白羊河干渠防洪堤設計及滲流抗滑穩(wěn)定性分析

趙 剛

（新疆阜康市水利局，新疆 阜康 831500）

引水灌溉干渠對于區(qū)域防洪、農(nóng)業(yè)灌溉等均有重要意義，白楊河干渠建造于上世紀六七十年代，目前存在技術指標不足、腐蝕滲漏嚴重、安全性差、防洪能力弱等問題，嚴重阻礙當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展，為提高白楊河干渠防洪能力，在干渠河道內(nèi)修建防洪堤，以提高其干渠防洪標準低，免遭洪水威脅，為防洪安全提供有力支撐和保障。干渠防洪工程設直接決定了工程質(zhì)量、效果及經(jīng)濟性，必須慎重對比選出最優(yōu)方案，并對其防洪堤滲流抗滑穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

白楊河渠首位于阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)上游的白楊河河道內(nèi)，渠首距離河道下游的吐烏大高速公路1.5 km，是白楊河灌區(qū)唯一一座攔河式引水渠首，控制灌溉面積11.33萬畝，同時承擔向下游工業(yè)供水的任務。白楊河渠首樞紐修建于1964年，作為白楊河灌區(qū)主要的引水樞紐工程，渠首由于防洪標準低，經(jīng)常遭受洪水的威脅，毀壞事故時有發(fā)生，嚴重影響農(nóng)業(yè)灌溉的正常引水。同時，為考慮引水干渠防洪，在引水干渠左岸的河道內(nèi)修建防洪堤，以保證該段引水干渠的安全。本次防洪工程確定堤防級別為4級，工程等別為Ⅳ等，設計洪水標準為20一遇，設計洪水流量為79.5 m3/s。

2 工程總體布置

經(jīng)實地考察，確定白楊河干渠段防洪工程的具體布置形式為：沿現(xiàn)狀河道河岸線布置，首端、末端均設半圓形裹頭與河岸相接。工程斷面以護岸形式為主，在沖溝較窄處采用排洪渠布置方案，見表1。達到3.4~3.8 m/s，河床平均寬度25 m，河床內(nèi)有大量卵石、漂石，經(jīng)過多年演變，河床縱坡已經(jīng)穩(wěn)定。因此本段設計縱坡采用在原河床縱坡稍作調(diào)整。

表1 白楊河干渠段防洪段河道防洪布置形式統(tǒng)計

由于該河段沖溝岸坡較緩，兩岸地形開闊，所以設計采用投資較小的梯形斷面，其堤防及基礎均采用現(xiàn)澆砼板形式，邊坡1∶1.5，堤防及基礎砼板厚度 15 cm，砼標號C25F200W6[4]。

（2）護坡設計

護坡堅固性對于保證防洪堤整體穩(wěn)定性極其重要，本項目針對沖刷較為嚴重河段進行護坡加固，具體方案有以下兩種。方案一：在迎水面設計“23 cm厚度雷諾墊+無紡布”防護，邊坡設計為1∶2.0，坡腳設計為格賓石籠（長×寬×高=2.0 m×1.0 m×1.5 m），在原河堤上提高高度達1.5 m，見圖1[5]。

圖1 方案一防洪堤護坡斷面示意圖

方案二：在迎水坡設計“30 cm漿砌石+30 cm砂礫石”防護，邊坡坡度設計1∶2.0，坡腳設計為漿砌石護腳（高×寬=1.5×1.0 m），在原河堤上提高高度達1.5 m，見圖2。

3 防洪工程結構設計分析

3.1 堤線布置設計

結合白楊河干渠段防洪工程的實際情況，考慮其對上、下游及左、右岸的的影響，設計了兩種新建防洪堤堤線布置方案。

方案一：防洪堤基本沿現(xiàn)有堤線布置，僅在局部河段作出調(diào)整[3]，河床寬度范圍在60~80 m。該方案特點如下：①堤線可充分利用現(xiàn)有防洪工程作為填筑對象，范圍界定，不再新增占地，顯著降低成本；②施工場地開闊，利于大型機械展開，縮短了工期，且對環(huán)境影響較小；③河床寬度遠大于穩(wěn)定河寬（20~35 m），洪水對防洪堤沖刷程度小，有利于堤壩穩(wěn)定；④由于原干渠防洪堤整體地勢低，造成新建及加高土方工程量較大，經(jīng)濟性較差。

方案二：以目前河道中心線為基準，以穩(wěn)定河寬25 m為控制標準，距離河岸25 m處新建防洪堤。該方案特點如下：①既保證了穩(wěn)定河寬滿足要求，又充分利用高地勢，顯著減少土方工程量；②需新占土地約120畝，賠償費用較高，社會效益差；③河灘地種植有大量胡楊樹，施工時需進行局部鏟除，環(huán)境效益差。

通過綜合比選，最終確定將方案一作為本項目堤線布置的最終方案。

3.2 防洪堤設計

（1）斷面形式設計

經(jīng)測量放線，本項目段河床平均縱坡約為0.026，平均流速

圖2 方案二防洪堤護坡斷面示意圖

經(jīng)綜合比較，方案一經(jīng)濟性較好（方案一成本約175.4萬/km；方案二成本約176.3萬/km），且糙率大，抗變形和沖擊性好，維修簡單，在該地區(qū)有很多成功應用實例，因此推薦方案一為最后實施方案。

3.3 伸縮縫設計

本項目河堤工程存在大面積混凝土澆筑，為防止凍脹破壞，必須設置伸縮縫。設計在防洪渠段底板角點設置2道縱縫，邊板及基礎現(xiàn)澆砼每3 m設置一道橫縫，縫寬均為2 cm。

設計嵌縫材料為L-600型聚乙烯高壓閉孔塑料板（技術要求見表2）[6]，表面2 cm厚填聚氨酯砂漿勾縫。底板座漿干砌卵石灌漿不設伸縮縫。為防止來洪水沖毀，在全斷面梯形現(xiàn)澆混凝土防洪渠末端設置格網(wǎng)石籠防沖段。

表2 L-600型聚乙烯高壓閉孔塑料板技術要求

3.4 防洪堤滲流抗滑穩(wěn)定性分析

（1）滲流浸濕距離

本項目防洪堤滲流計算采用“迎水面為設計洪水、背水面無水工況”為標準。根據(jù)地質(zhì)勘查，白楊河防洪堤壩體材料為粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)k=12.96 m·d-1；壩基為細砂巖，透水性較強，滲透系數(shù)k=14.68 m·d-1，因此本項目按照透水地基進行計算，t時刻的浸透距離l計算公式見下式。結合相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到白楊河堤防斷面含水量w流線分布圖（見圖3）。

式中：D為壩基深度，m；t為滲流浸濕時間，h；α為補給系數(shù)；ne為有效孔隙率；k1為壩基滲透系數(shù)。

圖3 堤防斷面含水量流線分布圖

表3 白楊河堤防抗滑計算結果

（2）抗滑穩(wěn)定計算

本項目采用瑞典圓弧滑動法計算堤防抗滑穩(wěn)定性，計算結果見表3。由表中數(shù)據(jù)可得在正常運行條件下，白楊河干渠段堤防安全系數(shù)均大于規(guī)定值1.0，抗滑穩(wěn)定性滿足要求。之后通過利用ANSYS有限元軟件，模擬出白楊河干渠段堤防累積下沉量范圍在0.15~0.20 m，堤頂高程滿足要求，不影響防洪能力。

4 結語

經(jīng)過實際考察和方案比選，確定出引水干渠防洪工程的具體結構，防洪堤堤線沿現(xiàn)有堤線布置，沖刷嚴重河段護坡形式為“23 cm厚度雷諾墊+無紡布”；伸縮縫主要以L-600型聚乙烯高壓閉孔塑料板填充。經(jīng)計算，白楊河堤防的滲流抗滑穩(wěn)定性滿足要求。總體來看，本項目堤防結構做到了經(jīng)濟性和實用性，取得了較好應用效果。

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