莫呼查汗防洪工程設計方案優化研究

張 懌

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒841000)

1 工程概況

莫呼查汗河位于天山南坡焉耆盆地北緣和靜縣西北部，全長66.6 km，集水面積411.60 km2。本次設計防洪工程位于和靜縣莫呼查汗河下游段，該段河段總長為11.6 km(55 +000—66 +600)。

2 河道與堤防現狀分析

2.1 河道過洪能力現狀

項目區屬莫呼查汗河下游河段(55 +000—66 +600)，該河段河床縱坡1/120 ～1/419，河床寬度在20 ～300 m，項目區兩岸現有和靜縣哈爾莫墩鎮及扶貧農場，人口約2.78 萬人，耕地4 933 hm2，主要從事農牧業生產。因目前部分河段泥沙淤積，河堤過低，河段過洪能力明顯不足，造成洪水期洪水漫溢，淹沒河道兩岸的居民點及基本農田，本次將河道55 +000～66 +600 段作為重點防洪區。對于河道55 +000～62 +005 段進行堤防加高、加寬及護砌，對于河道62 +005—66 +600 段部分河段進行清淤、清障等，以保證其行洪安全［1］。

2.2 建筑物現狀

項目工程區現有建筑物二座，沙子河渡槽和過水路面(扶貧農場):

1)沙子河渡槽(60 +065):該渡槽建于上世紀80年代，設計引水流量1.5 m3/s，渡槽共六跨，每跨長16 m，全長96.0 m，主要灌溉哈爾莫墩鎮的夏爾莫墩村，灌溉面積800 hm2，該渡槽兩端下部為漿砌石基礎，洪水發生時，將部分漿砌卵石沖毀，現狀沖毀部分用干砌石堆砌進行臨時性防護，洪水期渡槽基礎將受到垮塌的危脅，影響下游灌區的農田灌溉，因此在該處必須加固基礎，以保證渡槽洪水期的安全。

2)過水路面(61 +340);該過水路面是哈爾莫墩鎮通往扶貧農場的路，該過水路面兩端現狀未建防洪堤壩，洪水期河水淹沒路面，淘刷基礎，洪水過后，路面堆積泥沙嚴重，使得扶貧農場對外交通中斷，嚴重影響了居民出行，路面現狀破損嚴重，需重新修筑該過水路面，以保證過水路面的安全通行［2］。

3 防洪工程設計布置分析

3.1 防洪工程布置思路

依照《和靜縣莫呼查汗河防洪規劃報告》及《和靜縣莫呼查汗河近期治理建設規劃》報告統一部署，依河勢對各河段進行不同的防護，且由于項目區位于莫呼查汗河下游河段，人口眾多，因此根據實際情況布置，最大限度地控制河道寬度。擬建堤防軸線根據現有堤防和沿河兩岸臨河房屋等各種設施現狀情況以及遵循《莫呼查汗河防洪規劃》報告已確定的整治方案綜合考慮，因地制宜、采取局部裁彎取直、對現有部分堤防進行加高加寬、局部改建和完善等措施。本次規劃設計項目區堤防基本上以現有堤防為基礎進行擬建堤防軸線布置及設計。

3.2 設計依據

本次堤防設計洪水標準P =5%，相應洪水流量72.1 m3/s，防洪堤工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4 級，次要建筑物級別為5 級。

依據《堤防工程設計規范》GB50286—98 和《莫呼查汗河防洪規劃》報告對莫呼查汗河治理河段河道的防洪標準，對應河道堤防工程的級別及防洪設計要素確定成果見表1。

表1 莫呼查汗河堤防工程級別及防洪設計要素一覽表

3.3 防洪工程總體平面設計

本次設計防洪工程位于和靜縣莫呼查汗河下游地區，具體位置:55 +000 ～66 +600 段，河道全長11.6 km。工程設計修建混凝土堤防總長11.97 km:其中沙子河渡槽60 + 065 處(上、下游)堤防長160 m，過水路面(61 +340)處(上、下游)導流堤長100 m，河道右岸修筑堤防1 處，長7.005 km(55 +000 ～62 + 005 段)，河道左岸修筑堤防2 處，長4.705 km，分 別 位 于55 + 000 ～57 + 560 段 長2.56 km，59 +676 ～61 +821 段長2.145 km。河道62 +005 ～66 +600 段部分區域需清障、清淤保證行洪安全，見圖1。

圖1 和靜縣莫呼查汗河堤防工程堤防平面布置示意圖

3.4 堤身和防凍結構長度的確定

1)堤身設計:設計中結合工程區地質情況和現有防洪堤現狀，堤防基礎橫斷面采用防沖斜墻(重力式)基礎。設計堤防堤頂寬度根據《堤防設計規范》堤防要求，堤頂寬度≥3 m，本次設計堤頂寬度取為4 m。

2)防凍結構設計:根據《和靜縣莫呼查汗河防洪工程地質勘察報告》工程區大部分堤防地下水位埋深較深且區域地質土屬非凍脹土，只是在右岸59 +200 －61 +170 段長1.97 km和左岸60 +850 －61 +150 段長0.3 km的粉質黏土透鏡體具有凍脹性，需采取相應的抗凍脹措施，本次設計采取換填砂礫石墊層抗凍脹措施。

3.5 堤防沖刷深度計算

水流斜沖堤防沖刷深度采用下式計算公式:

式中:△hp為從河底算起的局部沖深，m;α 為水流流向與岸坡交角，°;m 為防護建筑物迎水面邊坡系數;d 為坡腳處土壤計算粒徑，cm;vj為水流的局部沖刷流速，m/s。

根據公式進行計算以及現場河道深槽測量資料等，結果表明，在設計洪水72.10 m3/s，(55 +000 ～62 +000)段堤防基礎的沖刷深度為0.72 ～1.89 m，考慮一定安全因素，堤防基礎的深度設計為2.0 ～2.5 m。河道右岸(55 +000 ～62 +005):修建堤防長7.005km，防洪堤基礎的設計深度取為2.0 ～2.5 m。其中(55 +000 ～60 +065)防洪堤基礎的設計深度2.0 m，(60 +065 ～62 +005)防洪堤基礎的設計深度2.5 m。河道左岸修筑堤防2 處，長4.705 km，分別位于(55 +000 ～57 +560)段長2.56 km，防洪堤基礎深度取為2.0 m。(59 + 676 ～61 + 821)段長2.145 km，(59 +676 ～60 +065)段長0.389 km，防洪堤基礎的設計深度2.0 m，(60 +065 ～61 +821)段長1.756 km，防洪堤基礎的設計深度2.5 m。參照上述計算結果，在設計洪水72.1 m3/s，建筑物各處沖刷深度為1.03 ～1.89 m，考慮一定安全因素，堤防基礎的深度:沙子河渡槽基礎深度設計為2.0 m、過水路面基礎深度設計為1.5 m。

4 防洪堤護坡斷面型式與堤防基礎方案設計

4.1 護坡設計

堤防護坡可采用現澆混凝土護坡及漿砌卵石護坡2 種結構型式，兩方案主要設計情況如下:①混凝土板護坡。堤防護坡采用現澆混凝土板，厚度為12 cm，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，順水流方向每5 m設一橫縫。估算采用混凝土護坡工程投資為276.74 萬元;②漿砌卵石護坡。堤防護坡采用漿砌卵石，厚度為30 cm，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，順水流方向每10 m設一伸縮縫。估算采用漿砌石護坡工程投資為385.96 萬元;③護坡型式方案比較。對兩種護坡型式的投資、外觀、施工條件進行比較，兩方案主要指標比選見表2。

表2 護坡方案比較表

根據近年本州已修建的防洪堤防來看，現澆混凝土板堤防護坡，經多年運行，效果較好。綜合考慮投資、施工等條件，本次設計堤防斷面采用現澆混凝土板護坡型式。

4.2 基礎防護方案

4.2.1 方案一:重力式擋土墻基礎方案

堤防基礎防護是在堤腳處設置重力式防沖擋土墻基礎，擋土墻高度根據沖刷深度計算取2.5 m，堤防重力式擋土墻基礎頂部寬度為0.5 m，底部寬度為1.8 m，墻高為2.5 m。采用M15 漿砌卵石，每隔10 m設一道沉降縫，縫用苯板和聚氨酯填充，縫寬2 cm。詳見圖2。

圖2 重力式擋土墻基礎方案橫斷面圖

4.2.2 方案二:防沖斜墻基礎方案

根據沖刷深度計算，在堤腳處設置砌石防沖斜墻，斜墻迎水面邊坡系數0.64，背水面邊坡系數為0.5，斜墻高度根據沖刷深度計算取2.5 m，防沖斜墻頂部寬度為0.5 m，底部寬度為0.8 m，深度為2.5 m。防沖斜墻采用C20 毛石混凝土，詳見圖3。

圖3 防沖斜墻基礎方案橫斷面圖

4.2.3 計算內容和工況比較

計算條件:在洪水期，擋土墻基礎墻前無土。將數據代入進行穩定及應力計算，結果詳見表3:

表3 擋土墻穩定及應力計算表

4.2.4 基礎防護方案比較

堤防基礎防護型式方案投資、施工技術、穩定性等各項指標比較詳見下表4。

表4 基礎型式方案比較表

4.2.5 推薦方案

通過以上綜合比較，方案二在施工條件、工程技術條件等方面要求要高于方案一，但方案一投資高于方案二，本著安全經濟的原則，本工程基礎防護推薦選用方案二，即采用C20 毛石混凝土防沖斜墻基礎型式。

［1］許士國，高永敏，劉盈斐. 現代河道規劃設計與治理［M］.中國水利水電出版社，2006:135 －139.

［2］康震，王佐權. 關于河道堤防除險加固工程的安全管理［J］. 黑龍江水利科技，2014，42(11):286 －288.