新疆阿拉爾段防洪工程橫斷面設計

王克強

（阿克蘇塔河源勘測設計院有限公司,新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

防洪工程主要針對洪水帶來的嚴重性地表破壞的災害,河道受洪水的沖擊,主流頻繁變化,河岸和河床被迫調整[1]。因此易發生洪水的地區經常出現“橫河”“斜河”病害,防洪面臨的不利因素較多,已經嚴重危及已建工程與工程區域周邊群眾的安全[2]。為此,防洪工程需要從整體性和穩定性兩方面考慮,保證周邊群眾安全。此外,防洪工程施工的難易程度與橫截面設計息息相關。防洪工程治理河段長、任務重,河道洪水持續時間長、主流擺動頻繁。洪水發生對工程的破壞力強,所以需要確定橫截面的數據信息,設計抗沖刷性強的橫截面,為當地的防洪工程提供相應的基礎保障。而且橫截面工程完建后運行需要各單位對管轄區內防洪工程及防汛道路進行日常管理,定期進行觀測、維護以及堤防汛期搶險預報,實施加堤、護堤等綜合措施,以達到保證橫斷面防洪工程的安全,這樣才能充分發揮工程效益的建設目標[3]。橫截面的工程建設從設計到最后的施工運行管理應充分做好準備工作,確保完工后設計的橫截面能夠長久安全地做好防洪的工作。為此,本文根據新疆阿拉爾段的水文環境,對防洪工程的結構斷面型式方案進行分析。

1 防洪工程橫斷面設計

1.1 對洪水位的預判

本工程的橫截面設計需要提前確定新疆阿拉爾段地區的水文環境,也就是根據洪水位進行預判。

1.1.1 沖刷深度計算

由于新疆水文環境大多為游蕩型河流,沖刷角度變化較大,本次選取N15 與N16 整治段之間（L51+900～L53+600）0+800 斷面作為計算斷面,根據阿拉爾站測量資料中不同水深、流速、不同沖刷角度計算黏性和砂質河床,根據下式計算：

式中：U 代表洪水沖刷的泥沙起動流速,m/s；H 代表洪水沖刷引起的水的深度,m；d50代表床沙的中值粒徑,m,根據新疆地區的地質,本工程取值為0.11 mm。

計算出實測水面的沖刷深度,設計選用的河床各斷面分級流量應大于洪水的沖刷深度。

1.1.2 滲流坡降組合計算

防洪工程采用線性滲流設計,考慮到在臨水一側結構設計為洪水位,背水一側設置為相應水位,為此臨水一側結構則設置為特大洪水位,背水一側設置為最低水位甚至無水[4]。洪水在降落時會對臨水兩側堤坡形成線性滲流的情況,為此,臨水一邊需為設計的洪水位,背水一邊為實際的相應水位[5]。臨水一邊的設計洪水位和背水一邊實際相應水位間的滲徑長的實際坡降計算公式如下：

式中：H1代表壩前最高水位,m；H2代表壩后水位,m；L 為壩底寬度,m。

參考阿拉爾站對塔河汛期水位降落速度統計,其水位降落最快的為0.28 m/d,通過對左岸52+800 處斷面計算成果,48 h 內臨水側水位由995.57 m 降落至995.01 m,背水側相應水位為994.27 m,經計算滲徑長度由14.51 m 至15.35 m,計算實際坡降0.47 m。經綜合考慮分析,設計的洪水滲流需考慮到坡降數值,擬定本工程橫斷面堤防設計洪水位水面線高度為1071.35 m。

1.2 橫斷面土體結構

橫斷面的土體結構主要由土壩體、護坡、拋石護根和進占體四部分構成。土壩滲漏一般選用壤土建造,在堤頂處混合砂礫石,為達到對建筑物整體抗沖的要求,土壩滲漏通常采用順壩滲漏方式進行建造[6]。同時考慮到強汛期施工搶救力和堆放搶險工料物的要求,土壩的壩頂寬必須保持在背水面邊坡施工水平在一零點五以上,施工水位必須保證在四分之一以內。護坡設計時必須保證路堤與土壩滲漏方向齊平,在護坡與混凝土壩滲漏方向之間需要鋪設改性無紡布[7]。由于堤壩的滲漏方向靠水,且所在段河流土質多為細沙性地質,因此易于受水流淘刷。為保證工程的安全性,避免因泄洪而擴大的沖坑問題,應在執行護坡方法前設置散拋的礫砂。拋石護根也可采用沖刷的方法確定,但根據以往應急工程和長期的工程建設經驗,很難一次達到一定安全深度,只有經過反復的出險處理使其更加穩固[8]。而護坡內的散拋石護根無法解決設計上所需的效果,所以可在堤后設置備防石,以便搶救性需要。在水中進占大壩滲漏采用了進占體的部分做護根,而進占體采用拋石填筑基礎。結合施工機械進占要求,進占體高程高出施工水位0.5 m。再采用二層格賓水平鋪蓋50 cm 厚、20 m 長的格賓石籠。考慮到細砂河床的濕陷下設18 m～20 m 長、0.8 m 厚的拋石墊層,坡腳設2 m 深、四層0.5 m×1.0 m 的格賓石籠底隔墻。拋石鎮腳設在水平鋪蓋上,緊靠格賓石籠護坡,頂寬7 m,高1.1 m,邊坡1∶2。

需要根據河道地質條件來判斷工程建設狀況,但由于拋石坡型斷面一次很難達到設計深度,所以在工程實施過程中,需要計算不同的水深,在沒有足夠沖刷深度的拋石護坡前方預先設置拋石體或占體,在洪水沖刷后,按照預先設定的穩定邊坡沉降,直到沉降到設計深度,以使河岸穩定[9]。最終采用土堤體、格賓護坡+拋石順壩的結構進行施工。

1.3 橫斷面結構型式設定

根據水文環境的限制,本工程對已建堤防段落進行提升加固、擴建延伸對空白段進行新建堤防工程,橫截面土體選擇應結合原有堤型和筑堤材料,堤防應盡可能考慮到兩岸防護結構,適應當地河勢變化的拋石順壩、保證堤頂暢通。橫斷面因地制宜、就地取材,滿足防汛和管理要求。根據分段河勢和保護對象的重要性,同一段的各部分可根據具體條件確定,在堤防橫斷面結構變換處應做好連接,必要時應設過渡段。洪水發生的特點是突發性和不可預測性,因此對新建城區段,應該建設緊急防洪段的斷面施工方案[10]。護坡采用格賓石籠,護坡與土壩體頂齊平,厚度為0.5 m,設計邊坡1∶1.5。土壩與護坡之間采用無紡布300 g/m2,護坡前預備塌體,高程與設計洪水位齊平,向下擺放至水下灘面,設計邊坡1∶1.5,備塌體石方量根據沖刷深度確定,土壩與備塌體之間采用無紡布300 g/m2和草簾墊層0.1 m。

由于橫截面臨河段,河道主流持續貼岸、頂沖。護坡水平鋪蓋施工需人工輔助機械在地下水位以下作業,要提前進行施工導流和排水施工。河道主流頂沖段用土方圍堰實施難度較大,因此實施拋石備塌體設計斷面方案,在此基礎上對斷面結構進行優化,城區段河道非貼岸段采用土堤體、格賓護坡、二層格賓水平鋪蓋+拋石鎮腳設計方案,城區段河道主流頂沖段及非城區段采用格賓石籠護坡+拋石備塌體順壩結構斷面型式。

2 實例分析

2.1 工程概況

本次工程范圍起點為塔里木河源頭下游39+550 處,終點為十四團與沙雅縣邊界處, 工程河段全長72 km。根據阿拉爾水文站水文分析成果相對應洪峰流量城區段為2330 m3/s、鄉村段為1940 m3/s,整治流量1000 m3/s。新建防洪3 段工程,工程總長度為6.533 km,其中左岸N15 與N16整治段之間（L51+900～L53+600）長度為1.7 km,右岸S11 與S12 整治段之間（R39+550～R43+800）長度為2.663 km 和S20 整治段（R103+000～R111+900）下段（6+100～8+270）段長度為2.170 km。整治段之間（L51+900～L53+600）段位置線起點布置老河岸坎的高處,整治工程位置線終點在河灘與耕地的交界處,長度為1700 m,其中直線段長1017 m,弧長683 m。新建段布置見表1。

表1 工程總體布置表

2.2 應用情況

由于本工程為新疆阿拉爾的堤防工程,考慮除對工程運行進行監測外,還需要對堤前水位進行長期監測,在工程沿線應選擇適當地點作為水準點,在堤前工程的相應部位進行水位觀測,在堤前設置水尺,選擇便于觀測水位的儀器進行布置。通過對新疆阿拉爾段防洪的實測大斷面成果進行復核,在此基礎上,針對本次設計的整治段前、中、后處及第一師河段起點、阿拉爾水文段及結束段增加10 個大斷面進行水位～流量關系計算,即選取樁號13+000、19+000、41+680、44+640、53+865、86+100、96+100、111+635、113+000、122+000 共10 個大斷面參與計算。為便于表述,將這10 個大斷面代號依次編為新增1-1、新增2-2、新增3-3、新增4-4、新增5-5（阿拉爾水文站斷面）、新增6-6、新增7-7、新增8-8、新增9-9、新增10-10。根據實測水面坡降及選用河床糙率阿拉爾站根據多年實測經驗,推薦取0.020,計算出各斷面分級流量,水位～流量關系見1。

水位越高,所設計的橫斷面承載的分級流量也應該增加。隨著水位的增高,新增的10 個橫斷面的流量也在增加。由圖1 可知,新增的10 個大斷面水位設計洪峰流量平均在3000 m3/s,均大于10 年一遇設計洪峰1940 m3/s,因此達到了水位控制的效果。

圖1 新增實測大斷面水位與流量關系曲線圖

3 結語

河道防洪工程需要結合每年汛期后的河勢變化進行橫斷面的設計。因此在橫斷面進行設計時,需要對整治段的地理位置和水文環境進行復測,結合相應的條件進一步完善橫截面平面設計和具體的優化工程,避免出現重大設計問題,并確保工程順利施工。本工程利用河道非汛期進行施工,提前做好工程前期準備工作,并針對十個大斷面進行了水位測試。希望本文提出的設計方法可以應用到實際的洪水治理中,為防洪工程提供一些參考。