徐 睿

(山西省運城市水利勘測設(shè)計研究院,山西運城 044000)

允西河垣曲段河道治理堤防工程設(shè)計

徐 睿

(山西省運城市水利勘測設(shè)計研究院,山西運城 044000)

通過允西河河道治理堤防整治工程中河寬的確定、河道水力計算、堤防設(shè)計,結(jié)合工程實際,選擇了直墻與斜坡式齒墻相結(jié)合的復(fù)式結(jié)構(gòu),通過對比,該結(jié)構(gòu)是適合山區(qū)河道較為經(jīng)濟的堤防設(shè)計斷面。該堤防設(shè)計對山區(qū)河道治理有一定的參考價值。

允西河;治理寬度;水力計算;堤防斷面

1 工程概況

允西河是黃河流域一級支流,位于山西省運城市垣曲縣中東部,發(fā)源于臨汾市翼城縣大河鄉(xiāng)的毋雞溝,入垣曲縣望仙,經(jīng)同善、譚家,至古城匯入黃河小浪底水庫。河流全長68 km,流域面積569.9 km2,垣曲境內(nèi)河長44 km,流域面積376.15 km2,河道平均坡度為1.3%。治理河段總長度8.4 km,新建防洪堤總長度11.17 km,左堤岸6.11 km,右堤岸5.66 km。修復(fù)防洪堤總長度4.52 km。允西河防洪堤是保護沿河兩岸的一道天然屏障,汛期洪水集中,驟降驟落,現(xiàn)狀河槽泄洪能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計洪水的要求,一旦遇到較大洪水,將會淹沒兩岸農(nóng)田,嚴(yán)重危脅沿岸人民生命財產(chǎn)安全。修筑防洪堤對保護15個行政村2 333.3 hm2耕地,3.01萬人,起到了決定性的作用,具有明顯的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。

垣曲縣允西河所處的大地構(gòu)造單元位于秦嶺東西向褶帶、新華夏太行山隆起帶及祁呂賀山字型構(gòu)造東翼邊緣弧的交接地帶。本區(qū)設(shè)計地震動峰值加速度值為0.10g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。地震基本烈度為Ⅶ度。堤基土主要由卵石混合土及漂石混合土組成,局部為混合土卵石,承載力350 kPa。堤基與地基土之間的摩擦系數(shù)值取0.52。

依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)[1]、《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-98)[2]及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)[3]的規(guī)定,確定允西河垣曲段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇洪水,洪峰流量1 115 m3/s,建筑物級別為5級。

2 堤防寬確定

能夠自由發(fā)展的沖擊平原河流的河床,在水流長期作用下,有可能形成與所在河段具體條件相適應(yīng)的某種均衡形態(tài)。這種均衡形態(tài)的有關(guān)因素(如水深、河寬、比降等)和表達(dá)來水來沙條件(如流量、含沙量及粒徑等)及河床地質(zhì)條件(在沖積平原河流中本身又是來水來沙函數(shù))的特征物理量之間,常存在某種函數(shù)關(guān)系。這種函數(shù)關(guān)系稱為河相關(guān)系,即沿程河相關(guān)系[4]。

2.1 穩(wěn)定河寬確定

所謂“穩(wěn)定河段”,是指該河床斷面基本不變、主槽位置比較固定的河段。穩(wěn)定河寬的計算主要確定治理河段堤防的最小寬度,以確定河道兩岸的治導(dǎo)線。常用阿爾圖寧穩(wěn)定河寬計算公式和水流阻力公式、水流連續(xù)方程及河相關(guān)系式聯(lián)立求解計算。

(1)阿爾圖寧穩(wěn)定河寬計算公式[5]

式中:A為穩(wěn)定河寬系數(shù),直河段采用0.9～1.3,設(shè)計取1.3。Q為造床流量,一般取1.5 a～5 a一遇的洪峰流量(m3/s)。設(shè)計采用防洪標(biāo)準(zhǔn)10 a一遇的洪峰流量。J為河道比降。

允西河河道主槽縱坡在9.0‰～15‰之間。經(jīng)計算,穩(wěn)定河寬為100.5 m ～111.3 m。

(2)水流阻力公式、水流連續(xù)方程及河相關(guān)系式聯(lián)立求解計算[6]

式中:ζ為河相系數(shù),取 ζ=6;Q為造床流量(m3/s);J為比降,取流域主河槽平均坡度;n為綜合糙率,取0.035;B為計算河段河寬(m);h為計算河段水深(m)。

經(jīng)計算,穩(wěn)定河寬為118.2 m～111.3 m。

通過兩種方式進行計算,其結(jié)果接近,本次設(shè)計結(jié)合河段實際情況選擇河寬為120 m～150 m。

2.2 堤防治導(dǎo)線確定

治導(dǎo)線是河道經(jīng)過整治以后,在設(shè)計流量下的平面輪廓線,也是整治工程體系臨河面的邊界聯(lián)線。因此確定治導(dǎo)線是整治工程規(guī)劃的重要內(nèi)容,同時也是整治建筑物布置的重要依據(jù)。治導(dǎo)線寬度根據(jù)河床的現(xiàn)有寬度、已建堤防寬度、周邊建筑物的布置綜合考慮,盡量與天然河勢一致,順應(yīng)河勢的發(fā)展,力求減少河道的裁彎取直,防止因人為因素改變天然河道帶來的不利影響。本工程河道治理以防洪為主,為洪水型河槽,應(yīng)以洪水河槽整治線作為設(shè)計整治線,本次設(shè)計以設(shè)計洪峰流量下河槽整治線進行控制,采用Q=1115 m3/s時對應(yīng)河道寬度分別為120 m、150 m。為了順應(yīng)河勢,部分河段河堤治導(dǎo)線布置為彎道,根據(jù)該段河道走向及彎道河相關(guān)系,彎道半徑一般控制在3～5倍水面寬左右。

2.3 河道水面線推算

初步確定河道兩岸采用直立擋土墻 +斜坡式齒墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)式(6),采用分段試算法,推算水位。

式中:Δl為分段長度(m);h1為上游斷面水深(m);h2為下游斷面水深(m);α為流速系數(shù);v1為上游斷面流速(m3/s);v2為下游斷面流速(m3/s);E1為上游斷面比能;E2為下游斷面比能;ˉJ為水力要素的平均值;i為渠道縱坡;n為渠道糙率,n=0.035。

計算時可假定一端斷面水深,試算得一個 Δl;若此 Δl與已知的Δl相等則假定水深即為所求,若不等,需重新假設(shè),直至算得的 Δl與已知的 Δl相等為止。由水面線推算結(jié)果,0+000～8+400段設(shè)計洪水水深為1.58 m～2.11 m。

通過穩(wěn)定河寬、堤防治導(dǎo)線的確定及河道水面線計算,為治理河道段確定設(shè)計整治線和堤防高度提供依據(jù)。

3 堤防設(shè)計

3.1 沖刷深度計算

河道沖刷深度計算分別按水流平行岸坡和水流斜沖岸坡兩種情況計算。水流平行岸坡的沖刷發(fā)生在彎道的過渡段,水流斜沖岸坡的沖刷發(fā)生在彎道的凹岸,沖刷一般較嚴(yán)重。

平順段沖刷深度計算公式如式(7)[7]:

式中:HB為從河岸算起的局部沖刷深度(m);HP為沖刷處水深(m);VCP為最大洪水時平均流速(m/s);V允為河床面上允許不沖流速(m/s);n為系數(shù),與護岸在平面的形狀有關(guān),一般取0.25。

彎道凹岸沖刷深度采用水流斜沖計算公式(8)計算:

式中:ΔHP為從河岸算起的局部沖刷深度(m);α為水流流向與岸坡夾角,為20°;m為防護壩斜坡護角齒墻迎水面邊坡系數(shù),m=0.5;d為坡角處巖土計算粒徑,取0.23 m;Vj為水流的局部沖刷流速(m/s)。

依據(jù)規(guī)范規(guī)定,防洪墻基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)和沖刷深度計算確定,要求在沖刷線以下0.5 m～1.0 m。在季節(jié)性凍土地區(qū),還應(yīng)滿足凍結(jié)深度的要求。經(jīng)計算沖刷深度見表1。

表1 沖刷深度計算成果

3.2 堤防設(shè)計

堤防形式可分為梯形斷面土堤、重力式漿砌石堤及鋼筋混凝土堤。梯形斷面土堤采用土料填筑而成,造價較低,但保證程度不高、占地面積大;鋼筋混凝土堤保證程度高、占地少,但造價較高,多用重要城市的防洪堤;重力式漿砌石堤保證程度高、占地少,可充分利用當(dāng)?shù)睾恿鞯穆咽鲋?造價低于鋼筋混凝土堤。該工程本著“因地制宜、就地取材、經(jīng)濟實用、便于施工、滿足防汛和管理的要求”的原則,同時考慮到山區(qū)河道易沖刷的特點,選用重力式擋土墻護堤與斜坡式齒墻護腳相結(jié)合的復(fù)式結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)占地少、經(jīng)濟實用,在行洪過程中護腳可保護主堤,避免了主堤基礎(chǔ)為防止沖刷而使高程降的很低,增加了工程投資。堤身及護腳均采用M7.5水泥砂漿砌塊石,堤頂寬0.5 m,迎水面邊坡1∶0.4,背水面上部高0.5 m直立,下部邊坡1∶0.1,斜坡式齒墻邊坡為 1∶1,厚0.5 m,深 1.5 m ～2.0 m,堤頂采用10 cm厚現(xiàn)澆C15混凝土壓頂。經(jīng)計算,抗傾安全系數(shù)為2.06大于允許值1.4,抗滑安全系數(shù)為1.37大于允許值1.2,滿足規(guī)范要求。為了減小堤防后背水壓力,堤身設(shè)排水孔,孔徑100 mm,孔距3 m,排水孔進口處設(shè)置反濾層。堤防每15 m設(shè)一道伸縮縫,縫寬2 cm,縫內(nèi)夾聚乙烯閉孔板,臨水側(cè)2 cm深采用1∶1∶4瀝青水泥砂漿封口。堤防設(shè)計斷面見圖1。

圖1 堤防設(shè)計斷面(單位:mm)

3.3 堤防安全超高及堤高

允西河堤防工程設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇,建筑物等級為 5級。依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-98)安全超高值為0.5 m[2],堤防安全超高為安全加高值加上設(shè)計波浪爬高和設(shè)計壅水增加高度,利用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍和河道控制斷面的水力特性,進行堤頂超高和波浪計算。計算公式如式(9):

式中:y為堤頂高程(m);R為設(shè)計波浪爬高(m);e為設(shè)計壅水增加高度(m);A為安全超高(m)。

計算得設(shè)計波浪爬高0.217 m～0.254 m,設(shè)計風(fēng)壅增加高度為0.002 m～0.004 m,安全超高值為0.5 m,堤頂超高為0.76 m。

根據(jù)計算結(jié)果,河道設(shè)計洪水水深為1.58 m～2.11 m,堤防超高值為0.75 m,堤防基礎(chǔ)埋深為0.5 m,河道設(shè)計沖刷深度為1.5 m～2.0 m,則沿河道重力式擋土墻的高度為2.83m～3.36 m。斜坡式齒墻深為1.5 m～2.0 m。

4 結(jié) 論

通過以上各項計算論證,允西河垣曲段河道治理堤防結(jié)構(gòu)形式選擇了直墻與斜坡式齒墻相結(jié)合的復(fù)式結(jié)構(gòu),該斷面經(jīng)濟實用,在垣曲縣境內(nèi)的西陽河、亳清河、允西河治理均采用過,現(xiàn)運行良好,該斷面可對山區(qū)河道堤防設(shè)計提供借鑒。

[1]中華人民共和國水利部.GB50201-94.防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:9.

[2]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.GB50286-98.堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1998:9.

[3]長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.SL252-2000.水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國水利水電出版社,2000:2.

[4]郭維東.河道整治[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2003:19.

[5]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5398-2007.水電站進水口設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2008:72.

[6]段文忠.河道治理與防洪工程[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2000:47-48.

[7]李曉慶,唐新軍.對《堤防工程設(shè)計規(guī)范》推薦沖刷深度公式的探析[J].水資源與水工程學(xué)報,2006,17(2):50-52.

Embankment Engineering Design for River Harnessing in Yuanqu Reach of Yunxi River

XU Rui
(Water Conservancy Investigation and Design Institute of Yuncheng City in Shanxi Province,Yuncheng,Shanxi044000,China)

Through the determination of the river width,hydraulic calculation and embankment design in river harnessing of Yunxi River,and combined with practical engineerings,the compound structure of the vertical wall with slope toothing wall is selected,which is the more economic design section of embankment suitable for mountain rivers.The embankment design has a certain reference value for mountain river harnessing.

Yunxi River;harnessing width;hydraulic calculation;embankment section

TV85

A

1672—1144(2012)05—0113—03

2012-03-02

2012-04-05

徐 睿(1970—),男(漢族),山西萬榮人,工程師,主要從事水利勘測設(shè)計工作。