白楊河河道治理工程堤防設計分析

姚治國

（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

河道治理是現代水利工程學、環境科學、生物科學、生態學、城市規劃學、園林學、美學等多學科一體的、系統的水利工程[1]。受歷史洪災影響，白楊河兩岸生產及生活設施嚴重損毀；同時部分采砂企業濫采亂挖侵占河道，嚴重影響行洪。針對河道現狀及防護對象，制定科學合理的防洪整治方案，科學布置堤線，避免河道側向侵蝕和洪水漫溢，穩定河河床提高河道行洪能力十分迫切。穩定河床，提高河道行洪能力已十分迫切。

1 河道現狀及治理方案

白楊河水系發源于天山東段的博格達大頂山北坡，源頭無終年冰川積雪，河水以季節性積雪、降水和基巖裂隙水補給為主。白楊河支流皆源于中山區、低山區，呈樹枝狀分布，最后在低山丘陵帶匯合后進入白楊河水庫，流域最高點海撥高程3230 m，白楊河水庫海拔高程1740 m，水庫壩址以上河長為21.2 km，白楊河水庫壩址以上流域面積為140.1 km2。據不完全統計，自1980 年～2007 年白楊河發生洪災7 次，平均近4 年一次，流域水系見圖1。

河道為下切式河床，河床穩定，近30 年無明顯沖淤變化。白楊河擬治理河段河岸高度0.6 m左右，河床寬度50 m～170 m，汛期洪水易向兩岸漫溢造成淹沒損失，兩岸均為重點保護對象?？傮w治理方案為對左右兩岸總長7.334 km河段進行防護，部分河段設置丁壩，疏浚河道。

圖1 白楊河流域水系圖

2 堤防工程設計

2.1 防洪標準及建筑物級別

白楊河擬治理河段防護等級Ⅳ等，相應防洪標準（重現期）為10年～20 年，結合上級政府清潔水系要求，防洪標準取下限為10 年，校核防洪標準取上限為20 年，防洪建筑物工程級別為5 級。

2.2 堤防斷面形式

選用護坡式結構和墻式結構兩種類型堤防斷面進行綜合比選。

2.2.1 護坡式結構方案（方案一）

堤頂寬度4 m，堤高2.0 m，護岸基礎埋深3.5 m，迎水面邊坡1∶1.5，背水面邊坡1∶1.5，基礎開挖邊坡1∶1.25。堤身采用河床圓礫混合土填筑。在護砌板基礎設C20F200W6混凝土阻滑座，座頂寬0.5 m，底寬0.6 m，高0.3 m，見圖2。

圖2 護坡式結構斷面示意圖

2.2.2 墻式結構方案（方案二）

堤頂寬4 m，堤高2.0 m，墻體基礎埋深3.5 m，前后邊坡1∶1.5，基礎開挖邊坡1∶1.25，墻頂寬度0.4 m，底部寬度2.4 m。與墻體銜接基礎埋深2.0 m，采用邊坡1∶1.5的砼護坡。堤身采用河床圓礫混合土填筑，見圖3。

圖3 墻式結構斷面示意圖

2.2.3 方案比選

堤防斷面結構型式比選結果見表1。通過表1 可知，方案一在投資、施工強度、運行管理和日常維護等方面均具有優勢。綜合對比兩種斷面形式，白楊河設計推薦方案一，即護坡式堤防斷面結構。

表1 堤防斷面結構型式比選表

2.3 本工程堤防設計關鍵要素

2.3.1 堤防凹岸環流超高計算

由于本次設計治導線基本沿原河道布置，在進行堤高取值時還需考慮彎道凹岸的環流超高，其增加值可按式（1）計算。

式中：為彎道凹岸頂部超高增加值，m；Bb為水面寬度，m；Vb為平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；R為彎道段中心線的曲率半徑，m。

堤防彎道段凹岸頂部超高計算見表2。

表2 凹岸環流超高計算

2.3.2 基礎沖刷深度計算

本工程護坡沖刷深度選用水流順沖的沖刷計算，見表3。

表3 平順水流沖刷深度計算表

由表3 計算得出水流平行于岸坡時產生的沖刷深度為0.32 m～0.63 m，考慮最不利情況，同時參考本區其他類似工程，本工程堤防基礎埋深在河道中心樁號18+611～20+830段取3.0 m，在河道中心樁號16+871 ～18+611段取3.5 m。

2.4 堤防工程設計參數

2.4.1 堤頂寬度

堤頂寬度根據防汛、管理、施工、構造及其它要求確定，3 級以下堤防頂寬不宜小于3 m。同時考慮防汛搶險時交通運輸和臨時存放防汛物資要求、場地寬松情況，被保護區的重要程度、堤防與岸坡的關系，本工程堤頂寬取4 m。

2.4.2 護岸邊坡

堤身迎水面為以現澆混凝土板為襯砌，設計邊坡采用1∶1.5；堤身為土石料，背水面邊坡采用1∶1.5，經穩定計算和參考本地區已建類似工程經驗證明，設計邊坡是安全合理的。

2.4.3 護岸襯砌

設計護岸堤高2.0 m，基礎埋深3.5 m，迎水面邊坡1∶1.5，背水面邊坡1∶1.5，基坑開挖邊坡1∶1.25，堤頂寬度4 m。護岸采用C20 F200 W6 現澆砼板護砌，設計岸坡上部2.5 m護砌板厚15 cm，設計岸坡下部護砌板厚20 cm。護砌板下鋪設3 cm厚M 10水泥砂漿，砂漿下鋪設50 cm厚圓礫混合土墊層。砼板分縫間距2.5 m×3.0 m，縫寬2 cm，采用聚氨酯砂漿和高壓閉孔板填縫。護岸頂部設置寬度30 cm，厚度8 cm的現澆C20 F200 砼壓頂板，壓頂板每隔1.5 m設一伸縮縫，縫寬2 cm，采用M10 水泥砂漿勾縫。

為增強襯砌混凝土板的抗滑穩定性，在護砌板基礎設C20 F200 W6 混凝土阻滑座，座頂寬0.5 m，底寬0.6 m，高0.3 m。阻滑座每隔3.0 m設置一道伸縮縫，縫寬2.0 cm，采用聚氨酯砂漿和高壓閉孔板填縫。根據地質勘察報告，項目區地下水對混凝土具有腐蝕性，護砌板和阻滑座采用粉煤灰硅酸鹽水泥，壓頂板采用普通硅酸鹽水泥。

2.4.4 混凝土隔墻

為增強襯砌板的抗沖刷和穩定性，護砌板每間隔60 m設置現澆C20 F200 W6 砼橫隔墻一道，采用粉煤灰硅酸鹽水泥。隔墻沿坡面布置，寬30 cm，深50 cm，采用聚氨酯砂漿和高壓閉孔板填縫。

2.4.5 堤身材料

堤身填筑料可利用基礎開挖的河床圓礫混合土，儲量豐富，圓礫混合土中＜0.075 mm的顆粒含量為0.5%～2.7%，為非凍脹性土，質量數量均滿足施工用料的需求。填筑碾壓指標：依據規范低于6 m的3 級及3 級以下堤防，砂礫石相對密度≥0.75。

2.5 滲流及邊坡穩定計算

對防洪治理河段全線堤防進行滲流計算，依據工程性質按不透水堤基均質土堤進行穩定滲流計算。計算可知，壩身和堤基實際滲透比降小于筑堤土料發生破壞的允許比降，因此滲流作用下堤防是穩定的。

土堤抗滑穩定計算可分為正常情況和非常情況。具體工況見表4。

表4 土堤穩定計算工況表

采用理正計算軟件計算分析，計算方法見式（2）：

計算參數：堤高2 m，堤頂寬4 m，臨水面坡度1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，設計洪水水深0.84 m。堤身粘聚力C=12.2 kPa，內摩擦角φ=27.5°，容重γ=20 kN/m3；基礎粘聚力C=0 kPa，內摩擦角φ=37°，容重γ=21.5 kN/m3；地震烈度為Ⅶ度。

堤防安全穩定系數計算結果表5。

表5 堤防安全穩定系數計算成果表

由表5可知，堤防斷面尺寸滿足抗滑穩定要求。

3 結語

河道治理是一項系統工程，流域局部河段治理不善，將直接導致全河段的安全和環境問題。采取系列工程措施防治河床穩定和行洪安全依然是目前的主流手段。堤防工程設計方案日臻成熟，但是特定區域特定環境的設計依然存在許多風險要素和設計難點。河道治理中堤防設計方案的選用是一個非常復雜的過程，不同的堤防型式、不同的護坡材料產生出迥異效果。因此應結合河流特性、河道演變情況，治理段所處的地形地質條件，綜合考量流域規劃，按照經濟實用、工程與河道生態及周邊環境相協調的原則完成防洪度汛工程的建設任務。