石泉縣中壩集鎮堤防高度設計淺析

謝小龍

(石泉縣水利局 陜西 石泉 725200)

1 工程概述

1.1 自然概況

1.1.1 工程區域位置

石泉縣中壩集鎮地處縣城西南24km，位于后柳鎮政府以西6km。中壩集鎮堤防工程是漢江一級支流中壩河中游的治河骨干工程，也是通往“中壩大峽谷”景區的必經之路。工程建設區域為：中壩集鎮處順延中壩河布設長800m的堤路結合堤防工程。

1.1.2 水文氣象概況

中壩河流域面積84.86km2，河長22.01km，平均比降16.75‰。多年平均降水量920mm，流域中心處多年平均年徑流深565.3mm，變差系數CV=0.49。河口處多年平均徑流量4796.63萬m3，多年平均流量為1.521m3/s。年均降雨量873.9mm，但分布不均，導致流量嚴重失衡。汛期徑流量占全年總量的78%，尤其是九月份1個月的徑流量占全年的19%。

工程區位于秦嶺以南，屬副亞熱帶季風氣候，四級分明，春暖夏熱秋涼冬冷。多年平均氣溫14.5℃。全年無霜期約257天。區域內多偏東風，多年平均風速為1.7m/s，瞬時最大風速21m/s。

1.1.3 地質及地震

本區地處大巴山山脈的北坡，北鄰秦嶺山脈，地面海拔高程一般為330m～1000m，屬中低山地形。漢江自西北向東南，蜿蜒穿過全區。喜河水電站庫區位于石泉縣城～藕陽河段。兩岸山體雄厚，岸坡陡峭，河谷狹窄，呈“V”字型，兩岸局部地段發育有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地。本區域地層以饒峰河-喜河-麻柳壩大斷裂(F3)為界，以西屬揚子地臺區建造，以東屬秦嶺地槽區建造。

據國家地震局 1990年版的 1：400萬《中國地震烈度區劃圖》，石泉～喜河一帶位于Ⅵ度區內。

1.2 工程任務

近年來石泉縣旅游產業蓬勃發展，中壩集鎮是通往國家4A景區—中壩大峽谷的必經之道。根據中壩集鎮總體規劃，原中壩集鎮道路不再承擔交通干道功能。擬建的中壩集鎮堤防工程任務有二：一是滿足中壩河右岸集鎮居住區防洪要求，以及左岸農田種植區防護要求；二是作為交通干道連通后柳鎮與熨斗鎮，聯通中壩大峽谷景區。

2 水文分析

2.1 流域概況

中壩河是漢江右岸一級支流，發源于木竹山，在后柳集鎮匯入漢江。流域面積84.86km2，主河道長 22.01km，平均比降16.75‰；中壩集鎮以上控制流域面積61.88km2。

2.2 洪水

2.2.1 暴雨洪水特性

該流域洪水主要由暴雨形成。暴雨集中在6月中旬～7月底和8月下旬～10月上旬兩個時段，可分為夏季暴雨和秋季暴雨。

本流域暴雨量大，強度集中，加之山高坡陡，植被覆蓋率較低，巖層透水性差，洪水匯流速度快，因此，洪水具有猛漲陡落，峰型尖瘦的特點，一次洪水過程為0.5天～1天，而洪量比較集中，整個汛期水量的變化極大。

2.2.2 設計洪水計算

中壩河流域無水文測站，屬無資料地區。為了落實中壩河洪水，本次采用《安康地區實用水文手冊》中的關于無資料地區或缺乏水文資料的中小流域洪水計算經驗公式推求設計洪水的方法進行，并結合洪水調查綜合分析確定。中壩河的主要特征及參數見表1。

（1）洪峰面積相關法(經驗公式)

根據《安康地區實用水文手冊》，其計算公式為：

式中，QN——重現期為N的設計洪峰流量，m3/s；

F——工程區以上控制流域面積，為61.88km2；

KN、n——重現期為N的經驗關系式參數；

該流域屬任洞區，由《安康地區實用水文手冊》圖6-2查得，n=0.692。同時查得：

由以上公式，結合所查得的參數，經過計算，得出不同重現期的洪峰流量如下：

（2）綜合參數法

由《安康地區實用水文手冊》，根據公式

式中，QP——設計頻率為P的洪峰流量，m3/s；

F——工程區以上控制流域面積，為61.88km2；

J——主河道平均比降(千分率的分子值)；

H6P——設計頻率為P的六小時點暴雨量，mm；

K6P——設計頻率為P的六小時暴雨模比系數；

η、α、β、γ——分區綜合的經驗性指數；

本流域屬任洞區，由《安康地區實用水文手冊》表6-5查得：η=0.45，α=0.70，β=0.48，γ=0.11。

表1 中壩河主要特征參數

又由《安康地區實用水文手冊》查得：H6P=57，CV=0.49，CS=3.5CV查皮Ⅲ型曲線模比系數得：

表2 中壩集鎮堤防處不同重現期洪峰流量表

表3 中壩河中壩集鎮處洪水設計成果

經計算，不同重現期的洪峰流量為：

（3）設計洪水成果

考慮到中壩集鎮防護區域的重要性及影響程度，本工程設計洪水成果采用兩種計算方法中的洪峰面積相關法計算成果，見表3。

3 堤防高度設計

3.1 防洪標準

3.1.1 工程等別及洪水標準

根據《防洪標準》(GB50201-94)，本工程右岸集鎮堤防按中壩河20年一遇洪水設計，左岸農田護堤按中壩河10年一遇洪水設計。

3.1.2 建筑物級別及地震設防烈度

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-98)，集鎮堤防級別為4級，農田護堤級別為5級。本工程的地震設防烈度為6°。

3.2 工程規模及平面布置

集鎮堤防段河長約900m。在防護區河道中上部修建有農業灌溉用溢流壩一座，將防護區分為壩上游段和壩下游段，壩下游段修建有跨河橋梁一座。右岸集鎮防護段擬修建堤防長706m，保護集鎮人口1000余人，農田100畝；左岸農田護堤長157m，分布在壩下游，保護農田面積160畝。本著因地制宜的原則合理考慮堤防的堤距寬度。

3.3 洪水水位計算

由前面的計算可知，中壩河不同重現期設計洪水流量為：Q5%=382.10m3/s，Q10%=323.05m3/s。

（1）壩下游寬闊段

自工程上游起點～下游末端河道總長791.53m，河床總落差396.20-385.20=11m，計算出河床平均比降為13.90‰。

由地形圖量得壩下游段河床最寬處35m，橋梁凈跨度31m，基礎堤線擬確定為32m。行洪斷面按山區常見的梯形河槽考慮，兩岸堤防迎水面坡比按1∶0.3；根據現有河床及河岸實際條件，由《水力學》，河床糙率n取0.040。

由 以 上 知 ，Q10%=323.05m3/s，Q5%=382.10m3/s，Q2%=434.20m3/s，b=32m，n=0.040，m=0.3。

經計算得：中壩河10年一遇洪水水深h=2.2m，20年一遇洪水水深h=2.4m。

（2）壩上游平順段

河床平均比降取13.90‰。

由地形圖量得壩上游段河床平均寬28m，基礎堤線擬確定為28m。行洪斷面按山區常見的梯形河槽考慮，兩岸堤防迎水面坡比按1∶0.3；根據現有河床及河岸實際條件，由《水力學》，河床糙率n取0.040。

由以上知，Q5%=382.10m3/s，b=28m，n=0.040，m=0.3。

經計算得：中壩河20年一遇洪水水深h=2.7m。

3.4 堤身高度

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-98)，堤頂高程應按照設計洪水位加堤頂超高確定。

堤頂超高按下式計算確定：

式中，Y——堤頂超高，m；

R——設計波浪爬高，m；

e——設計風壅增水高度，m；

A——安全加高，m；按照《堤防工程設計規范》(GB50286-98)，本工程集鎮堤防為不允許越浪的4級堤防，即A=0.5m；農田護堤為允許越浪的5級堤防，即A=0.3m。

計算得堤頂超高分別為0.71m、0.91m，設計采用堤頂超高值分別為0.8m和1.0m。

⑴壩下游寬闊段

當基礎堤距為32m，堤防邊坡為1:0.3時，中壩河集鎮堤防高度 (深泓線以上)為2.4+1.0=3.4m，農田護堤高度(深泓線以上)為2.2+0.8=3m。

⑵壩上游平順段

當基礎堤距為28m，堤防邊坡為1:0.3時，集鎮堤防高度 (深泓線以上)為2.7+1.0=3.7m。

3.5 沖刷深度計算

依據《堤防工程設計規范》附錄D中的公式D.2.2-1和D.2.2-2計算考慮水流平行岸坡和水流斜沖岸坡兩種工況進行沖刷深度。

水流平行于岸坡產生的沖刷按下式計算：

式中，hB——局部沖刷深度，m，從水面算起；

hp——沖刷處的水深，m，以近似設計水位最大深度代替；

Vcp——平均流速，m/s；

V允——河床面上允許不沖流速，m/s；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4。

水流斜沖防護岸坡產生的沖刷按下式計算：

式中，△hp——從河底算起的局部沖深，m；

α——水流流向與岸坡的交角，°；

m——迎水坡邊坡系數；

d——坡腳處土壤計算粒徑，cm，d15=10-20mm；

Vj——水流局部沖刷流速，m/s，經計算，Vj=2 m/s～5m/s。

經計算，河床沖刷深度為1.82m，基礎埋設取用2m。

3.6 堤防高度結論

中壩集鎮堤防不同段落不同功能，上下游、左右岸堤防高度不盡相同，即：壩上游平順段右岸集鎮堤防高度為3.7m+2m=5.7m；壩下游寬闊段右岸集鎮堤防高度為3.4m+2m=5.4m；壩下游左岸農田護堤堤防高度為3.0m+2m=5.0m。

4 結語

在留夠河道行洪寬度的條件下平順布置堤線，中壩集鎮堤防高度按中壩河20年一遇洪水標準設防，壩上游高5.7m、壩下游高5.4m；壩下游農田防護堤防高度按中壩河10年一遇洪水標準設防，高5.0m。據此，石泉縣中壩集鎮堤防可滿足防洪要求和交通功能需求，建成后可正常發揮效益。陜西水利

[1]安康地區水電局，安康地區實用水文手冊[M]，1983.

[2]李家星，趙振興,王培莉等，水力學[M]，河海大學出版社，2001.

[3]GB50286-98，堤防工程設計規范[S]，中國計劃出版社，1998.

[4]GB50201-94，防洪標準[S]，中國計劃出版社，1994.