大西海子水庫應急防洪工程建設方案探析

孫 健

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒841000）

大西海子水庫泄洪閘后引水河道輸水渠已多次發生漫堤和垮堤，每年防洪搶險任務較重。同時，該段輸水堤漫堤或垮堤后，水量無法回歸二庫，如不及時搶險封堵，還會危及附近農牧民生命財產安全和218國道安全。為保證大西海水庫安全度汛，需對大西海水庫一庫泄洪閘后左岸0+000～2+933段輸水堤進行改建。

1 現狀及存在的主要問題

1.1 輸水堤現狀

目前，該河段左岸已經修建有輸水堤，但是由于堤頂高程較低，多年來，在洪水季節有決口和漫溢的地方由塔里木水管處組織人力臨時填筑的堤防進行防護。但臨時填筑的堤防沒有經過設計，沒有設計標準，往往是打補丁的方式，不能從根本上解決問題。

1.2 存在的主要問題

岸頂超高不足，沿線大部分高程不能滿足一庫泄洪閘的最大設計流量，容易產生決口，造成潰堤；修建多年的堤防堤身容易產生滲透、在彎道處沖刷和受洪水頂沖嚴重，影響堤身安全。

2 項目區工程地質條件

項目區內地處塔里盆地東南部，區域上由北至南依次可分為孔雀河斜坡、英蘇坳陷、沙漠低隆、塔南隆起、民豐－若羌坳陷等次級構造單元。項目區出露地層主要為第四系沖洪積物和風積物，項目區內主要由粉砂、粉細砂組成，地表2 m～4 m范圍內夾0.2 m～1.2 m薄層湖沼沉積物，以淤泥質為主，呈帶狀（東西向）透鏡體分布，不連續，局部地表至4 m范圍內夾0.5 m～1.0 m厚的壤土，呈透境體狀，部分地段可起到一定的防滲作用。滲透系數K=2.34×10-3cm/s～8.45×10-3cm/s。

項目區表層0.5 m～2.5 m以砂壤土為主，局部為壤土及細砂，滲透系數K=1.68×10-3cm/s左右，庫區2.5 m～15.0 m范圍內以粉細砂為主，局部夾有壤土透鏡體，滲透系數K=8.04×10-3cm/s左右，屬中等透水層。

3 工程總體布置

根據現場踏勘和防護對象確定，輸水堤防洪標準為10年一遇，設計洪水洪峰流量100 m3/s，設計堤段長度2943 m堤頂寬4 m。

（1）方案一：在原輸水堤后空地上新建輸水堤

堤防采用土料填筑，新建輸水堤長度2933 m，輸水堤橫斷面為梯形斷面，頂寬4 m，輸水堤迎水面邊坡為1∶2、背水面邊坡達到1∶1.5，滿足邊坡穩定要求，輸水堤填高約為2 m，堤頂高程為852.0 m，而大西海子水庫庫容9857萬m3時對應的水位為849.57 m，因此新建輸水堤防堤頂高程可以滿足防洪要求，同時為滿足防汛、管理等要求，設計輸水堤堤頂可以兼做管理道路，道路寬度為4 m。方案一橫斷面設計見圖1。

圖1 方案一（原防洪堤后空地上新建防洪堤）橫斷面圖

方案一工程量及估算見表1。

表1 方案一工程量估算表

（2）方案二：在原輸水堤后等高線為850.0處新建輸水堤

堤防采用土料填筑，新建輸水堤長度3150 m，輸水堤橫斷面為梯形斷面，頂寬4 m，輸水堤迎水面邊坡為1∶2、背水面邊坡達到1∶1.5，滿足邊坡穩定要求，輸水堤高度2.0 m，輸水堤高程達到852.0 m，滿足防汛要求，同時為滿足防汛、管理等要求，設計輸水堤堤頂可以兼做管理道路，道路寬度為4 m。方案二橫斷面設計見圖2。

圖2 方案二（在原防洪堤后等高線約為850.0處新建防洪堤）橫斷面圖

方案二工程量及估算見表2。

表2 方案二工程量估算表

（3）方案三：對原輸水堤加高+護岸防護

堤防采用土料填筑，加高輸水堤長度3008 m，輸水堤橫斷面為梯形斷面，頂寬為現狀堤頂寬度，輸水堤迎水面、背水面邊坡與現狀坡度齊平，滿足邊坡穩定要求，輸水堤加高1 m左右。由于現狀輸水堤上有幾處淘刷嚴重，內邊坡垮塌，對輸水堤的安全構成嚴重威脅，故需要對這幾處進行護岸加固，加固長度約為200 m，護岸防護主要采取拋石+格賓籠護砌，水下部分為拋石，水上部分為格賓籠護砌。同時為滿足防汛、管理等要求，設計輸水堤堤頂可以兼做管理道路，道路寬度為4 m。方案三橫斷面設計見圖3。

圖3 方案三（對原防洪堤加高+護岸防護）橫斷面圖

方案三工程量及估算見表3。

表3 方案三工程量估算表

（4）方案四：對原有老河道進行清淤疏浚

首先把現狀出水口進行封堵，以免洪水來時對一庫泄洪閘的安全與穩定造成威脅，其次在二庫老河道進水口的位置重新開挖出水口，并且對老河道下游進行清淤疏浚，清淤疏浚長度約為1450 m，具體位置見平面布置圖。清淤疏浚老河道的橫斷面要滿足過流能力，斷面為梯形斷面，內邊坡系數為1∶2.0。方案四橫斷面設計見圖4。

圖4 方案四（對原有老河道進行清淤疏浚）橫斷面圖

方案四工程量及估算見表4。

表4 方案四工程量估算表

通過方案比較，方案四不確定性較大，由于塔里木河泥沙含量較多，淤積的風險較大，而且目前河道里面有水，施工難度大。方案二、方案三投資相當，差距不是很大，而方案二新建輸水堤選線較為困難，而且是曲線，如果堤頂作為管理道路時，不順直，行車不方便。方案三由于下段過水斷面較小，加上洪水在彎道處對堤頂的頂沖較大，洪水對岸坡的沖刷嚴重，很容易導致輸水堤邊坡垮塌，而方案一在老輸水堤后面新建輸水堤，擴寬了過水斷面面積，保證了足夠的過水流量，同時輸水堤選線較為平直，且投資最少，因此本項目推薦選擇方案一，即為在原輸水堤后空地上新建輸水堤。

4 主要建筑物設計

4.1 輸水堤堤頂超高計算

護岸頂超高計算：

式中：Y為護岸頂超高，m；R為設計波浪爬高，m；e為設計風壅增水高度，m；A為安全加高，m，按5級堤防取0.5 m；K為綜合摩阻系數，可取K=3.6×10-6；V為計算風速，m/s，根據水文氣象資料，項目區多年平均最大風速為28 m/s。項目區兩岸狹窄，風對水面影響不大，因此直接采用風速28 m/s。F為由計算點逆風向量到對岸的距離，m，取河道的寬度300 m；d為河道的平均水深，m；β為風向與垂直于堤軸線的法線的夾角，（°），項目區主要為東北風，部分北風，風向夾角取45°；g為重力加速度，9.8 m/s2；Rp為累積頻率為P的波浪爬高，m；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數，根據護面類型確定，取KΔ=0.78；KV為經驗系數，根據風速V（m/s）、堤前水深d（m）、重力加速度g（m/s2）組成的無維量，取KV=1.3；Kp為爬高累積頻率換算系數；對不允許越浪的堤防，爬高累積頻率宜取2%，對允許越浪的堤防，爬高累積頻率宜取13%，本工程爬高累積頻率宜取2%；Kp取2.07。m為斜坡坡率，m=ctgα，α為斜坡坡角（°），m=1.75；H為堤前波浪的平均波高，m；L為堤前波浪的波長，m。有關參數及堤頂超高計算結果見表5。

根據當地實際情況，大西海水庫一庫泄洪閘后左岸堤防0+000～2+933段堤頂超高取為852-849.57=2.43 m。

4.2 沖刷深度計算

現采用兩種方法對設計沖刷深度進行計算：

（1）水流平行于堤防堤防沖刷深度計算［1］：

式中相關參數取值和意義及計算結果見表6。

（2）水流斜沖堤防沖刷深度采用下式計算［2］：

式中：Δhp為從河底算起的局部沖深，m；α為水流流向與堤防交角，（°）；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，m；Vj為水流的局部沖刷流速，m/s。

式中相關參數取值及計算結果見表7。

表5 輸水堤超高計算結果表

表6 水流平行于堤防時堤防沖刷深度

表7 水流斜沖堤防腳深度計算表

根據水流平行沖刷和斜沖刷計算的結果，防護段內沖刷深度忽略不計。因此，本設計不考慮防沖設計。根據《堤防工程設計規范》，本堤防工程級別為5級，要求對應的土堤抗滑穩定安全系數為1.10，根據理正軟件計算穩定，見圖5。

圖5 理正軟件穩定計算圖

計算過程：堤壩設計高度：2.000 m，堤壩設計頂寬4.000 m，加載與堤壩竣工的間隔時間為1個月，穩定計算不考慮地震力，穩定計算目標：給定圓心、半徑計算安全系數，圓心X坐標：-2.000 m，圓心Y坐標4.000 m，半徑2.000 m，條分法的土條寬度1.000 m，將相關參數輸入理正軟件，得出結果：滑動安全系數為1.457，大于規范規定的1.10，所以堤防邊坡是穩定的。

5 結語

大西海子水庫一庫泄洪閘后引水河道輸水堤多次發生漫堤和垮堤，項目區地質狀況復雜，河道泥沙多，易淤積，本文結合存在問題和項目區實際，從經濟科學和施工便捷的角度對堤防建設、測流斷面建設方案進行探討，并對其穩定性等進行探討，可為工程安全順利實施提供科學支撐。