額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤設計

梁黎明

（第九師聯(lián)拓勘測設計研究有限公司,新疆 塔城 834601）

1 工程概況

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤位于額敏縣額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)喀拉尕什庫熱西村西側(cè),額敏水庫東側(cè),工程具體位置見圖1。額敏水庫始建于1959年,1967年竣工,是一座中型攔河式平原水庫,水庫大壩為均質(zhì)土壩,最大壩高為15.35 m,壩長5500 m,壩頂高程651.80 m,校核洪水位為649.51 m,設計洪水位為649.21 m。50年一遇洪峰流量為109 m3/s,300年一遇洪峰流量為177 m3/s,10年一遇洪峰流量為54.30 m3/s。每當額敏水庫高水位蓄水時,會淹沒喀拉尕什庫熱西村的基本農(nóng)田,對村民的生產(chǎn)生活造成嚴重影響。因此,新建防洪堤,提高區(qū)域現(xiàn)狀防洪工程的防洪標準重現(xiàn)期,以達到規(guī)范要求的防洪標準,保護區(qū)域內(nèi)人民的生命以及財產(chǎn)在其洪水標準內(nèi)的安全,保障交通、通訊系統(tǒng)在其洪水標準內(nèi)安全暢通。

圖1 額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤工程具體位置圖

2 防洪標準和工程等級

2.1 防洪標準

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)喀拉尕什庫熱西村人口總數(shù)為534人。根據(jù)《防洪標準》（GB 50201-2014）[1]規(guī)定：防護區(qū)人口≤20萬人,確定鄉(xiāng)村等級為Ⅳ級,其防洪標準為20年～10年一遇。因防護對象在額敏水庫附近,防護對象為居民區(qū)及基本農(nóng)田,因此其防洪標準設為10年。

2.2 工程等級

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)可耕地2884畝。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）[2]規(guī)定：保護農(nóng)田面積＜5萬畝,防洪工程等別為Ⅴ等,工程規(guī)模為小（2）型,主要建筑物級別為5級,次要建筑物級別為5級,臨時性建筑物級別為5級。

3 防洪堤設計

3.1 防洪堤軸線選擇

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤位于額敏水庫溢洪閘東側(cè),擬建防洪堤總長1177.84m。該工程的起點0+000位于額敏水庫溢洪閘東北50m處,此處有一條田間土路,終點位于居民區(qū)房屋后背西北角。本工程走向大致由東南向西北。防洪堤軸線樁號0+000～0+205.10是由原田間路截彎取直確定,田間路左側(cè)為水庫庫盤,右側(cè)為樹根堆砌地及林星樹木；樁號0+205.10～0+512.00基本沿著原有田間路選取,左側(cè)為水庫庫盤邊緣種植的林帶,右側(cè)為防護林；樁號0+512.00～0+580.00基本沿著原有耕地與林帶交界處選取。樁號0+580.00～1+028.71基本沿著水庫庫盤地勢較高處且盡量少伐樹木的原則選線。樁號1+028.71～1+106.78左側(cè)為水庫庫盤,右側(cè)為居民養(yǎng)殖家禽的區(qū)域,在兩者之間盡量截彎取直。樁號1+106.78～1+177.84左側(cè)為水庫庫盤,右側(cè)為居民房屋,在兩者之間盡量截彎取直。

3.2 防洪堤襯砌方案比選

本文設計的防洪堤襯砌方案擬采用砼襯砌與雷諾護墊兩種襯砌結(jié)構(gòu)進行比較確定。

（1）方案一：砼襯砌,現(xiàn)澆混凝土板護坡

斜坡砼板護坡的護面厚度按下式計算：

式中：t 為現(xiàn)澆砼板護坡厚度,m；η為系數(shù),取0.01；γb為砼板的容重,取24 kN/m3；γ為水的容重,取10 kN/m3；H為計算波高,m；L為計算波長,m；B為沿斜坡方向的護面長度,m；m為斜坡坡率,取1.75。

經(jīng)計算,現(xiàn)澆砼板護坡厚度為6.5 cm；由于該治理段水深約為0.3 m～0.9 m,按照抗凍脹設計規(guī)范,并考慮嚴寒地區(qū)冰拔對砼板破壞問題,確定現(xiàn)澆砼板的襯砌厚度為15 cm。

（2）方案二：雷諾護墊護坡

雷諾護墊護坡相對砼板來說是一種柔性襯砌方式,其適應變形能力較強,生態(tài)效應好。

其襯砌厚度的計算可按方案一的計算公式進行計算,填充石塊的規(guī)格因有雷諾護墊,查閱相關資料及工程實例可采用70 mm～300 mm。

根據(jù)已建工程經(jīng)驗以及考慮雷諾護墊的施工要求,本次設計確定雷諾護墊的填石厚度為17 cm,下設砂礫石厚度30 cm,最下層鋪設400 g/m2無紡布,砂礫石及無紡布均為反濾作用,并用砂礫石防止無紡布遭到破壞。

雷諾護墊規(guī)格為：長6 m,寬2 m,高0.17 m,內(nèi)部每間隔1 m采用雙隔板隔成獨立的單元；邊板、端板、隔板及底板間為整體式。填筑完畢后蓋蓋板。網(wǎng)格規(guī)格為：6 cm×8 cm。鋼絲均要進行熱鍍高爾凡防腐處理,網(wǎng)面鋼絲直徑為不小于2.0 mm,鍍層重量不小于215 g/m2；邊端鋼絲直徑不小于2.7 mm,鍍層重量不小于245 g/m2。填筑石料粒徑范圍為70 mm～150 mm,平均粒徑d50為110 mm。

方案比選：

1）從適用性來看。現(xiàn)澆砼板作為防洪堤護面材料在相應工程的應用較多,雷諾護墊作為護岸材料相應工程應用國內(nèi)較多,都是可行的。

2）從施工條件來看。混凝土板護坡：以機械化施工為主,混凝土骨料及墊層料在10.31 km處的料場可購買,現(xiàn)場可直接攪拌。雷諾護墊護坡：以人工施工為主,所需石料在10.31 km處的料場購買。

3）從投資來看。選用相應高度、每米長度的護面工程量進行投資比較,其比較結(jié)果見表1。

表1 護岸投資比較表

根據(jù)治理河堤護面材料特性,雷諾護墊與混凝土護面投資相差不大,而由于治理河堤右岸有耕地,灌溉排水會對護岸材料造成頂托,而雷諾護墊的適應變形能力較強,生態(tài)效應好。因此,額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤工程采用雷諾護墊的襯砌方式。

3.3 防洪堤堤頂高程的確定

3.3.1 最高水位

本工程位于額敏水庫溢洪閘東側(cè),溢洪閘底板高程647.35 m,由4孔5 m寬的開敞式閘室組成。而額敏水庫10年一遇洪峰流量為54.3 m3/s。額敏水庫來水量與泄水量相同,因此,防洪堤最高水位為10 年一遇洪峰時溢洪閘堰上水深。

寬頂堰公式計算：

式中：σc為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù),取0.385；n為堰孔數(shù),取4；B為堰孔凈寬,取5 m；Q為堰上水頭,取54.3 m；H0為堰上水深,m。

經(jīng)計算,堰上水深為1.37 m,即最高水位為648.72 m。

3.3.2 堤頂高程

根據(jù)《堤防設計規(guī)范》（GB 50286-2013）[3]計算公式進行計算,堤防工程的頂部高程應為最高水位加堤頂超高之和。

堤頂超高包括設計波浪爬高、風壅水面的高度和安全加高三部分。其計算公式如下：

式中：Y為堤頂超高,m；RP為設計波浪爬高,m；e為設計風壅水面高度,m；A為安全加高值,m,取0.5 m。

式中：RP為累計頻率為P的波浪爬高,m；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù),護面類型為透水堤心,KΔ=0.55；KV為經(jīng)驗系數(shù),KV=1.30；KP為爬高累計頻率換算系數(shù),KP=2.07；m為斜坡坡率,m=1.75；為堤前波浪的平均波高,m；L為堤前波浪的波長,m。

風壅水面高度計算公式如下：

式中：e為計算點的風壅水面高度,m；k為綜合摩阻系數(shù),取3.6×10-6；v為設計風速,按計算波浪的風速確定,m/s；f為由計算點逆風向量到對岸的距離,m；d為水域的平均水深,m；β為風向與垂直于堤軸線的法線的夾角,（°）。

由于工程區(qū)域內(nèi)洪水多發(fā)生在6月、7月兩個月,因此,本文設計針對風速資料的分析主要為6月、7月兩個月的風速和風向。根據(jù)收集到的額敏氣象站的風速、風向資料,工程區(qū)域多年平均最大風速為18.7 m/s,主要風向為西北風。

其計算結(jié)果見表2。

表2 額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤堤頂超高的計算表

防洪堤堤頂高程為最高水位加堤頂超高之和,即可求得防洪堤堤頂高程為650.51 m。

3.4 防洪堤堤寬的確定

防洪堤堤頂寬度根據(jù)規(guī)范及相關要求確定。根據(jù)《堤防設計規(guī)范》（GB 50286-2013）[3]規(guī)范要求：本工程等級為5級建筑物,其堤頂寬度不宜小于3 m,但考慮防洪堤修建占用田間路,不能及時把防洪物質(zhì)運至防洪堤,防洪堤修建時交通要求。因此,本次防洪堤工程防洪堤寬度,經(jīng)綜合考慮后確定為4.5 m。為了增加堤頂橫向排水,在堤頂設向內(nèi)側(cè)傾斜的坡度,坡度采用2%。

4 抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)《堤防防工程設計規(guī)范》（GB 50286-2013）[3]規(guī)定：堤防抗滑穩(wěn)定計算可分為正常運用條件和非常運用條件,計算內(nèi)容應符合表3的規(guī)定。

表3 堤防抗滑穩(wěn)定計算內(nèi)容

根據(jù)《堤防設計規(guī)范》（GB 50286-2013）[3],抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應滿足如下標準：正常運用條件K≥1.10；非常運用條件K≥1.05。

根據(jù)工程設計,由于本工程全線樁號0+000～1+177.84段防洪堤臨水堤坡為1∶1.75,背水堤坡為1∶1.5,堤高均為0.5 m～3.23 m,因此抗滑穩(wěn)定可取堤高最高的斷面進行計算,選擇樁號0+766.1處斷面作為坡式護岸典型斷面來進行岸坡抗滑穩(wěn)定分析。護岸抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算采用瑞典圓弧滑動法[4],其計算公式見式（1）。計算軟件采用理正巖土6.0。

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；P為滑動體沿滑動面方向的下滑力,kN；W3為基礎滑動體的重量,kN；α為滑動面與水平面的夾角,α2=26°、α3=22°；φ為基礎土的內(nèi)摩擦角,φ=20°。

計算結(jié)果見表4。

表4 防護堤抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表

計算結(jié)果表明：防護堤在各種運用工況下,堤坡的最小安全系數(shù)均大于規(guī)范所規(guī)定的最小值,因此本文所設計的防洪堤的堤坡滿足抗滑穩(wěn)定要求。

5 結(jié)論

本文對額瑪勒郭楞蒙古民族鄉(xiāng)防洪堤進行設計對于保障工程區(qū)域內(nèi)的耕地正常生產(chǎn),保護人民的生命以及財產(chǎn)安全,確保灌溉、交通、通訊系統(tǒng)安全暢通,改善生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義,有著明顯的社會、經(jīng)濟及生態(tài)效益。