燈塔市渾河段堤防維修養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)分析

趙 勇

(遼寧省燈塔市防汛抗旱河務(wù)服務(wù)中心，遼寧 燈塔 111300)

1 渾河河道現(xiàn)狀

燈塔市境內(nèi)有渾河、太子河及其支流等20條河流，總長310.54km2，甜水嶺、古樹子、銀匠、葠窩水庫分布其間。渾河發(fā)源于撫順市東部，自東向西流經(jīng)清原、新賓、撫順、沈陽、遼中、燈塔、遼陽縣、臺(tái)安、海城、大洼、大石橋、營口等縣市后注入遼東灣，河流全長415km，既是水資源最豐富的的內(nèi)河又是獨(dú)立入海河流。渾河流域面積2.5萬km2，屬于不對(duì)稱水系，東側(cè)支流密集而西側(cè)支流較少，年徑流量50～70億m3。

近年來，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快及人口規(guī)模的擴(kuò)大，境內(nèi)具有滯洪與儲(chǔ)存功能的池塘、濕地、湖泊逐漸消失，河道被侵占問題突出，加之熱島效應(yīng)、環(huán)境破壞大大增強(qiáng)了區(qū)域降水強(qiáng)度和頻度。境內(nèi)河流大多具有河床窄、坡降大、流速快、洪峰持續(xù)時(shí)間短、洪水暴漲暴落、洪枯水位變差大等特征，河道防洪標(biāo)準(zhǔn)低，普遍缺乏全流域的水土保持和全河道的生態(tài)保護(hù)、河湖治理、防洪規(guī)劃，洪澇災(zāi)害嚴(yán)重。此外，地表硬化和植被減少加速了雨洪匯流，使得河道水流和流量的不可控性顯著增大，河水沖刷侵蝕河床、河岸作用明顯增強(qiáng)，城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)。

本次以燈塔市渾河一段8.58km的堤防工程為例，該河段行洪斷面狹窄、河內(nèi)泥沙淤積、河岸雜草叢生；由于沒有防護(hù)措施現(xiàn)有部分堤段受水流沖刷形成片坡、陡坎，堤防安全受到潛在威脅，汛期來臨時(shí)，在高洪水位和強(qiáng)降雨沖刷作用下堤防管涌、內(nèi)外坡滑坡甚至潰堤等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)沿岸良田、果樹、民房等造成沖擊，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大損失。因此，為保障沿岸群眾、耕地和民房安全，必須對(duì)壩炕、堤防、河道等實(shí)行綠化修復(fù)、防護(hù)和清淤疏浚，不斷增強(qiáng)流域防洪能力，為區(qū)域防洪安全和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠保障[1-2]。

2 堤防維修養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)

2.1 堤頂高程設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高和設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)要求合理[3]，合理計(jì)算堤頂高程，合理確定堤頂設(shè)計(jì)高程，以風(fēng)壅水面高加風(fēng)浪爬高加安全超高作為堤頂超高Y，其計(jì)算公式為：

Y=A+e+R

(1)

式中：A、e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增高(m)和風(fēng)浪爬高(m)，一般不考慮A值；R代表安全超高(m)，不允許越浪條件下取0.5m。其中，風(fēng)浪因素的計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

波長L利用平均波周期按以下流程計(jì)算確定：依據(jù)工程級(jí)別查《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》確定安全加高A，該堤防工程設(shè)計(jì)等級(jí)為5級(jí)，在不允許越浪的條件下安全加高A取0.5m，并利用下式計(jì)算波浪爬高[4]，即：

(4)

結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范，單一斜坡上的正向波受風(fēng)直接作用條件下，可以利用下式計(jì)算波浪爬高Rp，具體如下[5]：

(5)

表1 各河段堤頂高程設(shè)計(jì)表 m

2.2 護(hù)砌厚度與塊石粒徑

1)護(hù)砌厚度。堤防護(hù)坡設(shè)計(jì)選用干砌石，干砌石護(hù)坡厚度t利用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的公式計(jì)算確定[6]，即：

(6)

式中：K1為干砌石護(hù)坡系數(shù)，文中取0.266；γ為水的容重，10.0kN/m3；γb為石頭的容重，26.5kN/m3；H為計(jì)算波高(m)，d/L≥0.125時(shí)應(yīng)取H4%，d/L<0.125時(shí)則取H13%，其中d為岸坡前或堤前水深，m；l為波長，m。

2)塊石粒徑。采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的公式計(jì)算塊石粒徑，其表達(dá)式為：

(7)

式中：d為塊石折算直徑，m；V為水流速度，m/s；g為加速度，m/s2；C為塊石運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)，傾斜坡底取0.9；γ為水的重率，1.0g/cm3；γs為石塊的重率，2.65g/cm3。

2.3 無紡布規(guī)格

無紡布的規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)在很大程度上決定了干砌石護(hù)坡的耐久性、穩(wěn)定性，因此護(hù)坡反濾層設(shè)計(jì)時(shí)必須選用質(zhì)量優(yōu)異的無紡布[7-8]。結(jié)合設(shè)計(jì)資料和工程實(shí)際，本工程擬選用聚酯長絲紡粘針刺無紡布作為反濾層，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 無紡布技術(shù)指標(biāo)

2.4 沖刷深度計(jì)算

1)平行向沖刷。平行于岸坡水流所引起的沖刷深度利用規(guī)范推薦的公式確定，即：

hs=H0×[(Ucp/Uc)n-1]

(8)

2)垂直向沖刷。垂直于岸坡水流所引起的沖刷深度利用規(guī)范推薦的公式確定，即：

hB=hp×[(Vcp/V允)n-1]

(9)

式中：hB為沖刷深度，m；hp為該處水深，m，其中hp取設(shè)計(jì)水位最大深度；Vcp為近岸垂線平均流速，m/s；V允為允許不沖流速，m/s，其中Vcp=V×2η/1+η，V為行進(jìn)流速，η為流速不均勻系數(shù)，按岸坡與水流流向的夾角α查表取1.0；n代表系數(shù)，取0.25。

3)設(shè)計(jì)最大沖刷深度。將各項(xiàng)沖刷深度按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》分別進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)要求取值范圍處于0.70-1.15m。通過與沿線村屯居民、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站和河道管理處的溝通，該河段歷年沖刷深度平均值均在1.2m以下[9-10]。綜合考慮實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求，確定最終的沖刷深度為1.0m和1.2m，將綠格網(wǎng)箱護(hù)腳埋深分別取1.0m和1.2m。

2.5 擋墻穩(wěn)定計(jì)算

采用北京理正水工擋土墻穩(wěn)定計(jì)算公式確定抗滑穩(wěn)定系數(shù)，經(jīng)計(jì)算該堤防工程的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.42，符合>1.20的規(guī)范規(guī)定要求。因此，可以認(rèn)為燈塔市渾河段漿砌石擋墻能夠達(dá)到穩(wěn)定安全要求，其計(jì)算式為：

(10)

式中：μ為地基與擋墻基底面的摩擦系數(shù)，文中取0.4；∑G為作用于擋墻上的所有垂直荷載值；Pw代表基底面平行的滑動(dòng)力。

2.6 綠格網(wǎng)箱設(shè)計(jì)

1)網(wǎng)箱材料。采用廠家生產(chǎn)的成品網(wǎng)箱現(xiàn)場組合而成的綠格網(wǎng)箱，經(jīng)防腐處理制成矽膠涂塑鍍鋅鋼絲，將水、空氣與金屬隔絕以防止其氧化生銹。

2)網(wǎng)箱規(guī)格。護(hù)岸綠格網(wǎng)箱的長為4.0m，寬1.0m-2.0m，高0.7m-1.0m，干砌石護(hù)腳網(wǎng)箱的長4.0m，寬0.8m或1.0m，高1.0m或1.2m。

3)網(wǎng)絲規(guī)格。矽膠涂塑后網(wǎng)絲轉(zhuǎn)變成Φ3.5mm，網(wǎng)孔尺寸120mm×100mm，原Φ3.2mm邊絲轉(zhuǎn)變成Φ4.2mm。

4)力學(xué)性能。矽膠涂塑鋼絲的斷裂伸長率>10%，抗拉強(qiáng)度>400MPa，其外覆聚酯膜的斷裂延伸率>180%，抗拉強(qiáng)度>220MPa。

2.7 橋涵維修工程

1)工程標(biāo)準(zhǔn)。橋涵維修工程主要是村級(jí)道路跨河建筑物，涵洞和車橋設(shè)計(jì)洪水頻率為10a一遇，設(shè)計(jì)荷載滿足Ⅱ級(jí)公路要求。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。依據(jù)《小橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖集》確定橋涵工程結(jié)構(gòu)，驗(yàn)算不考慮。

3)主要材料。臺(tái)帽、橋墩混凝土等級(jí)為C25，防撞墻、行車道板混凝土等級(jí)為C30；護(hù)底、護(hù)坡、墻體水泥砂漿選用M10；直徑Φ≥10mm和直徑Φ<10mm的選用HRB335、HRB235級(jí)鋼，相關(guān)技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4)橋涵過流能力驗(yàn)算。新建橋涵5座，由暴雨形成流域洪水，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算匯水面積不超過10km2的設(shè)計(jì)洪水Q(m3/s)，即：Q=KFn，其中K為徑流系數(shù)；F為匯水面積，km2；n為地區(qū)指數(shù)，F(xiàn)<1.0km2時(shí)n取1.0，1.0km2≤F<10.0km2時(shí)n取1.0。

3 結(jié) 論

防洪工程不僅關(guān)系著區(qū)域防洪安全和農(nóng)田灌溉用水，而且涉及環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定，在保證防洪安全的情況下充分發(fā)揮堤防工程效益，可為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、資源和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展提供可靠保障。燈塔市渾河段堤防工程面臨著復(fù)雜的形勢(shì)，本次維修養(yǎng)護(hù)與沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及生產(chǎn)生活密切相關(guān)，加強(qiáng)堤防維修養(yǎng)護(hù)，對(duì)于提高流域防洪標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義，這也符合水利工程“強(qiáng)監(jiān)管、補(bǔ)短板”的總基調(diào)。