允西河垣曲段河道治理堤防工程设计

徐 睿

(山西省运城市水利勘测设计研究院,山西运城 044000)

允西河垣曲段河道治理堤防工程设计

徐 睿

(山西省运城市水利勘测设计研究院,山西运城 044000)

通过允西河河道治理堤防整治工程中河宽的确定、河道水力计算、堤防设计,结合工程实际,选择了直墙与斜坡式齿墙相结合的复式结构,通过对比,该结构是适合山区河道较为经济的堤防设计断面。该堤防设计对山区河道治理有一定的参考价值。

允西河;治理宽度;水力计算;堤防断面

1 工程概况

允西河是黄河流域一级支流,位于山西省运城市垣曲县中东部,发源于临汾市翼城县大河乡的毋鸡沟,入垣曲县望仙,经同善、谭家,至古城汇入黄河小浪底水库。河流全长68 km,流域面积569.9 km2,垣曲境内河长44 km,流域面积376.15 km2,河道平均坡度为1.3%。治理河段总长度8.4 km,新建防洪堤总长度11.17 km,左堤岸6.11 km,右堤岸5.66 km。修复防洪堤总长度4.52 km。允西河防洪堤是保护沿河两岸的一道天然屏障,汛期洪水集中,骤降骤落,现状河槽泄洪能力远远达不到设计洪水的要求,一旦遇到较大洪水,将会淹没两岸农田,严重危胁沿岸人民生命财产安全。修筑防洪堤对保护15个行政村2 333.3 hm2耕地,3.01万人,起到了决定性的作用,具有明显的经济效益、社会效益和生态效益。

垣曲县允西河所处的大地构造单元位于秦岭东西向褶带、新华夏太行山隆起带及祁吕贺山字型构造东翼边缘弧的交接地带。本区设计地震动峰值加速度值为0.10g,地震动反应谱特征周期为0.45 s。地震基本烈度为Ⅶ度。堤基土主要由卵石混合土及漂石混合土组成,局部为混合土卵石,承载力350 kPa。堤基与地基土之间的摩擦系数值取0.52。

依据《防洪标准》(GB50201-94)[1]、《堤防工程设计规范》(GB50286-98)[2]及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)[3]的规定,确定允西河垣曲段堤防防洪标准为10 a一遇洪水,洪峰流量1 115 m3/s,建筑物级别为5级。

2 堤防宽确定

能够自由发展的冲击平原河流的河床,在水流长期作用下,有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡形态。这种均衡形态的有关因素(如水深、河宽、比降等)和表达来水来沙条件(如流量、含沙量及粒径等)及河床地质条件(在冲积平原河流中本身又是来水来沙函数)的特征物理量之间,常存在某种函数关系。这种函数关系称为河相关系,即沿程河相关系[4]。

2.1 稳定河宽确定

所谓“稳定河段”,是指该河床断面基本不变、主槽位置比较固定的河段。稳定河宽的计算主要确定治理河段堤防的最小宽度,以确定河道两岸的治导线。常用阿尔图宁稳定河宽计算公式和水流阻力公式、水流连续方程及河相关系式联立求解计算。

(1)阿尔图宁稳定河宽计算公式[5]

式中:A为稳定河宽系数,直河段采用0.9～1.3,设计取1.3。Q为造床流量,一般取1.5 a～5 a一遇的洪峰流量(m3/s)。设计采用防洪标准10 a一遇的洪峰流量。J为河道比降。

允西河河道主槽纵坡在9.0‰～15‰之间。经计算,稳定河宽为100.5 m ～111.3 m。

(2)水流阻力公式、水流连续方程及河相关系式联立求解计算[6]

式中:ζ为河相系数,取 ζ=6;Q为造床流量(m3/s);J为比降,取流域主河槽平均坡度;n为综合糙率,取0.035;B为计算河段河宽(m);h为计算河段水深(m)。

经计算,稳定河宽为118.2 m～111.3 m。

通过两种方式进行计算,其结果接近,本次设计结合河段实际情况选择河宽为120 m～150 m。

2.2 堤防治导线确定

治导线是河道经过整治以后,在设计流量下的平面轮廓线,也是整治工程体系临河面的边界联线。因此确定治导线是整治工程规划的重要内容,同时也是整治建筑物布置的重要依据。治导线宽度根据河床的现有宽度、已建堤防宽度、周边建筑物的布置综合考虑,尽量与天然河势一致,顺应河势的发展,力求减少河道的裁弯取直,防止因人为因素改变天然河道带来的不利影响。本工程河道治理以防洪为主,为洪水型河槽,应以洪水河槽整治线作为设计整治线,本次设计以设计洪峰流量下河槽整治线进行控制,采用Q=1115 m3/s时对应河道宽度分别为120 m、150 m。为了顺应河势,部分河段河堤治导线布置为弯道,根据该段河道走向及弯道河相关系,弯道半径一般控制在3～5倍水面宽左右。

2.3 河道水面线推算

初步确定河道两岸采用直立挡土墙 +斜坡式齿墙结构。根据式(6),采用分段试算法,推算水位。

式中:Δl为分段长度(m);h1为上游断面水深(m);h2为下游断面水深(m);α为流速系数;v1为上游断面流速(m3/s);v2为下游断面流速(m3/s);E1为上游断面比能;E2为下游断面比能;¯J为水力要素的平均值;i为渠道纵坡;n为渠道糙率,n=0.035。

计算时可假定一端断面水深,试算得一个 Δl;若此 Δl与已知的Δl相等则假定水深即为所求,若不等,需重新假设,直至算得的 Δl与已知的 Δl相等为止。由水面线推算结果,0+000～8+400段设计洪水水深为1.58 m～2.11 m。

通过稳定河宽、堤防治导线的确定及河道水面线计算,为治理河道段确定设计整治线和堤防高度提供依据。

3 堤防设计

3.1 冲刷深度计算

河道冲刷深度计算分别按水流平行岸坡和水流斜冲岸坡两种情况计算。水流平行岸坡的冲刷发生在弯道的过渡段,水流斜冲岸坡的冲刷发生在弯道的凹岸,冲刷一般较严重。

平顺段冲刷深度计算公式如式(7)[7]:

式中:HB为从河岸算起的局部冲刷深度(m);HP为冲刷处水深(m);VCP为最大洪水时平均流速(m/s);V允为河床面上允许不冲流速(m/s);n为系数,与护岸在平面的形状有关,一般取0.25。

弯道凹岸冲刷深度采用水流斜冲计算公式(8)计算:

式中:ΔHP为从河岸算起的局部冲刷深度(m);α为水流流向与岸坡夹角,为20°;m为防护坝斜坡护角齿墙迎水面边坡系数,m=0.5;d为坡角处岩土计算粒径,取0.23 m;Vj为水流的局部冲刷流速(m/s)。

依据规范规定,防洪墙基础埋置深度应根据地基土质和冲刷深度计算确定,要求在冲刷线以下0.5 m～1.0 m。在季节性冻土地区,还应满足冻结深度的要求。经计算冲刷深度见表1。

表1 冲刷深度计算成果

3.2 堤防设计

堤防形式可分为梯形断面土堤、重力式浆砌石堤及钢筋混凝土堤。梯形断面土堤采用土料填筑而成,造价较低,但保证程度不高、占地面积大;钢筋混凝土堤保证程度高、占地少,但造价较高,多用重要城市的防洪堤;重力式浆砌石堤保证程度高、占地少,可充分利用当地河流的卵石砌筑,造价低于钢筋混凝土堤。该工程本着“因地制宜、就地取材、经济实用、便于施工、满足防汛和管理的要求”的原则,同时考虑到山区河道易冲刷的特点,选用重力式挡土墙护堤与斜坡式齿墙护脚相结合的复式结构,该结构占地少、经济实用,在行洪过程中护脚可保护主堤,避免了主堤基础为防止冲刷而使高程降的很低,增加了工程投资。堤身及护脚均采用M7.5水泥砂浆砌块石,堤顶宽0.5 m,迎水面边坡1∶0.4,背水面上部高0.5 m直立,下部边坡1∶0.1,斜坡式齿墙边坡为 1∶1,厚0.5 m,深 1.5 m ～2.0 m,堤顶采用10 cm厚现浇C15混凝土压顶。经计算,抗倾安全系数为2.06大于允许值1.4,抗滑安全系数为1.37大于允许值1.2,满足规范要求。为了减小堤防后背水压力,堤身设排水孔,孔径100 mm,孔距3 m,排水孔进口处设置反滤层。堤防每15 m设一道伸缩缝,缝宽2 cm,缝内夹聚乙烯闭孔板,临水侧2 cm深采用1∶1∶4沥青水泥砂浆封口。堤防设计断面见图1。

图1 堤防设计断面(单位:mm)

3.3 堤防安全超高及堤高

允西河堤防工程设计防洪标准为10 a一遇,建筑物等级为 5级。依据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)安全超高值为0.5 m[2],堤防安全超高为安全加高值加上设计波浪爬高和设计壅水增加高度,利用多年平均最大风速的1.5倍和河道控制断面的水力特性,进行堤顶超高和波浪计算。计算公式如式(9):

式中:y为堤顶高程(m);R为设计波浪爬高(m);e为设计壅水增加高度(m);A为安全超高(m)。

计算得设计波浪爬高0.217 m～0.254 m,设计风壅增加高度为0.002 m～0.004 m,安全超高值为0.5 m,堤顶超高为0.76 m。

根据计算结果,河道设计洪水水深为1.58 m～2.11 m,堤防超高值为0.75 m,堤防基础埋深为0.5 m,河道设计冲刷深度为1.5 m～2.0 m,则沿河道重力式挡土墙的高度为2.83m～3.36 m。斜坡式齿墙深为1.5 m～2.0 m。

4 结 论

通过以上各项计算论证,允西河垣曲段河道治理堤防结构形式选择了直墙与斜坡式齿墙相结合的复式结构,该断面经济实用,在垣曲县境内的西阳河、亳清河、允西河治理均采用过,现运行良好,该断面可对山区河道堤防设计提供借鉴。

[1]中华人民共和国水利部.GB50201-94.防洪标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1999:9.

[2]水利部水利水电规划设计总院.GB50286-98.堤防工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,1998:9.

[3]长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.SL252-2000.水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京:中国水利水电出版社,2000:2.

[4]郭维东.河道整治[M].沈阳:东北大学出版社,2003:19.

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5398-2007.水电站进水口设计规范[S].北京:中国电力出版社,2008:72.

[6]段文忠.河道治理与防洪工程[M].武汉:湖北科学技术出版社,2000:47-48.

[7]李晓庆,唐新军.对《堤防工程设计规范》推荐冲刷深度公式的探析[J].水资源与水工程学报,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(汉族),山西万荣人,工程师,主要从事水利勘测设计工作。