切德克蘇河河道堤防工程設計要點分析

覃清波

(新疆伊犁州水利電力勘測設計研究院，新疆 伊寧 835000)

河道堤防對于地區防洪具有重要意義。但目前很多河道由于年代久遠，受制于當時的材料、施工技術，導致堤防質量差，甚至很多河段堤防就是天然土坡，難以滿足實際需求，因此必須進行治理。而河道治理中，河堤護坡形式多樣，其綜合成本、生態影響、通洪能力均有差別，因此必須通過合理對比設計來取得最佳方案。

1 工程概況

切德克蘇河位于霍爾果斯市東部，補給來源主要為冰川融雪和降水混合型補給。本工程是對伊車嘎善鄉段切德克蘇河(13+400至17+500)段西岸防洪堤進行治理，總計長度4.1 km，主要保護流域內1.32萬人及0.200 7×104hm2農田安全。根據《防洪標準》(GB 50201-2014)，確定該段防洪工程等級為Ⅳ級，防洪標準為10年一遇。

2 河道設計洪水位計算

2.1 設計洪峰流量

設計洪水水位是河道防洪設計的基本資料和依據。本工程以伊犁州水文局提供的《霍爾果斯市切德克蘇河防洪工程洪水水文分析計算報告》單行本為依據，并結合其他理論計算方法，根據各計算節點推求的水位流量關系，估算該河段防洪斷面的設計洪峰流量，具體成果見表1。最終通過綜合水文資料和理論計算結果，確定將P=10%的洪峰流量作為參考標準，設計洪峰流量Q=218 m3/s[1]。

表1 各計算節點斷面不同頻率設計洪峰流量 /m3·s-1

2.2 設計洪水位

切德克蘇河現狀河道過水斷面極不規則，且糙率、底寬存在較大差別，但經整治后會形成較規則的過水斷面，底寬、糙率、縱坡、堤防邊坡等參數也會基本相同。為方便計算，本項目按照明渠均勻流公式來確定河道水面線[2]：

(1)

其中：Q為設計洪峰流量，取值218 m3/s；C為謝才系數；i為渠底縱坡，(°)；R為水力半徑，m；A為河道過水斷面面積，m2。

河道沿線各斷面設計洪水水面線相關參數及結果(部分)見表2。通過對比發現，數值均低于該控制斷面實測調查的歷史洪水位，這主要是由于河道下切所致。

表2 整治段河道各計算斷面水力要素表(部分)

3 河道堤防工程設計要點分析

3.1 堤頂高程設計

堤頂超高Y計算公式見式(2)：

Y=R+e+A

(2)

式中：R為設計波浪爬高，取值0.19 m；e為設計風壅高度，取值0.0 m；A為安全加高值，本工程為5級堤防，取0.5 m。

計算結果得Y=0.69 m。因此，本次切德克蘇河河段河堤全部按照該值加高[3]。

本項目采用設計洪水流量相應的水位來確定設計防洪堤的堤頂高程(堤頂高程=設計洪水位+堤頂超高)，但在計算堤頂高程基礎上又進行了微調，最終得到設計堤頂高程，具體數據見表3[4]。

小蟲正在市場上，和一個賣調料的在喝啤酒。天很熱，菜市場像個悶罐子，一絲風兒都透不進來。空氣里混合著爛菜葉味雞糞味魚腥味，在菜場的角角落落里彌漫，融合在啤酒和飯菜里。小蟲早習慣了這些味道，仍把啤酒喝得咕嚕咕嚕響。賣調料的和小蟲很熟，見到小蟲像見到首長似的，特別巴結小蟲。小蟲要什么，張個嘴就行，賣調料的求之不得。小蟲能在他這兒喝頓啤酒，絕對是賞他光了，因而一個勁地和小蟲干杯。小蟲對他的關照自然也不少，水費電費攤位費，能少則少，城管工商這稅那費的，小蟲打個招呼能免了一半。有小蟲替他撐腰，賣調料的在菜場里誰都不用懼。

表3 防洪堤特征洪水位計算表

3.2 堤防型式選擇

本段河道防洪工程主要是對現有河道斷面進行整治，沿河道兩岸修建護岸堤防。通過現場勘測，結合現狀河道走勢、兩岸設施及現有堤防來布置防洪堤。原則上是不改變原河道中心線，只是局部栽彎取直，調整轉彎弧度和半徑，力求水流平順[5]。

根據切德克蘇河特點，結合現場地質條件、施工條件、技術難度等因素，堤防結構型式設計以下3個方案，具體對比見表4。

表4 方案技術經濟比較表

方案一：“砼板護坡+現澆砼護腳”型式

防洪堤結合河岸坡修建，在現有岸坡基礎上加高河堤，可充分利用河床整治中的棄土。設計堤頂寬5.0 m，高2.0 m，迎水面邊坡1∶1.75，背水面邊坡1∶1.5；迎水面邊坡采用C20現澆砼板護砌，厚度0.2 m，下設φ6鋼筋網片；護坡基礎向河床下埋深3.5 m，下部為0.5 m×0.8 m現澆砼堤腳[6]。

方案二：“上部鉛絲籠+下部鋼筋籠”型式

迎水面、背水面邊坡均為1∶1.5，堤頂寬4.0 m，高2.5 m，采用河床開挖料填筑；上部籠為8#鉛絲編織，規格2.0 m×1.0 m×0.5 m；沿河底平鋪1層鋼筋塊石籠，12#鋼絲網編織，規格1.5 m×1.0 m×1.0 m。

方案三：“格賓塊石籠護坡+后置防洪堤”型式

迎水面、背水面邊坡均為1∶1.5，堤頂寬4.0 m，高2.5 m，采用外運碎石土和河岸原土填筑，相對密度在0.75以上；護岸采用厚0.5 m格賓塊石籠護砌，直至河床底部；底部護腳沿河底平鋪2層格賓塊石籠，厚1.0 m，寬2.0 m。

3.3 堤防穩定性計算分析

3.3.1 岸坡沖刷深度計算

岸坡沖刷深度計算對護坡基礎埋深設計有決定作用。本項目根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)計算平順護岸沖刷深度hs，公式見式(3)，計算結果見表5[7]。

(3)

式中：H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動流速，m/s；n為相關系數，取值1/4。

表5 防護岸坡沖刷深度成果表(部分)

根據表5數據可知，水流產生的沖刷深度范圍0.62～0.70 m。本項目從工程安全角度考慮，堤防工程考慮2倍基礎超深，確定基礎埋深為2 m。

3.3.2 堤防穩定計算

1) 計算工況。本項目按照《堤防設計規范》(GB 50286-2013)的規定，土質堤防抗滑穩定計算可分為正常情況和非常情況，具體工況見表6。

表6 土堤穩定計算工況表

2) 穩定性計算。本項目采用“圓弧分析法”進行分析(理正計算軟件)，見圖1。測定該河段堤身相關參數如下：基礎厚度10 m，黏聚力C=0 kPa，內摩擦角φ=31°，容重γ=20 kN/m3，地震烈度為Ⅷ度。

由表7計算結果可知，在計算工況下，臨水坡、背水坡的安全系數均大于各自的允許安全系數，表明防洪堤斷面尺寸滿足抗滑穩定性要求。

(αi為坡角；b為條塊寬度；R為圓弧半徑)圖1 圓弧分析法示意圖

表7 上下游安全穩定系數計算成果表

4 結 語

河道堤防治理工程雖然總體上技術難度小，但是由于涉及范圍廣，總投資規模較大，因此在設計時應密切結合工程成本要求、所擔負任務、位置等因素。切德克蘇河伊車嘎善鄉段因為沒有通過居民區，所以沒有過多考慮生態河道景觀建設，顯著節省了建造成本。本項目投入使用后，河道通洪能力大大提高，且護岸問題得到徹底解決，使區域不再受洪水威脅，取得了較好的社會效益和經濟效益。