質(zhì)條件較好。防洪墻底寬1.36-1.68m，墻高4.19-5.43m，頂寬0.5m，墻后填土高程23.89-21.70m。

4.5.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

1)結(jié)構(gòu)布置：

防洪墻頂高程采用設(shè)計(jì)洪水位加超高1.0m。墻高3.2-6.76m，采用C20衡重式擋土墻，墻底設(shè)100mmC15混凝土墊層，墻體每10m設(shè)一沉降縫。根據(jù)道路規(guī)劃和抗滑穩(wěn)定要求，墻后結(jié)合城市道路建設(shè)布置15.0m寬城市道路，兼作日常管理和防汛搶險(xiǎn)等交通道路。

2)防洪墻穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算：

防洪墻的穩(wěn)定應(yīng)力分析考慮汛期設(shè)計(jì)洪水位及枯水期墻前無(wú)水兩種情況，根據(jù)墻體自重、水壓、波浪壓力、土壓力、土重和揚(yáng)壓力等荷載的不同組合，分析了墻體抗滑和傾斜的穩(wěn)定性，并計(jì)算了地基的承載力。防洪墻穩(wěn)定應(yīng)力成果滿足規(guī)范要求，見(jiàn)表4。

表4 防洪墻穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算成果表

5 結(jié) 論

本工程為防洪工程，為促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用。通過(guò)收集基礎(chǔ)資料和本階段工程設(shè)計(jì)論證、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，基本查明了圩區(qū)工程地質(zhì)條件，進(jìn)行了主要堤防線路和堤防類型比較，基本查明了防洪排澇的主要技術(shù)問(wèn)題，工程項(xiàng)目基本確定，技術(shù)上可行。經(jīng)分析，在環(huán)境方面不存在制約工程實(shí)施的影響，有利于改善區(qū)域環(huán)境條件。具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，為公益性的水利工程，具有較好的社會(huì)效益。