石泉县中坝集镇堤防高度设计浅析

谢小龙

(石泉县水利局 陕西 石泉 725200)

1 工程概述

1.1 自然概况

1.1.1 工程区域位置

石泉县中坝集镇地处县城西南24km，位于后柳镇政府以西6km。中坝集镇堤防工程是汉江一级支流中坝河中游的治河骨干工程，也是通往“中坝大峡谷”景区的必经之路。工程建设区域为：中坝集镇处顺延中坝河布设长800m的堤路结合堤防工程。

1.1.2 水文气象概况

中坝河流域面积84.86km2，河长22.01km，平均比降16.75‰。多年平均降水量920mm，流域中心处多年平均年径流深565.3mm，变差系数CV=0.49。河口处多年平均径流量4796.63万m3，多年平均流量为1.521m3/s。年均降雨量873.9mm，但分布不均，导致流量严重失衡。汛期径流量占全年总量的78%，尤其是九月份1个月的径流量占全年的19%。

工程区位于秦岭以南，属副亚热带季风气候，四级分明，春暖夏热秋凉冬冷。多年平均气温14.5℃。全年无霜期约257天。区域内多偏东风，多年平均风速为1.7m/s，瞬时最大风速21m/s。

1.1.3 地质及地震

本区地处大巴山山脉的北坡，北邻秦岭山脉，地面海拔高程一般为330m～1000m，属中低山地形。汉江自西北向东南，蜿蜒穿过全区。喜河水电站库区位于石泉县城～藕阳河段。两岸山体雄厚，岸坡陡峭，河谷狭窄，呈“V”字型，两岸局部地段发育有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地。本区域地层以饶峰河-喜河-麻柳坝大断裂(F3)为界，以西属扬子地台区建造，以东属秦岭地槽区建造。

据国家地震局 1990年版的 1：400万《中国地震烈度区划图》，石泉～喜河一带位于Ⅵ度区内。

1.2 工程任务

近年来石泉县旅游产业蓬勃发展，中坝集镇是通往国家4A景区—中坝大峡谷的必经之道。根据中坝集镇总体规划，原中坝集镇道路不再承担交通干道功能。拟建的中坝集镇堤防工程任务有二：一是满足中坝河右岸集镇居住区防洪要求，以及左岸农田种植区防护要求；二是作为交通干道连通后柳镇与熨斗镇，联通中坝大峡谷景区。

2 水文分析

2.1 流域概况

中坝河是汉江右岸一级支流，发源于木竹山，在后柳集镇汇入汉江。流域面积84.86km2，主河道长 22.01km，平均比降16.75‰；中坝集镇以上控制流域面积61.88km2。

2.2 洪水

2.2.1 暴雨洪水特性

该流域洪水主要由暴雨形成。暴雨集中在6月中旬～7月底和8月下旬～10月上旬两个时段，可分为夏季暴雨和秋季暴雨。

本流域暴雨量大，强度集中，加之山高坡陡，植被覆盖率较低，岩层透水性差，洪水汇流速度快，因此，洪水具有猛涨陡落，峰型尖瘦的特点，一次洪水过程为0.5天～1天，而洪量比较集中，整个汛期水量的变化极大。

2.2.2 设计洪水计算

中坝河流域无水文测站，属无资料地区。为了落实中坝河洪水，本次采用《安康地区实用水文手册》中的关于无资料地区或缺乏水文资料的中小流域洪水计算经验公式推求设计洪水的方法进行，并结合洪水调查综合分析确定。中坝河的主要特征及参数见表1。

（1）洪峰面积相关法(经验公式)

根据《安康地区实用水文手册》，其计算公式为：

式中，QN——重现期为N的设计洪峰流量，m3/s；

F——工程区以上控制流域面积，为61.88km2；

KN、n——重现期为N的经验关系式参数；

该流域属任洞区，由《安康地区实用水文手册》图6-2查得，n=0.692。同时查得：

由以上公式，结合所查得的参数，经过计算，得出不同重现期的洪峰流量如下：

（2）综合参数法

由《安康地区实用水文手册》，根据公式

式中，QP——设计频率为P的洪峰流量，m3/s；

F——工程区以上控制流域面积，为61.88km2；

J——主河道平均比降(千分率的分子值)；

H6P——设计频率为P的六小时点暴雨量，mm；

K6P——设计频率为P的六小时暴雨模比系数；

η、α、β、γ——分区综合的经验性指数；

本流域属任洞区，由《安康地区实用水文手册》表6-5查得：η=0.45，α=0.70，β=0.48，γ=0.11。

表1 中坝河主要特征参数

又由《安康地区实用水文手册》查得：H6P=57，CV=0.49，CS=3.5CV查皮Ⅲ型曲线模比系数得：

表2 中坝集镇堤防处不同重现期洪峰流量表

表3 中坝河中坝集镇处洪水设计成果

经计算，不同重现期的洪峰流量为：

（3）设计洪水成果

考虑到中坝集镇防护区域的重要性及影响程度，本工程设计洪水成果采用两种计算方法中的洪峰面积相关法计算成果，见表3。

3 堤防高度设计

3.1 防洪标准

3.1.1 工程等别及洪水标准

根据《防洪标准》(GB50201-94)，本工程右岸集镇堤防按中坝河20年一遇洪水设计，左岸农田护堤按中坝河10年一遇洪水设计。

3.1.2 建筑物级别及地震设防烈度

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)，集镇堤防级别为4级，农田护堤级别为5级。本工程的地震设防烈度为6°。

3.2 工程规模及平面布置

集镇堤防段河长约900m。在防护区河道中上部修建有农业灌溉用溢流坝一座，将防护区分为坝上游段和坝下游段，坝下游段修建有跨河桥梁一座。右岸集镇防护段拟修建堤防长706m，保护集镇人口1000余人，农田100亩；左岸农田护堤长157m，分布在坝下游，保护农田面积160亩。本着因地制宜的原则合理考虑堤防的堤距宽度。

3.3 洪水水位计算

由前面的计算可知，中坝河不同重现期设计洪水流量为：Q5%=382.10m3/s，Q10%=323.05m3/s。

（1）坝下游宽阔段

自工程上游起点～下游末端河道总长791.53m，河床总落差396.20-385.20=11m，计算出河床平均比降为13.90‰。

由地形图量得坝下游段河床最宽处35m，桥梁净跨度31m，基础堤线拟确定为32m。行洪断面按山区常见的梯形河槽考虑，两岸堤防迎水面坡比按1∶0.3；根据现有河床及河岸实际条件，由《水力学》，河床糙率n取0.040。

由 以 上 知 ，Q10%=323.05m3/s，Q5%=382.10m3/s，Q2%=434.20m3/s，b=32m，n=0.040，m=0.3。

经计算得：中坝河10年一遇洪水水深h=2.2m，20年一遇洪水水深h=2.4m。

（2）坝上游平顺段

河床平均比降取13.90‰。

由地形图量得坝上游段河床平均宽28m，基础堤线拟确定为28m。行洪断面按山区常见的梯形河槽考虑，两岸堤防迎水面坡比按1∶0.3；根据现有河床及河岸实际条件，由《水力学》，河床糙率n取0.040。

由以上知，Q5%=382.10m3/s，b=28m，n=0.040，m=0.3。

经计算得：中坝河20年一遇洪水水深h=2.7m。

3.4 堤身高度

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)，堤顶高程应按照设计洪水位加堤顶超高确定。

堤顶超高按下式计算确定：

式中，Y——堤顶超高，m；

R——设计波浪爬高，m；

e——设计风壅增水高度，m；

A——安全加高，m；按照《堤防工程设计规范》(GB50286-98)，本工程集镇堤防为不允许越浪的4级堤防，即A=0.5m；农田护堤为允许越浪的5级堤防，即A=0.3m。

计算得堤顶超高分别为0.71m、0.91m，设计采用堤顶超高值分别为0.8m和1.0m。

⑴坝下游宽阔段

当基础堤距为32m，堤防边坡为1:0.3时，中坝河集镇堤防高度 (深泓线以上)为2.4+1.0=3.4m，农田护堤高度(深泓线以上)为2.2+0.8=3m。

⑵坝上游平顺段

当基础堤距为28m，堤防边坡为1:0.3时，集镇堤防高度 (深泓线以上)为2.7+1.0=3.7m。

3.5 冲刷深度计算

依据《堤防工程设计规范》附录D中的公式D.2.2-1和D.2.2-2计算考虑水流平行岸坡和水流斜冲岸坡两种工况进行冲刷深度。

水流平行于岸坡产生的冲刷按下式计算：

式中，hB——局部冲刷深度，m，从水面算起；

hp——冲刷处的水深，m，以近似设计水位最大深度代替；

Vcp——平均流速，m/s；

V允——河床面上允许不冲流速，m/s；

n——与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4。

水流斜冲防护岸坡产生的冲刷按下式计算：

式中，△hp——从河底算起的局部冲深，m；

α——水流流向与岸坡的交角，°；

m——迎水坡边坡系数；

d——坡脚处土壤计算粒径，cm，d15=10-20mm；

Vj——水流局部冲刷流速，m/s，经计算，Vj=2 m/s～5m/s。

经计算，河床冲刷深度为1.82m，基础埋设取用2m。

3.6 堤防高度结论

中坝集镇堤防不同段落不同功能，上下游、左右岸堤防高度不尽相同，即：坝上游平顺段右岸集镇堤防高度为3.7m+2m=5.7m；坝下游宽阔段右岸集镇堤防高度为3.4m+2m=5.4m；坝下游左岸农田护堤堤防高度为3.0m+2m=5.0m。

4 结语

在留够河道行洪宽度的条件下平顺布置堤线，中坝集镇堤防高度按中坝河20年一遇洪水标准设防，坝上游高5.7m、坝下游高5.4m；坝下游农田防护堤防高度按中坝河10年一遇洪水标准设防，高5.0m。据此，石泉县中坝集镇堤防可满足防洪要求和交通功能需求，建成后可正常发挥效益。陕西水利

[1]安康地区水电局，安康地区实用水文手册[M]，1983.

[2]李家星，赵振兴,王培莉等，水力学[M]，河海大学出版社，2001.

[3]GB50286-98，堤防工程设计规范[S]，中国计划出版社，1998.

[4]GB50201-94，防洪标准[S]，中国计划出版社，1994.