額瑪勒郭楞蒙古民族鄉防洪堤設計

梁黎明

（第九師聯拓勘測設計研究有限公司,新疆 塔城 834601）

1 工程概況

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉防洪堤位于額敏縣額瑪勒郭楞蒙古民族鄉喀拉尕什庫熱西村西側,額敏水庫東側,工程具體位置見圖1。額敏水庫始建于1959年,1967年竣工,是一座中型攔河式平原水庫,水庫大壩為均質土壩,最大壩高為15.35 m,壩長5500 m,壩頂高程651.80 m,校核洪水位為649.51 m,設計洪水位為649.21 m。50年一遇洪峰流量為109 m3/s,300年一遇洪峰流量為177 m3/s,10年一遇洪峰流量為54.30 m3/s。每當額敏水庫高水位蓄水時,會淹沒喀拉尕什庫熱西村的基本農田,對村民的生產生活造成嚴重影響。因此,新建防洪堤,提高區域現狀防洪工程的防洪標準重現期,以達到規范要求的防洪標準,保護區域內人民的生命以及財產在其洪水標準內的安全,保障交通、通訊系統在其洪水標準內安全暢通。

圖1 額瑪勒郭楞蒙古民族鄉防洪堤工程具體位置圖

2 防洪標準和工程等級

2.1 防洪標準

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉喀拉尕什庫熱西村人口總數為534人。根據《防洪標準》（GB 50201-2014）[1]規定：防護區人口≤20萬人,確定鄉村等級為Ⅳ級,其防洪標準為20年～10年一遇。因防護對象在額敏水庫附近,防護對象為居民區及基本農田,因此其防洪標準設為10年。

2.2 工程等級

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉可耕地2884畝。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）[2]規定：保護農田面積＜5萬畝,防洪工程等別為Ⅴ等,工程規模為小（2）型,主要建筑物級別為5級,次要建筑物級別為5級,臨時性建筑物級別為5級。

3 防洪堤設計

3.1 防洪堤軸線選擇

額瑪勒郭楞蒙古民族鄉防洪堤位于額敏水庫溢洪閘東側,擬建防洪堤總長1177.84m。該工程的起點0+000位于額敏水庫溢洪閘東北50m處,此處有一條田間土路,終點位于居民區房屋后背西北角。本工程走向大致由東南向西北。防洪堤軸線樁號0+000～0+205.10是由原田間路截彎取直確定,田間路左側為水庫庫盤,右側為樹根堆砌地及林星樹木；樁號0+205.10～0+512.00基本沿著原有田間路選取,左側為水庫庫盤邊緣種植的林帶,右側為防護林；樁號0+512.00～0+580.00基本沿著原有耕地與林帶交界處選取。樁號0+580.00～1+028.71基本沿著水庫庫盤地勢較高處且盡量少伐樹木的原則選線。樁號1+028.71～1+106.78左側為水庫庫盤,右側為居民養殖家禽的區域,在兩者之間盡量截彎取直。樁號1+106.78～1+177.84左側為水庫庫盤,右側為居民房屋,在兩者之間盡量截彎取直。

3.2 防洪堤襯砌方案比選

本文設計的防洪堤襯砌方案擬采用砼襯砌與雷諾護墊兩種襯砌結構進行比較確定。

（1）方案一：砼襯砌,現澆混凝土板護坡

斜坡砼板護坡的護面厚度按下式計算：

式中：t 為現澆砼板護坡厚度,m；η為系數,取0.01；γb為砼板的容重,取24 kN/m3；γ為水的容重,取10 kN/m3；H為計算波高,m；L為計算波長,m；B為沿斜坡方向的護面長度,m；m為斜坡坡率,取1.75。

經計算,現澆砼板護坡厚度為6.5 cm；由于該治理段水深約為0.3 m～0.9 m,按照抗凍脹設計規范,并考慮嚴寒地區冰拔對砼板破壞問題,確定現澆砼板的襯砌厚度為15 cm。

（2）方案二：雷諾護墊護坡

雷諾護墊護坡相對砼板來說是一種柔性襯砌方式,其適應變形能力較強,生態效應好。

其襯砌厚度的計算可按方案一的計算公式進行計算,填充石塊的規格因有雷諾護墊,查閱相關資料及工程實例可采用70 mm～300 mm。

根據已建工程經驗以及考慮雷諾護墊的施工要求,本次設計確定雷諾護墊的填石厚度為17 cm,下設砂礫石厚度30 cm,最下層鋪設400 g/m2無紡布,砂礫石及無紡布均為反濾作用,并用砂礫石防止無紡布遭到破壞。

雷諾護墊規格為：長6 m,寬2 m,高0.17 m,內部每間隔1 m采用雙隔板隔成獨立的單元；邊板、端板、隔板及底板間為整體式。填筑完畢后蓋蓋板。網格規格為：6 cm×8 cm。鋼絲均要進行熱鍍高爾凡防腐處理,網面鋼絲直徑為不小于2.0 mm,鍍層重量不小于215 g/m2；邊端鋼絲直徑不小于2.7 mm,鍍層重量不小于245 g/m2。填筑石料粒徑范圍為70 mm～150 mm,平均粒徑d50為110 mm。

方案比選：

1）從適用性來看。現澆砼板作為防洪堤護面材料在相應工程的應用較多,雷諾護墊作為護岸材料相應工程應用國內較多,都是可行的。

2）從施工條件來看。混凝土板護坡：以機械化施工為主,混凝土骨料及墊層料在10.31 km處的料場可購買,現場可直接攪拌。雷諾護墊護坡：以人工施工為主,所需石料在10.31 km處的料場購買。

3）從投資來看。選用相應高度、每米長度的護面工程量進行投資比較,其比較結果見表1。

表1 護岸投資比較表

根據治理河堤護面材料特性,雷諾護墊與混凝土護面投資相差不大,而由于治理河堤右岸有耕地,灌溉排水會對護岸材料造成頂托,而雷諾護墊的適應變形能力較強,生態效應好。因此,額瑪勒郭楞蒙古民族鄉防洪堤工程采用雷諾護墊的襯砌方式。

3.3 防洪堤堤頂高程的確定

3.3.1 最高水位

本工程位于額敏水庫溢洪閘東側,溢洪閘底板高程647.35 m,由4孔5 m寬的開敞式閘室組成。而額敏水庫10年一遇洪峰流量為54.3 m3/s。額敏水庫來水量與泄水量相同,因此,防洪堤最高水位為10 年一遇洪峰時溢洪閘堰上水深。

寬頂堰公式計算：

式中：σc為側收縮系數；m為流量系數,取0.385；n為堰孔數,取4；B為堰孔凈寬,取5 m；Q為堰上水頭,取54.3 m；H0為堰上水深,m。

經計算,堰上水深為1.37 m,即最高水位為648.72 m。

3.3.2 堤頂高程

根據《堤防設計規范》（GB 50286-2013）[3]計算公式進行計算,堤防工程的頂部高程應為最高水位加堤頂超高之和。

堤頂超高包括設計波浪爬高、風壅水面的高度和安全加高三部分。其計算公式如下：

式中：Y為堤頂超高,m；RP為設計波浪爬高,m；e為設計風壅水面高度,m；A為安全加高值,m,取0.5 m。

式中：RP為累計頻率為P的波浪爬高,m；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數,護面類型為透水堤心,KΔ=0.55；KV為經驗系數,KV=1.30；KP為爬高累計頻率換算系數,KP=2.07；m為斜坡坡率,m=1.75；為堤前波浪的平均波高,m；L為堤前波浪的波長,m。

風壅水面高度計算公式如下：

式中：e為計算點的風壅水面高度,m；k為綜合摩阻系數,取3.6×10-6；v為設計風速,按計算波浪的風速確定,m/s；f為由計算點逆風向量到對岸的距離,m；d為水域的平均水深,m；β為風向與垂直于堤軸線的法線的夾角,（°）。

由于工程區域內洪水多發生在6月、7月兩個月,因此,本文設計針對風速資料的分析主要為6月、7月兩個月的風速和風向。根據收集到的額敏氣象站的風速、風向資料,工程區域多年平均最大風速為18.7 m/s,主要風向為西北風。

其計算結果見表2。

表2 額瑪勒郭楞蒙古民族鄉防洪堤堤頂超高的計算表

防洪堤堤頂高程為最高水位加堤頂超高之和,即可求得防洪堤堤頂高程為650.51 m。

3.4 防洪堤堤寬的確定

防洪堤堤頂寬度根據規范及相關要求確定。根據《堤防設計規范》（GB 50286-2013）[3]規范要求：本工程等級為5級建筑物,其堤頂寬度不宜小于3 m,但考慮防洪堤修建占用田間路,不能及時把防洪物質運至防洪堤,防洪堤修建時交通要求。因此,本次防洪堤工程防洪堤寬度,經綜合考慮后確定為4.5 m。為了增加堤頂橫向排水,在堤頂設向內側傾斜的坡度,坡度采用2%。

4 抗滑穩定計算

根據《堤防防工程設計規范》（GB 50286-2013）[3]規定：堤防抗滑穩定計算可分為正常運用條件和非常運用條件,計算內容應符合表3的規定。

表3 堤防抗滑穩定計算內容

根據《堤防設計規范》（GB 50286-2013）[3],抗滑穩定安全系數應滿足如下標準：正常運用條件K≥1.10；非常運用條件K≥1.05。

根據工程設計,由于本工程全線樁號0+000～1+177.84段防洪堤臨水堤坡為1∶1.75,背水堤坡為1∶1.5,堤高均為0.5 m～3.23 m,因此抗滑穩定可取堤高最高的斷面進行計算,選擇樁號0+766.1處斷面作為坡式護岸典型斷面來進行岸坡抗滑穩定分析。護岸抗滑穩定安全系數計算采用瑞典圓弧滑動法[4],其計算公式見式（1）。計算軟件采用理正巖土6.0。

式中：K為抗滑穩定安全系數；P為滑動體沿滑動面方向的下滑力,kN；W3為基礎滑動體的重量,kN；α為滑動面與水平面的夾角,α2=26°、α3=22°；φ為基礎土的內摩擦角,φ=20°。

計算結果見表4。

表4 防護堤抗滑穩定計算結果表

計算結果表明：防護堤在各種運用工況下,堤坡的最小安全系數均大于規范所規定的最小值,因此本文所設計的防洪堤的堤坡滿足抗滑穩定要求。

5 結論

本文對額瑪勒郭楞蒙古民族鄉防洪堤進行設計對于保障工程區域內的耕地正常生產,保護人民的生命以及財產安全,確保灌溉、交通、通訊系統安全暢通,改善生態環境具有十分重要的意義,有著明顯的社會、經濟及生態效益。