薩爾布拉克河防洪工程防洪堤結構選型及穩定分析

楊慧蕓

(新疆伊犁州水利電力勘測設計研究院有限公司，新疆 伊寧 835000)

1 基本概況

為提高薩爾布拉克河防御洪災的能力，促進和保障流域經濟、社會和生態全面可持續發展，本著統籌規劃、綜合治理、確保重點、分期實施的原則，對19+000～22+000段3.0km河道進行疏浚整治，沿河道兩岸治導線修建防洪堤總長6.006km，防洪工程保護人口0.32萬人,保護農田400hm2,及河道兩岸縣鄉公路，依據《防洪標準》(GB 50201-2014)，防護區人口≤20萬人，耕地面積≤2萬hm2，其防洪等級為Ⅳ級，使本段河道的防洪標準提高到10a一遇，確保河道兩岸村鎮、農田及工程設施的安全，保護人口、農田及河道兩岸縣鄉公路，為薩爾布拉克鎮經濟的發展和兩岸居民的安居樂業創造安全有利的條件。

2 工程總體布置

2.1 防洪工程總體布置方案

薩爾布拉克河(樁號19+000～22+000)段河道沿河谷底部穿行，河床寬101～260m，主河槽沿河道內左右擺動，河槽深0.8～2.5m。本段河道主要是防治洪水淹沒河道兩岸的農田、村莊和沖毀兩岸的水利工程及交通設施，防止洪水沖蝕兩岸土地，防止河道產生淤積造成河床的抬高。因此，防洪總體方案如下：按照河道行洪寬度的要求及兩岸土地、設施分布情況調整河道走勢，確定穩定行洪寬度，對河道進行整治、疏通，沿河道兩岸治導線修筑防洪堤，束水歸槽，使洪水能順暢下泄，既要防止河道沖刷下切，又要避免河道內形成左右擺動的河槽,從而造成河槽沖刷、灘地淤積。

防洪堤按永久堤防標準建設，因地制宜、就地取材。防洪堤采用斜坡式堤防，堤身采用河道內砂礫石料填筑，對防洪堤臨水面邊坡進行護砌并按沖刷深度要求下設基礎，通過護砌提高防洪堤的防沖抗沖能力。防洪堤堤頂高在設計洪水位以上預留足夠的超高，滿足校核洪水的通過。為了便于工程管理和應急搶險的需要，堤頂寬度必須滿足搶險車輛的通行。通過對現有河道整治，整治后的河道寬度較現有河道縮窄較多，對堤防兩側空出的河灘地進行整治，種植生態防護林，既增加了土地利用率，同時起到生態治理的作用。

2.2 治導線的選擇

治導線選擇合理與否，對防洪安全和防汛搶險影響很大，是規劃設計中重要工作。通過實地勘測，目前河道寬度較過去加寬了許多，河道寬度已由過去的100～150m加寬到101～260m,主要是河岸無防沖設施，河岸不斷侵蝕、河灘地不斷增加所致。薩爾布拉克河是一條年際、年內徑流變化較大的河流，年際豐、枯水徑流量相差4倍之多，徑流的年內分配很不均勻，枯水期平均流量在2.0m3·s-1，豐水期平均流量8.1m3·s-1。灌溉期上游大量引水，造成河道下游大部分時期下泄流量很小，長流水基本沿主河槽流動，主河槽寬50～100m，只有洪水期河灘地才上水。隨著河灘地的不斷加寬，水流被分散，水流挾沙能力大大減弱，大部分泥砂在河灘地上淤積，造成灘地不斷加高加寬。

結合有關資料和伊犁地區河道整治實踐經驗，認為對薩爾布拉克河河道必須整治，對現有的河道必須縮窄疏通，河道整治寬度要力求接近河道穩定寬度，要考慮適應渲泄稀遇洪水的要求，不能降低河道安全泄洪能力和滯洪能力。必須保證河道的沖淤平衡，防止河道淤積和下切。綜上所述，本防洪段防洪堤治導線為左右兩岸平行布置，對部分河段采用裁彎取直，封堵岔流，力求水流平順。

2.3 河道整治寬度計算

確定合理的河床整治寬度，對保證行洪和兩岸安全非常重要，河道整治寬度不易太窄，避免束縮水流加大流速，造成河岸的沖刷和河床的下切。同時也不能太寬，容易形成心灘和邊灘地從而改變水流的流向和流態，造成局部沖刷和局部淤積。蘇聯學者阿爾圖寧整理大量中亞、西亞沖積扇河流資料，得出穩定河寬與造床流量及比降的關系：

B=AQ0.5/J0.2

式中,B為穩定河床寬度，m；Q為造床流量，相當于頻率P=(3～10)%的洪水流量，取頻率P=10%的洪水流量為造床流量；J為河床比降，取該段河床平均比降；A為河流特性系數。

河流特性不同，公式中系數A值也將不同，根據資料，我國長江的荊江蜿蜒性河道A=0.64～1.15；黃河高村以上的游蕩性河道A=2.23～5.41。目前薩爾布拉克河過縣城城區段防洪工程已實施，該段河道整治寬度為70m，穩定寬度計算時河流特性系數取2.3。目前工程已運行了4a，河道穩定，沖淤變化不大，實踐證明該段河的整治寬度是合理的，因此本次規劃薩爾布拉克河穩定河道寬度的計算中采用A=2.3，經計算河段穩定河床寬度見表1。

河道的整治寬度在計算的穩定寬度基礎上適當調整，并結合已實施河段整治寬度情況及現有的穩定河段寬度確定，具體如下：19+000～22+000河段長3km，現狀河道寬度70～260m，主河槽寬50～100m，河道縱坡1/95～1/120，河道整治計算寬度67.9～71.15m，綜合考慮，本段河道整治后穩定寬度為100～195m。

河道計算穩定寬度及整治寬度詳見表1。

表1 河段穩定河床計算寬度

2.4 防洪堤布置

按照河道行洪寬度的要求及兩岸耕地設施分布情況調整河道走勢，確定防洪治導線，對河道進行整治、疏通，沿河道兩岸治導線修筑防洪堤，束水歸槽，使洪水能順暢下泄。防洪堤按永久堤防標準建設，因地制宜、就地取材。

本工程河段長度3km,兩岸防洪堤總長6006m，左右岸分別敘述,其中，左岸段長3018m,上游與水定鎮幸福新村河岸護段相接，下游與跨薩爾布拉克河北岸大渠輸水渡槽右岸護砌段上游相接，沿原河道岸坎布置，局部裁彎取直，主要保護民區，耕地和縣鄉道路。右岸段長2988m,上游與薩爾布拉克河韓家莊子村河岸護岸相接，下游與跨薩爾布拉克河北岸大渠輸水渡槽左岸護砌段上游相接，該段沿岸坎耕地邊緣布置，不侵占農田為主，主要保護居民區，耕地和縣鄉道路。綜上所述，本工程防洪堤大部分均沿原河道岸坎布置，局部裁彎取直，以不侵占耕地為本次布置指導思路，因地制宜地確定河道整治寬度，以達到保護兩岸對象的目的。

3 堤防工程設計

3.1 防洪堤結構型式選擇

本著就地取材的原則，防洪堤設計采用土石方填筑，堤型為斜坡式土堤，結合河道整治充分利用河道整治過程產生的砂礫石料及河灘地料進行土堤的填筑。為防止洪水對防洪堤的沖刷，對防洪堤臨水面邊坡進行護砌，并按設計沖刷深度要求下設護坡基礎。防洪堤護砌形式結合地質條件、建筑材料、建設條件等方面綜合考慮，初步確定以下2種方案。

3.1.1 方案1

防洪堤采用一坡到頂的現澆砼板護砌形式，采用C20現澆砼護坡，迎水面邊坡為1∶1.5，基礎部位砼板厚0.2m,基底設0.5m×0.8m的砼基座(阻滑墻),堤防上部邊坡砼板厚為0.15m,堤頂設0.5m寬0.15m厚的壓頂。

3.1.2 方案2

防洪堤護砌采用漿砌石形式，一坡到底，堤防基礎部分采用C20細石砼砌卵石結構，基礎底座寬1.0m，厚0.8m,堤頂邊坡護砌厚度0.5m，邊坡1∶1.5。邊坡上部上部護砌采用漿砌石形式。板厚0.3m，堤頂設壓頂，壓頂寬0.5m，厚0.15m。

通過對上述方案的建筑材料、施工條件、運行條件、水力條件、投資等方面的技術經濟比較，考慮到本段河道內卵石分布有限，卵石采集有一定難度，另外漿砌石機械化作業程度低、人工需求量大且施工進度慢、工程投資較大，綜合考慮，本段河道堤防護砌決定采用方案1，即現澆砼板護砌形式。

3.2 防洪堤斷面設計

3.2.1 防洪堤縱斷面

根據河道實測縱斷面并考慮河道整治后河床縱斷面確定，設計縱坡為1/95～1/120。

3.2.2 防洪堤橫斷面

防洪堤為土堤，主要采用砂石料填筑，設計壓實相對密度不小于0.75，根據邊坡穩定要求，防洪堤內邊坡均為1∶1.5，外邊坡1∶1.5。防洪堤采用機械碾壓，考慮到機械施工工作面要求，同時為了滿足今后工程的管理及防洪搶險通行要求，堤頂寬按4m設計。為了便于錯車,每隔800m設一處錯車平臺，平臺長20m,寬8m。

防洪堤堤高按設計洪水位加安全超高確定，并復合滿足特大洪水的要求。經計算分析，堤防高2.0m。

為防止洪水對堤防的沖刷，防洪堤臨水面邊坡采用現澆砼板護砌，并按沖刷深度要求下設基礎。

3.3 設計洪水位計算

本次防洪工程建設主要是沿河道整治寬度外修建防洪堤，防洪堤主要通過河床斷面取料，通過取料、整治，該段河道將形成較規則的過水斷面，底寬、糙率、縱坡、堤防邊坡基本上相同。因此通過水力計算確定河道水面線，水力計算按明渠均勻流公式計算：

Q=ωc(RJ)1/2

河道斷面底寬b取各河段設計整治寬度，整治后河床較平整，為礫石河床面，其糙率n底取0.037，堤防邊坡采用現澆砼板護砌，邊坡1∶1.5，邊坡部位糙率n邊取0.015,通過加權平均,綜合糙率取0.035。河道縱坡根據各段河道自然縱坡確定。確定各段河道水力要素詳見表3。

表2 方案技術經濟比較表

表3 設計河道水力要素表

3.4 堤防堤頂高的確定

本工程防洪堤頂高程依據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)進行設計，由于本段河道防洪堤是在河道整治的基礎沿河道兩岸修建堤防，防洪堤修建后形成穩定的河道斷面，因此防洪堤堤頂高采用設計洪水位加堤頂超高的方法確定。

3.4.1 堤頂超高計算

經過計算，防洪堤堤前波浪的平均波高為0.054～0.82m，水力半徑為0.58～0.67m，設計風壅水高度為0.00266～0.00816m，應當分段進行計算。本工程堤防級別為4級，根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)中表2.2.1按堤防工程級別查得堤頂超高為0.6m。

3.4.2 防洪堤頂高確定

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)要求計算得到防洪堤堤頂高。計算堤高為1.89～1.93m，綜合考慮，本段河道防洪堤堤高統一取2.0m。河段各控制節點設計堤頂高程詳見表4。由表4可知，各段堤頂高程均高于實測和調查歷史洪水位，說明堤防是安全的。

表4 防洪堤堤高計算表

4 堤防穩定計算

4.1 計算工況

按照《堤防設計規范》(GB 50286-2013)的規定，土堤抗滑穩定計算可分為正常情況和非常情況。具體工況見表5。

表5 土堤穩定計算工況表

4.2 計算成果

采用《土石壩壩坡穩定分析程序》中圓弧分析法進行分析(理正計算軟件)。上、下游安全穩定系數計算結果見表6。

表6 上、下游安全穩定系數計算成果表

由計算結果可知，防洪堤斷面尺寸滿足抗滑穩定要求。

5 結語

通過薩爾布拉克河防洪工程的實施，減少了沿河兩岸在洪澇災害時的經濟損失，土地砂化進一步減輕，農田投入大量有機肥、化肥等均為農作物吸收，為改良土壤提供條件，保障了大東溝河兩岸生態環境好轉，也改善了小氣候和景觀，具有較大的經濟效益和生態效益。