趙金龍

(略陽(yáng)縣水利工程管理服務(wù)中心，陜西 漢中 724300)

1 概 況

略陽(yáng)縣郭鎮(zhèn)大石灣村道河組河堤工程位于樂(lè)素河右岸，其右岸居住農(nóng)戶(hù)100余人，河岸為河灘土石坡坎，無(wú)防洪設(shè)施。樂(lè)素河流域?qū)俦眮啛釒О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，受西南暖濕氣流影響，氣候溫和，雨量充沛，多年平均降水量860 mm。由于山高坡陡，砂金的開(kāi)采，致使部分河段河床淤積嚴(yán)重，泥石流頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)卮迕竦纳?cái)產(chǎn)安全，為此，略陽(yáng)縣水利局規(guī)劃在樂(lè)素河右岸修建河堤工程。根據(jù)建設(shè)要求及資金情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察、調(diào)查，擬建河堤上游接右岸高坎坡處、下游接高地處，形成封閉區(qū)域，規(guī)劃布置河堤全長(zhǎng)296.6 m，以確保大石灣村道河組的防洪安全。

2 河道洪水分析

樂(lè)素河郭鎮(zhèn)大石灣段以上流域面積81 km2，河道長(zhǎng)13.5 km。該流域?qū)贌o(wú)實(shí)測(cè)水文資料地區(qū)，本次設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算擬采用《漢中地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《水文手冊(cè)》)中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式法和暴雨資料推求法進(jìn)行計(jì)算。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法推求設(shè)計(jì)洪水

依據(jù)《水文手冊(cè)》提供的計(jì)算洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

Qp=CpFn

(1)

式中：Qp為頻率為p的洪峰流量，m3/s；F為工程河段末端流域面積，km2；Cp、n為頻率為p的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，查得指數(shù)n取值0.705。

2.2 推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水

由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，采用《水文手冊(cè)》所提供的暴雨成果和產(chǎn)匯流計(jì)算方法計(jì)算。

(1)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算。由《水文手冊(cè)》查得各歷時(shí)點(diǎn)面系數(shù)的參數(shù)at、bt，經(jīng)計(jì)算各歷時(shí)點(diǎn)面系數(shù)及面雨量計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 暴雨點(diǎn)面系數(shù)及面雨量計(jì)算成果表

從《水文手冊(cè)》中查得12 h概化雨型，設(shè)計(jì)凈雨按蓄滿(mǎn)產(chǎn)流概念計(jì)算，根據(jù)暴雨相似區(qū)分區(qū)圖，最大蓄水量為82.0 mm，前期影響雨量為54.7 mm，潛流量占產(chǎn)流總量的20%，按產(chǎn)流時(shí)段平均扣除即推求出設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程，計(jì)算出不同頻率下的設(shè)計(jì)凈雨結(jié)果。

(2)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算。依據(jù)基本公式：

(2)

(3)

假設(shè)Qm，并將m、L、J值代入計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算m=0.6123，計(jì)算得Qm～τ關(guān)系曲線見(jiàn)表2。

表2 Qm～τ曲線計(jì)算表

2.3 成果分析與比選

將經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法計(jì)算的設(shè)計(jì)河段末端斷面處設(shè)計(jì)洪峰流量，列表分析比較，見(jiàn)表3。

表3 不同方法計(jì)算的洪峰流量對(duì)比表

從表3計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法計(jì)算的洪峰流量結(jié)果相差不大。兩種方法計(jì)算結(jié)果顯示，地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法稍小一些，推理公式法較大，經(jīng)驗(yàn)公式雖具有形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)洪水形成的復(fù)雜成因，只考慮了較為主要的因素，加之在地區(qū)綜合過(guò)程中的代表性問(wèn)題，使計(jì)算成果容易出現(xiàn)偶然性誤差。《水文手冊(cè)》中的暴雨成果是依據(jù)1954—1983年間的實(shí)測(cè)暴雨、洪水資料分析綜合求得，期間豐、平、枯所占比例相當(dāng)，代表性較好，各種成果又經(jīng)綜合平衡及合理性檢查，基礎(chǔ)可靠，使成果具有一定的代表性和實(shí)用性。缺點(diǎn)為資料年限太短，最近的資料距現(xiàn)已有34 a，不能代表近30 a情況。同時(shí)推理公式法計(jì)算洪峰流量較大，為工程安全起見(jiàn)，應(yīng)選用大值。綜合分析本次堤防設(shè)計(jì)洪水成果，即20 a一遇洪峰流量為405 m3/s。

3 堤防建設(shè)方案分析

3.1 堤線布置及河寬

利用實(shí)測(cè)的工程區(qū)1/1000地形圖，結(jié)合河道走勢(shì)，該段堤防在平面上基本呈線性。其中樁號(hào)右0+000～右0+068.8為直線段，樁號(hào)右0+068.8～右0+188.6為圓弧段，接吊橋右岸橋墩上游，樁號(hào)右0+188.6～右0+255.8為圓弧段，樁號(hào)右0+255.8～右0+296.6為直線段，起點(diǎn)接吊橋右岸橋墩下游，終點(diǎn)接下游高地處形成封閉區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量,上游已成堤防及下游已成堤防最小行洪寬度為29.7 m,本次堤防工程修建后,行洪寬度為29.7～33.5 m,大于現(xiàn)狀最小行洪寬度,故設(shè)計(jì)堤距滿(mǎn)足行洪寬度要求。

3.2 堤防結(jié)構(gòu)形式

設(shè)計(jì)河段溝道狹窄，為保障大石灣村道河組居民的防洪安全，本次采用衡重式擋土墻，占地面積小，遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水對(duì)堤身影響不大。

3.3 堤頂高程

大石灣村設(shè)計(jì)河段堤為4級(jí)堤防，不允許越浪安全加高值為0.6 m。波浪的風(fēng)速為16 m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度為20 m，水域平均水深2.7 m，斜坡的糙率及滲透性系數(shù)為0.8，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為1.0，爬高累積頻率換算系數(shù)為2.07，經(jīng)計(jì)算，堤頂超高0.784 m，出于安全考慮，超高采用值0.8 m。本次堤頂高程按照設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高值確定，確定河堤堤頂高程為1067.95 m。

3.4 堤身構(gòu)造

本次設(shè)計(jì)新建衡重式堤防長(zhǎng)度296.6 m，M7.5漿砌石砌筑，堤頂為M10砂漿抹面，其余外露表面用M10砂漿勾縫，墻高6.41～6.78 m，墻頂寬0.60 m，臨水面坡比1∶0.25，墻頂以下坡比1∶0.30，再以下坡比1∶0.25；基礎(chǔ)采用C15混凝土澆筑，底寬2.27 m，墻趾寬0.30 m，墻趾高0.50 m。為排除洪水期堤后積水，保證堤身的正常使用，沿墻高設(shè)Φ75 mm UPVC排水孔兩排，上排距墻頂0.80 m，下排高出枯水位0.50 m，間排距2.00 m，墻背排水孔設(shè)反濾層，分別為15 cm的卵礫石20～100 mm、5 cm的細(xì)礫石2～20 mm，以及5 cm粗砂0.5～2.0 mm。堤身設(shè)置變形縫，縫距15 m，縫寬2 cm，采用聚乙烯泡沫板填充。根據(jù)本工程的地質(zhì)情況，墻背采用砂卵石回填，輔料厚度控制在30～50 cm之間，相對(duì)密度不小于0.6。

4 堤防安全性分析

4.1 沖刷分析

工程河段設(shè)計(jì)的堤防基礎(chǔ)位于河道平行段或凹岸段，基礎(chǔ)的埋深應(yīng)根據(jù)河床沖刷深度、安全埋深、河道深泓線及地質(zhì)條件綜合分析確定堤岸沿線不同堤段的基礎(chǔ)埋設(shè)深度。沖刷深度依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](GB 50286—2013)附錄D中的公式計(jì)算：

(4)

(5)

(6)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡夾角α查表D.2.2；d50為河床的中值粒徑，m；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s，對(duì)于卵石河床采用長(zhǎng)江科學(xué)院起動(dòng)公式計(jì)算；rs、r為泥沙與水的容重，kN/m3。

根據(jù)上述公式，結(jié)合設(shè)計(jì)堤段工程布置，沖刷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 堤防沖刷深度計(jì)算結(jié)果表

本段堤防工程基本處于順直段，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形情況、上下游已建堤防基礎(chǔ)埋深情況，同時(shí)按照規(guī)范要求，堤防埋深不應(yīng)低于計(jì)算沖刷深度0.5 m確定埋置深度，故綜合確定堤防基礎(chǔ)深度右0+000.0～右0+296.6段基礎(chǔ)高程為1061.40～1058.55 m，埋置深度2.5 m。根據(jù)工程布置，堤防基礎(chǔ)采用C15混凝土，底寬2.27 m，墻趾寬0.3 m，墻趾高0.5 m。

4.2 堤防穩(wěn)定性分析

經(jīng)選擇，右0+127.2斷面為控制斷面，分析其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。堤后回填碎石土內(nèi)摩擦角水上32°，水下30°，河堤背摩擦角16°；天然容重19.5 kN/m3、土容重9.5 kN/m3、水容重10 kN/m3、河堤容重23 kN/m3；根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[2](GB 18306—2015)，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度；地基允許承載力為250 kPa。

依據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](SL 379—2007)第5.1.1條要求，作用在防護(hù)墻上的荷載組合分為基本組合和特殊組合兩種。設(shè)計(jì)樂(lè)素河堤防完建時(shí)基本荷載組合有：堤防自重、填土重、靜水壓力、浮托力、土壓力。洪水位情況時(shí)作用在堤防上的荷載有：墻背水壓力、墻前水壓力、土壓力、浮托力、滲透力、淤砂壓力等荷載。見(jiàn)圖1。

圖1 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

依據(jù)規(guī)范SL 379—2007第5.1節(jié)，經(jīng)計(jì)算分析作用在擋墻上的荷載分為基本荷載和特殊荷載。經(jīng)計(jì)算，土質(zhì)地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)完建情況為1.45，設(shè)計(jì)洪水位為1.39，地震時(shí)為1.39，大于基本組合時(shí)安全系數(shù)1.2和特殊情況的安全系數(shù)1.0?？箖A穩(wěn)定安全系數(shù)完建情況為2.65，設(shè)計(jì)洪水位為2.09，地震時(shí)為1.76，均大于基本組合時(shí)安全系數(shù)1.45和特殊情況的安全系數(shù)1.35,經(jīng)計(jì)算，其所擬定的堤防結(jié)構(gòu)是安全的。

利用材料力學(xué)法，依據(jù)規(guī)范SL 379—2007附錄C公式計(jì)算代表斷面堤體基礎(chǔ)截面正應(yīng)力。計(jì)算出完建情況時(shí)最大堤基允許承載力165.7 kPa，最小堤基允許承載力98.6 kPa，設(shè)計(jì)洪水位情況時(shí)最大堤基允許承載力146.8 kPa，最小堤基允許承載力36.3 kPa，均小于堤基允許承載力250 kPa；堤身中部未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于允許值。

5 結(jié) 論

根據(jù)略陽(yáng)縣大石灣村道河組防洪目標(biāo)需要，在分析當(dāng)?shù)貥?lè)素河洪水量級(jí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察、調(diào)查，擬建河堤上游接右岸高處坎坡、下游接高地處，規(guī)劃布置河堤全長(zhǎng)296.6 m，形成封閉區(qū)域，防護(hù)河堤按20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。經(jīng)分析，堤防抗滑、抗傾安全系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足防洪需要，工程建成后具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使居民的防洪安全得到有力保護(hù)。