北安市东山涝区防洪工程设计方案分析

孙宇东

(北安市城郊乡农村经济技术服务中心，黑龙江北安164000)

1 工程概述

东山涝区位于北安市赵光镇境内，乌裕尔河以南，轱辘滚河右岸的低洼易涝地块，受洪涝农田266.7 hm2。

本次设计的涝区堤防工程处于轱辘滚河下游，基本没有堤防和排水建筑物，涝区内有4条排水沟自然进入河道内。

现有河道弯曲严重，有4处河道坍塌严重，切割岸边。规划新建堤防工程采用20 a一遇的防洪标准，堤防工程及主要建筑物等级为4级。本地区地震动峰值加速度＜0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震基本烈度值为＜Ⅵ度区，充需进行抗震计算。

根据现场测量资料，拟建堤防长度13.077 km，采用黏土填筑，新建穿堤涵闸4座，护岸4处总长602 m，迎水坡3+200－9+200处靠近主河槽，洪水流速较大，采用混凝土板护砌。

设计堤防断面拟定原则为:满足设计抗滑稳定和抗渗透稳定要求，有利于汛期防汛抢险的交通运输，便于超标准洪水抢险度汛。根据该工程地质报告和堤坡稳定计算的最小安全系数，考虑堤防边坡的稳定和堤基、堤身的渗透稳定，此次设计堤防顶宽采用4 m，堤防上下游边坡采用1∶3。

2 堤防工程设计

2.1 堤顶高程计算

堤防高程按设计水位加堤防超高确定，通过推求堤防设计水面线确定各断面设计水位［1］。轱辘滚河纵断面和横断面图采用2010年实测成果，设计流量采用本工程水文分析成果，河道大横断面共17个，从轱辘滚河入乌裕尔河河口下游CS17断面起推至CS1断面，按稳定非均匀流公式计算各断面水位。河道糙率采取在实测的地形图上量算各断面主槽、滩地偏角以及断面间的弯曲系数和调查到的1998年4个洪痕点，试算主槽糙率为0.032，滩地糙率为0.075。

本次轱辘滚河水面线推求长度共14.8 km，洪峰流量采用2%、5%、10%、20%和33.3%共5个设计频率。根据断面数据以及计算方法和参数，推求轱辘滚河现状水面线及规划设计水面线。确定堤顶高程时，先计算堤顶超高数值，堤顶超高计算公式为:

式中:R为设计波浪爬高，e为设计风壅水面高度，A为安全加高)。经计算按1.3 m考虑堤防超高。每个堤防断面的堤顶高程为该断面对应的设计洪水位加上超高1.3 m得相应断面的堤顶高程。

2.2 堤防土料设计

堤防堤体填筑土低液限黏土。按工程地质勘察报告中提供料场，筑堤土料采用集中料场，地层岩性为低液限黏土，适于筑堤，填筑标准按压实度确定，按《堤防工程设计规范》“在3级以下及低于6 m的3级堤防压实度不应＜0.90”［2－3］。

地质报告所提供筑堤土料土粒相对密度2.72、渗透系数6.57×10－6cm/s。设计压实干密度计算公式为:

式中:m为压实系数，本次设计取0.90;βdmax为标准击实试验最大干密度。

筑堤土料标准击实试验最大干密度为1.59 g/cm3，经计算，堤防筑堤土料设计干密度取值为1.43 g/cm3。

2.3 渗流稳定计算分析

堤防主要筑堤土料为低液限黏土。根据地质报告，堤基为上薄黏性土下粗粒土组成的双层结构地基［4－5］。选择堤前水头相对较高的典型断面两个，分别为5+500和9+900断面，大部分堤防堤前水头均在两个断面以下，各断面代表基本资料见表1，2。

表1 堤防断面特性表 m

表2 土基典型断面渗透系数表 cm/s

表3 典型断面渗流计算成果表

表4 浸润线计算成果表

2.4 边坡稳定计算分析

堤防稳定分析采用瑞典圆弧条分法，对均质土堤，在进行施工期的临水、背水侧堤坡和设计洪水位骤降期的临水侧堤坡计算时，采用不计条块间作用力的总应力法，在设计洪水位下的稳定渗流期的背水侧堤坡计算时，采用有效应力法，计算所采用土料物理力学指标，见表5。

表5 土料物理力学指标

根据《堤防设计规范》，4级堤防抗滑稳定安全系数正常运用条件≥1.15，非常运用条件≥1.05，由表6可见，堤防断面上、下游堤坡抗滑安全系数均满足抗滑稳定安全系数要求。

表6 典型断面稳定分析安全系数成果表

3 涵闸设计

依据《灌溉与排水工程设计规范》的有关规定，在防洪堤上修建穿堤建筑物，其级别不得低于防洪堤级别，堤防为4级，主要建筑物为4级，相应防洪标准采用20 a一遇。

坡水区建筑物排水标准采用10 a一遇，平原区建筑物排水标准采用5 a一遇。按实测河段和排水干渠出口位置布设了4处穿堤涵闸，即1号、2号、3号及北河排水闸。

根据建筑物所在的地形、地质、进出口水流及堤防断面等条件，本次设计穿堤建筑物均为自排涵闸。

排水涵闸由进口段、涵闸段及出口消能段组成。进口段由铺盖、钢筋混凝土U型槽和钢筋混凝土翼墙组成;铺盖采用0.3 m厚干砌石护砌，下设砂砾石15 cm、无纺布一层;涵闸段包括涵洞、闸室、启闭排架及工作桥组成。

出口消能段包括消力池U型槽、出口翼墙、海漫段组成，海漫采用0.3 m厚干砌石护砌，下设砂砾石15 cm、无纺布一层，末端设防冲槽。为防止冻胀破坏，涵闸、进出口U型槽的两侧及翼墙的墙后均采用铺设厚10 cm保温板的防冻措施。

涵闸过流能力按其设计水位及其进出口高程对应关系，采用“灌区水工建筑物丛书”《涵洞》中的有关公式判别流态计算公式为:

式中:a为洞高;H为上游水深。

根据上述公式判别，本次设计的涵闸均为无压流。

无压流涵洞的过流能力计算公式为:

式中:σ为淹没系数，当σ=1时为自由出流;当σ＜1时为淹没出流;m为流量系数;bk为过流断面计算宽度。

涵闸消力池长度:

式中:Lsj为消力池长度;Ls为消力池斜坡段水平投影长度;β为水跃长度校正系数，采用0.8;Lj为水跃长度。

涵闸海漫长度:

式中:Lp为海漫长度;qs为消力池末端单宽流量;Ks为海漫长度计算系数。

经计算，涵闸实际过流能力均大于设计流量，涵闸洞径设计满足要求。计算消力池段长度1号、2号、3号及北河闸分别为9.45 m、9.19 m、8.79 m、6.53 m，消力池深1号、2号、3号及北河闸分别为0.76 m、0.73 m、0.65 m、0.52 m，后接海漫段。

东山涝区堤防工程和穿堤排水涵闸工程是涝区防洪的骨干工程，既防洪保护农田又能有效解决涝区排内水出路，工程实施后效益显著。

［1］绥化市水利水电勘测设计研究院隆顺分院.黑龙江省北安市赵光镇轱辘滚河堤防工程初步设计报告［R］.肇东市:绥化市水利水电勘测设计研究院隆顺分院，2012.

［2］黑龙江省金利工程勘测设计有限公司.北安市东山涝区防洪工程测绘报告［R］.哈尔滨:黑龙江省金利工程勘测设计有限公司，2011.

［3］罗爱涓，武进军.博河中下游防洪工程设计方案探讨［J］.东西北水利水电，2010(05):05－06.

［4］田春玲，何淼.黄泥河1.7km防洪工程设计方案［J］.东北水利水电，2010(05):05－06.

［5］蒋宏英.益阳市城市防洪工程北大堤方案设计［J］.湖南水利水电，1999(04):06－07.