大凌河干流原點河道治理工程堤防設計方案分析

劉英超

（遼寧省喀左縣水利局，遼寧 喀左122300）

1 流域概況

大凌河是東北沿渤海西部諸河中較大的一條獨流入海河流，干流全長435km，上游分西南兩支，西支（亦稱大凌河西支）發源于河北省平泉縣鄭杖子鄉南塔子山余脈，南支發源于遼寧省建昌縣水泉溝，西、南兩支于遼寧省喀左縣城附近匯合，流經朝陽市、錦州市入海。

大凌河干流流域內多為山區和丘陵地帶，地貌形態為一級階地，以河床為中心，向外過渡到一級階地，再向外擴展為坡積洪積扇，進而過渡到丘陵地帶，坡度平緩。流域內林草覆蓋度底，項目區所在地為國家級水土保持綜合治理區。多年平均降水量495.2mm，降雨量時空分布不均，多集中在7、8兩個月，約占年總降水量的70%左右。多年平均徑流深102.4mm。

充分考慮工程所在地自然情況、社會經濟情況、保護范圍綜合考慮確定大凌河干流河道防洪標準為20年一遇，堤防工程的級別為Ⅳ級。喀左縣大凌河干流原點河道堤防防洪工程位于喀左縣南哨鎮南窯村，大凌河南支與大凌河西支交匯處，工程主要由防洪堤、堤頂道路等部分建筑物組成，筑堤長8670m。

2 水面線推算

工程確定起點水位為東哨發電站漫水橋。1993年1月，遼寧省水利水電勘測設計院編制的《大凌河流域規劃補充報告》，根據該規劃報告其水文資料分析，采用喀左縣大凌河干流吉利玍大橋總流量4059m3/s（P=5%），大凌河南支總流量2677m3/s（P=5%），根據現場地形測量數據，采用天然水面線計算軟件V3.111計算得到大凌河干流吉利玍大橋起點水位283.950m。

大凌河干流的糙率選擇根據實際河道查勘、河道特性及河床質組成，參考水力手冊的糙率表確定取0.027。

大凌河干流設計水面線計算采用天然水面線計算軟件V3.111，其中橋壅水計算采用鮑式公式，一般斷面間用能量方程式推算。根據上述已知條件及所確定的有關參數，河道P=5%水面線成果如表1。

表1 大凌河干流水面線計算成果

3 堤型選擇

大凌河干流原點河道治理工程堤防主體采用外運黏土土料填筑。工程技術重點是堤防迎水坡及岸坎的防護。根據項目區氣象水文特點，在確保安全同時充分考慮生態環境保護、水土保持等因素，對平順段、急變段分別選擇符合實際情況的護岸型式［1］。

迎水坡采用客土改良植草護坡。本工程設計洪水流速2.38m/s，綜合考慮植草護坡抗沖涮能力差等特點，確定迎水坡設計水位以下采用框格植草護坡。混凝土框格將整個坡面分割成小塊坡面，減小了流水匯集并使流速降低，有效降低了坡面水流沖刷。

急變段護坡多采用混凝土護坡，混凝土護坡易出現裂縫且不符合生態保護和景觀要求。綜合分析本工程護岸對于坡面整體性、耐久性，能與生態整治相結合［2］等要求，采用框格干砌石方案。

綜合確定平順段采用框格植草護坡，易崩岸段采用框格干砌石護坡。

4 工程總體布置

4.1 防洪堤

堤線根據堤線布置規劃方案，主要以現有岸線為主進行治理工程布置。具體布置時尚遵循下列原則：

（1）河堤堤與河道流向一致，與洪水的流線保持平行布置。

（2）堤防線要平順，各段堤防連接平緩，避免出現折線和急彎［3］。

（3）合理利用原堤防和河坎等建筑物及地形，新堤防建在滲透系數小、基礎穩定的基礎之上。

（4）堤線布置及堤距根據GB50286—98《堤防工程設計規范》，及各設計階段的審查、評估及批復意見等進行了綜合考慮，堤線布置采用規劃報告中成果，大凌河干流堤防堤距450m。

（5）堤線布置少占壓耕地，利于防汛搶險和工程管理。

4.2 迎水坡

在河道轉彎段及大凌河干流右岸的重點防沖段設計水位以下坡面采用30cm厚混凝土框格，框格內采用干砌石填充，下設20cm砂墊層及400g/m2土工布反濾。設計水位以上采用回填種植土，植草護坡。其余各順直段迎水坡在設計水位以下，采用30cm厚混凝土框格，框格內回填種植土，植草防護。設計水位以上，采用回填30cm種植土，植草護坡。堤防采用二級護坡斷面形式，迎水坡設有親水平臺4.0m寬，鋪設15cm C20素混凝土板，10cmC10混凝土墊層，30 cm回填砂礫料，親水側布置理石欄桿。

迎水坡坡度均為1∶2.5，背水坡坡度為1∶20。 護腳型式為石籠護腳與漿砌石護腳相結合。護坡底腳采用漿砌石齒墻，基底埋深1.2m。

大凌河干流吉利玍大橋上游新建原點橡膠壩，考慮橡膠壩正常運行時水下草皮護坡難以成活，塌壩泄洪時對正常運行水位以下坡面容易造成沖刷，對橡膠壩正常運行期水位以下迎水坡坡面進行加固處理。原點橡膠壩正常運行時水位高度1.5m，原點橡膠壩壩底高程280.1m，綜合考慮確定迎水坡坡面282m以下采用框格干砌石護坡。

5 工程設計計算

5.1 堤頂高程

本工程等級為4級，依據GB50286—98《堤防工程設計規范》有關規定，堤頂超高等于安全加高加風浪爬高加風壅增水高度［4］。4級堤防安全加高采用0.6m。

經計算，大凌河干流堤防安全加高0.60m，風浪爬高0.793m，設計風壅增水高度0.0067m，本工程堤防超高1.39m，為與原有堤防連接，安全超高值取1.4m。

5.2 護腳沖刷深度

經計算，沖刷深度為1.1m。水流平行于岸坡沖刷深度計算成果如表2。根據本工程護腳沖深的計算結果及水文特性因素，結合堤防基礎特性，本工程采用漿砌石護腳。

表2 水流平行于岸坡沖刷深度計算

5.3 護坡厚度計算

本工程的迎水坡面采用框格混凝土內砌干砌石，混凝土強度為C20、F150，框格內填充30cm厚干砌石。

混凝土框格內砌干砌石整體性好，并有一定的適應變形的能力，為安全起見，其厚度按干砌石厚度計算，采用GB5028—98《堤防工程設計規范》計算公式，經計算干砌石護面厚度0.11m，根據施工條件及構造上的需要，厚度一般為15～30cm，結合多年觀測資料和已有堤防防護數據，干砌石護坡厚度確定為30cm。

5.4 堤防滲流及滲透穩定計算

依據本工程地質勘察報告描述，堤身及堤基土體粉土②層、粗砂③層的滲透變形為流土型。堤基圓礫，其滲透變形類型為管涌型。

本工程堤段較多利用原有、堤防、河坎，背水坡基礎面較高，堤防背水坡填筑量不大。0+500斷面為最不利斷面，顧選取此斷面作為典型斷面進行滲透穩定分析，計算參數均采用《大凌河干流原點河道治理工程地勘勘察報告》中的建議值。

5.4.1 計算工況

根據GB50286—98《堤防工程設計規范》對滲流計算的規定及闡述，本次設計選取如下計算工況：

（1）臨水側為設計洪水，背水側無水。

（2）洪水降落時（及橡膠壩塌壩運行時）對臨水側堤坡穩定最不利工況。根據計算，k/μV=58.5，大于1/10小于60，按緩降過程計算浸潤線下降的位置。

5.4.2 計算方法及結論

計算采用理正軟件，對典型斷面分別計算堤防背水側滲出段、地基段及臨水側堤坡的滲流坡降，通過與允許的滲流比降相比較判定滲透的穩定性。計算結果如表3。

表3 堤防滲流穩定計算結果

根據計算結果，第1種工況背水側坡面、地基滲出部位及第2種工況的迎水坡坡面滲出部位的滲流穩定計算結果均滿足設計要求。

5.5 堤身抗滑穩定計算

5.5.1 計算參數選擇

本工程計算參數采用 《大凌河干流原點河道治理工程地勘勘察報告》中的建議值，其中堤身采用壓實后黏土數據，堤基采用地勘勘察現場實測數據，計算過程參照工程滲流計算所取得的成果。

表4 穩定計算采用土料的物理力學指標

5.5.2 計算工況與允許安全系數

根據GB50286—98《堤防工程設計規范》對穩定計算控制時期和運行條件的規定，本地區地震基本烈度為Ⅵ度，項目區多年平均水位相對較低，只進行正常情況下穩定分析，未進行特殊情況穩定分析計算，計算工況選取正常情況下的穩定計算：

（1）設計洪水位情況下穩定滲流期的背水坡。

（2）設計洪水驟降期的迎水坡。

本工程為Ⅳ級堤防，根據簡化畢肖普法可知，正常運用條件下安全允許系數為1.15。

5.5.3 計算方法及計算程序

堤坡安全系數計算公式，穩定分析計算選取斷面與滲流計算選取斷面為同一典型斷面。計算結果如表5。

表5 堤坡穩定計算結果

根據穩定分析計算結果可知，堤防在兩種正常工況下堤坡安全系數均大于抗滑穩定允許安全系數1.15，符合規范抗滑穩定要求，工程斷面坡比設計合理、安全。

6 結語

大凌河干流原點河道堤防防洪工程工程任務為在大凌河南支與大凌河西支交匯處修建防洪堤，總長度8670m。經綜合比選平順段迎水坡采用客土改良植草護坡，易崩段迎水坡采用框格干砌石岸護，筑堤材料為黏土，護腳采用漿砌石基礎。通過對堤型結構、堤頂高程、堤腳沖刷深度、護坡厚度計算、滲流穩定計算、堤身抗滑穩定進行計算，分析并選擇經濟適用、成熟可靠、生態效果良好的設計方案，確保工程滿足實際防洪需求。