布谷孜河南支流防洪堤設計方案比選及穩定性分析

王萬洋

（新疆瑞祥農牧工程咨詢設計院有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

面對日益頻繁的洪澇災害和低標準的防洪治澇體系，提高河道的綜合防洪體系，加固或新建堤防，完善工程運行管理成為當務之急。河道整治，主要包括河流的渠化和截彎取直。基于中小型河流，我國目前的河道整治目的是興利防洪[1]。布谷孜河兩岸部分河段僅有砼護坡和簡易的臨時性堤防，堤防標準低、質量差、抗洪能力弱，汛期易潰決；局部地段河流改道，河道淤積，一旦潰決危害很大。目前，該河段保護城區的左岸堤防已成為險工段，下游大部分河道尚未進行防洪治理，部分河段達不到符合規范標準的行洪能力。因此，城區河段的堤防建設迫在眉睫。

1 布谷孜河防洪工程概況

阿圖什市布谷孜河南支流城區河段防洪工程位于阿圖什市城區西郊，布谷孜河中游河段。地理坐標為東經75°30′ ～78°28′，北緯39°34′ ～40°45′。該河段北南走向，為城鄉界河，東岸距市中心不足1km，西岸為阿圖什市阿扎克鄉，防護河段北起布谷孜大橋，南至提間大橋下游（約1.5 km），擬防護河段長約5 km。工程河段為阿圖什市的城鄉界河，左岸為城區，右岸為耕地，河床基本穩定且大部分河段較為順直，兩岸現有堤防間距200 m左右且大致均勻，計算分析穩定河床寬度為200 m。工程建設主要內容為：河道兩側新建防洪堤，共長9.00 km，堤防工程建設范圍全部位于河道河床內。

2 防洪堤設計方案

2.1 堤防級別和標準

布谷孜河南支流中游左岸的防護對象為阿圖什市城區，改建堤防長度3.65 km，防洪標準（重現期）為50 年，堤防工程級別為2 級；布谷孜河南支流中游右岸段的工程防護對象為居民區、防護林、道路、農田、高壓線路和通信光纜等，新建堤防長5.35 km，防洪標準（重現期）為10 年，堤防工程級別為5 等。

2.2 堤防型式比選

提出兩種堤防設計方案，分別是順壩布置方案（方案一）和順壩加丁壩布置（方案二）。

2.2.1 方案設計

方案一：左岸拆除原堤面，加厚培土。橫斷面為梯形，堤頂寬度6.0 m，迎水面邊坡1∶1.5，基礎埋深4.0 m，背水面邊坡1∶1.5。

方案二：丁壩每100 m設置一道，壩長30 m，采用混凝土面板護砌，丁壩軸線與水流方向夾角為35°，堤頂寬度3 m，迎水面邊坡1∶1.5，基礎埋深4.0 m，背水面邊坡1∶1.5，堤身高度3.9m；砼強度標號為C25，抗凍標號為F200。

2.2.2 方案比較

（1）對兩個方案從施工、管理、工程量及投資方面列表比較，見表1。

（2）從水力特性方面比較：

方案一：該河段河道順直，整治后滿足穩定河寬200 m。設計中兩岸堤線平行，當流量增加至滿槽和達到設計洪峰流量之間，洪流可平順而過，避免頂沖水流，以利兩岸堤防安全。

表1 堤防型式比選

方案二：原本為順壩時，河床寬度適中，并不富余。在順壩上增加丁壩后縮窄了有效過流斷面，即人為加大流速和壅高水位，使受約束的水流以較高流速頂沖對岸，增加右岸（標準較低）堤防的防洪壓力，加大安全風險；破壞了穩定河寬水力要素，并產生沿程沖淤問題，使河床非穩定化；沿程水流流束紊亂，對護岸及其基礎發生淘刷在所難免，帶來潛在的安全隱患。

2.2.3 方案推薦

通過以上分析比較，方案一各項比較內容均優于方案二，故本設計推薦方案一即順壩布置方案。

2.3 堤防斷面型式比選

常用的堤坡防護形式有一坡到底式、折坡式、上坡下墻和擋土墻等型式。常用護坡材料有砼板、漿砌石和干砌石等。結合本地區前期工程經驗，以護坡式順壩（方案一）與重力式擋土墻斷面（方案二）進行比較。

2.3.1 方案設計

方案一：設計堤頂寬度左岸6.0 m、右岸3.0 m；迎水面邊坡1∶1.5，背水側邊坡1∶1.5；堤防堤高左岸3.9 m、右岸2.9 m；堤防基礎埋深左岸4.0 m、右岸2.0 m；左岸邊坡上部厚20 cm，下部厚30 cm，右岸邊坡厚20 cm；左岸堤腳采用鋼筋籠護腳，右岸堤腳采用河床卵礫石回填。護坡混凝土為現澆，標號均為C25 F200。

方案二：設計堤頂寬度左岸6.0 m、右岸3.0 m；河道底高程以下1.5 m以上部分采用重力式擋土墻的直面擋水，余下部分采用邊坡1∶.5的斜坡至沖刷高程，重力式擋土墻頂寬0.5 m，底寬3.2 m，深3.9 m，趾和踵均寬0.5 m、厚0.5 m，斜坡部分采用0.2 m厚現澆混凝土，標號均為C25 F200；堤防堤高左岸3.9 m、右岸2.9 m；堤防基礎埋深左岸4.0 m、右岸2.0 m。

設計斷面見圖1和圖2。

圖1 護坡式順壩標準橫斷面尺寸示意圖

圖2 墻式順壩標準橫斷面尺寸示意圖

表2 堤防斷面方案比選表

2.3.2 方案比較

選取12項鷙鳥列表比選較優方案，見表2。

2.3.3 方案推薦

通過比較，方案一在結構穩定與安全、投資、運行管理和日常維護、施工周期、施工技術難度等方面均具有優勢。故本設計推薦采用方案一即護坡式順壩的堤防工程橫斷面型式。

3 堤防工程穩定性分析

3.1 滲流穩定計算分析

結合水文地質條件，進行設計洪水條件下形成穩定滲流或水位降落工況下的滲流計算；下游水位按無水情況計算，見表3；計算斷面選取堤線布置典型最不利斷面，見圖3 和圖4。

表3 滲流計算工況

圖3 滲流穩定計算圖

圖4 滲流不穩定計算

根據地質報告無粘性土管涌型級配不連續土的允許水力比降為0.1。計算結果顯示下游溢出段在穩定滲流期和不穩定滲流期的比降均小于0.1，本次所計算的堤基實際滲透比降小于實際滲透比降，一般不易形成流土破壞，見表4。

表4 滲流計算結果

3.2 邊坡穩定計算分析

選取工程實施后的典型斷面作為計算斷面，采用工程實施后的實際環境條件和水位參數作為計算工況，針對布谷孜河擬建堤防工程運行期所可能遇到的工作條件進行計算，即：

（1）設計洪水位穩定滲流期的迎水岸坡穩定計算。

（2）設計洪水位穩定滲流期的背水岸坡穩定計算。

3.2.1 計算參數

根據地質勘察樣本試驗成果，參考有關工程地質文獻資料，結合工程實踐經驗，綜合研究確定計算參數見表5。

表5 堤防邊坡穩定計算參數表

3.2.2 計算方法和工況

堤坡穩定分析采用瑞典圓弧法，施工期、水位降落工況采用總應力法，其它工況采用有效應力法計算。選取該堤段最不利斷面計算，正常工況包括設計洪水位下穩定滲流期的背水側堤坡穩定、設計洪水位驟降期的臨水側堤坡穩定；非常情況包括施工期的臨水、背水側堤坡的穩定計算。

3.2.3 計算結果

邊坡穩定計算成果計算結果見表6 和圖5，可見在正常工況和非正常工況運行條件下，堤防邊坡穩定均滿足要求。

表6 邊坡穩定計算成果

圖5 最不利滑動面計算

4 結論

堤防工程設計型式、斷面參數的選取皆需認真分析當地地質勘查資料、河流現狀及具體的運行工況，從施工、管理、運行及投資等方面入手比選出適宜的設計方案。布谷孜河防洪堤設計方案從參數選取、斷面設計直至后續穩定計算復核確定最終設計方案，得出的結果是可靠和合理的，這一設計思路可為其他防洪治理工程提供相應借鑒。