考慮河相影響張掖國際物流園防洪堤方案分析

張 楠

(酒泉市水利科學研究院,甘肅 酒泉 735000)

1 概 述

洪水是常見的自然災害,會造成嚴重經濟損失甚至人員傷亡。采取防洪治理工程措施,具有十分重要的意義。河水的沖刷作用強烈,沖刷作用下導致河道變化顯著,對防洪治理工程影響較大[1-3]。因此,在防洪治理設計階段,考慮溝道演變趨勢是非常重要的。通過分析,選取合適的穩定溝寬,有利于保障河道治理工程的安全。

2 工程概況

張掖國際物流園結合園區區域現狀條件及發展定位,圍繞新絲綢之路經濟帶體現文化地域特色和生態環境保護,綜合考慮物流、人流、信息等基本要素,著眼國際國內兩個市場,高起點打造國際物流港,總體形成“一軸兩區五組團”的格局。

為了確保物流園的順利建成及今后的發展,擬在野貓山以東園區新建防洪堤5 005m,整治已建防洪堤西側溝道1 235m,形成①、②排洪溝,砌筑丁壩14座、潛壩30座、穿堤道路3處,溝道疏浚5 260m;在野貓山以西園區新建防洪堤14 116m,形成③-⑧排洪溝,砌筑丁壩90座、潛壩170座、穿堤道路11處,溝道疏浚27 015m,使洪水按擬定方式匯流并將其導流至安全區域,確保物流園在設計洪水(P=5%)下,不受山洪侵害,減少該區的洪災損失,保障物流園的整體安全性。同時,提高物流園內土地的整體利用性。

3 溝道演變及河相分析

3.1 現狀洪溝演變分析

工程區地處龍首山山前洪積扇及其前緣,該段地處河西走廊中段的山丹盆地中北部,屬荒漠戈壁區,地勢北東高而西南低。溝道在園區中呈南北向分布,流域洪水由暴雨形成,歷經山前洪積扇各沖溝向下流淌,在連霍高速以北均有寬淺式、窄深式的洪溝形成,最終橫穿312國道匯入山丹河、祁家店水庫等。經分析,最終確定的8條排洪溝道平均比降25.5‰,河床質地為砂礫石、粗砂組成,溝道散流多汊。

3.2 造床流量分析

常用計算造床流量的方法有馬卡維也夫法、平攤水位法和1.5年一遇洪峰流量法。作為近似計算,一般采用2年一遇洪峰流量,作為工程河段的造床流量。所確定的8條排洪溝造床流量見表1。

表1 1#-8#排洪溝造床流量統計表

3.3 河相關系分析

河相關系是沖積河流在較長時期內相對平衡狀態下斷面形態、縱剖面、流域因素之間的定量關系,通常以穩定河寬和斷面河相關系系數表示。本工程河相關系分析選取野貓山G30上23#、24#涵洞在園區內的匯流溝道,作為典型溝道進行計算。

河床在縱向穩定系數φh的計算公式如下:

(1)

橫向穩定系數φb的計算公式如下:

(2)

河相關系主要由寬深比ξ來反映,計算公式如下:

(3)

式中:d為床砂平均粒徑,m;h為河流平灘水深,m;J為縱向比降;Q為造床流量,m3/s;B為河寬,m。

研究表明,φh值越大,水流作用越弱,底砂不易運動,河床越穩定;反之,φh值越小,則河床越不穩定。φb值越大,河身相對較窄,比降較小,水流平緩歸順,河岸越穩定。治理河段河道穩定系數、寬深比值計算成果見圖1。

圖1 典型溝道縱橫向穩定系數計算成果

經圖1計算結果分析可得,野貓山東2#排洪溝溝道縱向穩定系數φh值介于0.878～4.232之間,溝道縱向穩定性較差;橫向穩定系數φb介于0.034～0.299之間,溝道橫向極不穩定,數段溝道橫向穩定系數大于0.1,為不穩定溝道,屬于游蕩性溝道,應通過人工疏導穩定溝道主流,保障兩岸岸堤穩定。

根據公式計算得出,溝道河相關系系數ξ=21.02～232.67。綜合分析可知,典型化、溝道穩定性較差,屬于游蕩性溝道,主流流向不穩定,對兩岸河床沖刷較大,威脅較大,應盡快建設固定河堤,疏導洪水。

3.4 穩定溝寬

穩定溝寬的確定,不僅要滿足輸水及防洪的要求,同時要考慮河道內水流平面擺動幅度等因素。本次采用阿爾圖寧公式計算穩定河寬,公式如下:

(4)

式中:A為穩定河寬系數,取A=1.7。

計算結果見表2。

表2 穩定溝寬計算成果表

計算穩定溝寬的目的是依據穩定溝寬與整治溝寬的關系,為排洪溝的溝寬提供參考值。合理的治理寬度,對保證行洪和兩岸安全尤為重要。

4 防洪堤方案分析

該工程共修建16段防洪堤,除野貓山以東4段防洪堤外,野貓山以西防洪堤均與對應排洪溝順接。因此,在防洪堤各要素的設計計算中,選取16段防洪堤中較長的9段重點計算,其余9段較短的防洪堤要素根據已計算出的數值取大值設計。

4.1 水面線計算

根據穩定溝寬的計算值,擬定取防洪堤末端斷面作為控制斷面,已知每段防洪堤的控制流量,計算出控制斷面的水力要素。可由下游向上游逐段推算,計算公式如下:

(5)

東②段防洪堤水面線計算結果見圖2。

圖2 東②段防洪堤水面線計算成果

4.2 堤頂超高計算

堤頂超高計算公式如下:

Y=R+e+A

(6)

式中:Y為堤頂超高,m;R為設計波浪爬高,m;e為設計風壅增水高度,m;A為安全超高,取0.6m。

考慮坡地洪水下泄過程中流量的不確定性,且洪水攜砂量大,洪水過G30進入防洪堤前導洪溝的距離較短,為防止洪水翻堤,防洪堤堤頂超高取1.7m。

4.3 沖刷深度計算

護岸沖刷深度計算公式如下:

(7)

經計算,東②防洪堤局部沖刷深度平均值為0.11～0.13m。根據山丹縣多年沖刷的實際情況,并加上一定的安全埋深,同時考慮當地凍土深度(143cm),確定各段基礎沖刷深度取為深泓線以下2.0m;局部縱坡陡、流速快的防洪段,沖刷深度取為深泓線以下2.5m。

4.4 護坡襯砌厚度計算及護砌形式的選擇

根據當地建材情況,護岸材料擬選C20現澆混凝土和M10漿砌塊石兩種形式進行比較。

1)C20現澆混凝土板作為護面時,滿足混凝土板整體穩定所需的護面板厚度t可按照下式確定:

(8)

式中:t為混凝土護面板厚度,m;η為系數,開縫板可取值0.075;H為計算波高,m,取H1%;γb為混凝土板的重度,kN/m3;γ為水的重度,kN/m3;L為波長,m,L平均=1.5m;B為沿斜坡方向(垂直于水邊線)的護面板長度,m;m為斜坡坡率,m=1.5。

經計算,典型段防洪堤混凝土護坡襯砌厚度t=0.002～0.006m。為了滿足護坡穩定的要求,同時考慮到該地區洪水期間,水流所帶推移質較多,護坡面板承受水流和推移質泥砂的沖擊,計算厚度過小,不能滿足工程運行要求。參照類似工程經驗,確定防洪堤護坡砼面板襯砌厚度自上而下由0.15漸變為0.25m。

2)M10漿砌塊石作為排洪溝堤護面時,防護厚度t采用下式計算:

(9)

(10)

式中:Q為塊石質量,t;rb為塊石重度,kN/m3,取rb=26.8kN/m3;r為水的重度;H為計算波浪高,m;KD為穩定系數,取5.5;n為塊石層數;c為系數,取1.3。

經計算,典型段防洪堤漿砌塊石護坡厚度t=0.12～0.18m。參考已建工程經驗,取為0.30m。

經方案比較,M10漿砌塊石護坡每米造價1 033.3元/m,高于現澆C20砼護坡造價898.5元/m,同時考慮現澆C20砼護坡相較于漿砌石護岸具有墻身斷面較小、結構輕巧且圬工量小、施工最簡單、工期最短等優點,參照左岸已建堤防工程,16段防洪堤均采用C20砼護坡。

5 結 論

1)張掖國際物流園河床質地為砂礫石、粗砂組成,溝道散流多汊。

2)溝道橫向極不穩定,數段溝道橫向穩定系數大于0.1,為不穩定溝道;縱向穩定系數φh值介于0.878～4.232之間,溝道縱向穩定性較差。

3)采用C20砼護坡和漿砌石護岸兩種方案進行比選,C20砼護坡相較于漿砌石護岸具有墻身斷面較小、結構輕巧且圬工量小、施工最簡單、工期最短等優點,因此作為推薦方案。