莫呼查汗防洪工程设计方案优化研究

张 怿

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 库尔勒841000)

1 工程概况

莫呼查汗河位于天山南坡焉耆盆地北缘和静县西北部，全长66.6 km，集水面积411.60 km2。本次设计防洪工程位于和静县莫呼查汗河下游段，该段河段总长为11.6 km(55 +000—66 +600)。

2 河道与堤防现状分析

2.1 河道过洪能力现状

项目区属莫呼查汗河下游河段(55 +000—66 +600)，该河段河床纵坡1/120 ～1/419，河床宽度在20 ～300 m，项目区两岸现有和静县哈尔莫墩镇及扶贫农场，人口约2.78 万人，耕地4 933 hm2，主要从事农牧业生产。因目前部分河段泥沙淤积，河堤过低，河段过洪能力明显不足，造成洪水期洪水漫溢，淹没河道两岸的居民点及基本农田，本次将河道55 +000～66 +600 段作为重点防洪区。对于河道55 +000～62 +005 段进行堤防加高、加宽及护砌，对于河道62 +005—66 +600 段部分河段进行清淤、清障等，以保证其行洪安全［1］。

2.2 建筑物现状

项目工程区现有建筑物二座，沙子河渡槽和过水路面(扶贫农场):

1)沙子河渡槽(60 +065):该渡槽建于上世纪80年代，设计引水流量1.5 m3/s，渡槽共六跨，每跨长16 m，全长96.0 m，主要灌溉哈尔莫墩镇的夏尔莫墩村，灌溉面积800 hm2，该渡槽两端下部为浆砌石基础，洪水发生时，将部分浆砌卵石冲毁，现状冲毁部分用干砌石堆砌进行临时性防护，洪水期渡槽基础将受到垮塌的危胁，影响下游灌区的农田灌溉，因此在该处必须加固基础，以保证渡槽洪水期的安全。

2)过水路面(61 +340);该过水路面是哈尔莫墩镇通往扶贫农场的路，该过水路面两端现状未建防洪堤坝，洪水期河水淹没路面，淘刷基础，洪水过后，路面堆积泥沙严重，使得扶贫农场对外交通中断，严重影响了居民出行，路面现状破损严重，需重新修筑该过水路面，以保证过水路面的安全通行［2］。

3 防洪工程设计布置分析

3.1 防洪工程布置思路

依照《和静县莫呼查汗河防洪规划报告》及《和静县莫呼查汗河近期治理建设规划》报告统一部署，依河势对各河段进行不同的防护，且由于项目区位于莫呼查汗河下游河段，人口众多，因此根据实际情况布置，最大限度地控制河道宽度。拟建堤防轴线根据现有堤防和沿河两岸临河房屋等各种设施现状情况以及遵循《莫呼查汗河防洪规划》报告已确定的整治方案综合考虑，因地制宜、采取局部裁弯取直、对现有部分堤防进行加高加宽、局部改建和完善等措施。本次规划设计项目区堤防基本上以现有堤防为基础进行拟建堤防轴线布置及设计。

3.2 设计依据

本次堤防设计洪水标准P =5%，相应洪水流量72.1 m3/s，防洪堤工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4 级，次要建筑物级别为5 级。

依据《堤防工程设计规范》GB50286—98 和《莫呼查汗河防洪规划》报告对莫呼查汗河治理河段河道的防洪标准，对应河道堤防工程的级别及防洪设计要素确定成果见表1。

表1 莫呼查汗河堤防工程级别及防洪设计要素一览表

3.3 防洪工程总体平面设计

本次设计防洪工程位于和静县莫呼查汗河下游地区，具体位置:55 +000 ～66 +600 段，河道全长11.6 km。工程设计修建混凝土堤防总长11.97 km:其中沙子河渡槽60 + 065 处(上、下游)堤防长160 m，过水路面(61 +340)处(上、下游)导流堤长100 m，河道右岸修筑堤防1 处，长7.005 km(55 +000 ～62 + 005 段)，河道左岸修筑堤防2 处，长4.705 km，分 别 位 于55 + 000 ～57 + 560 段 长2.56 km，59 +676 ～61 +821 段长2.145 km。河道62 +005 ～66 +600 段部分区域需清障、清淤保证行洪安全，见图1。

图1 和静县莫呼查汗河堤防工程堤防平面布置示意图

3.4 堤身和防冻结构长度的确定

1)堤身设计:设计中结合工程区地质情况和现有防洪堤现状，堤防基础横断面采用防冲斜墙(重力式)基础。设计堤防堤顶宽度根据《堤防设计规范》堤防要求，堤顶宽度≥3 m，本次设计堤顶宽度取为4 m。

2)防冻结构设计:根据《和静县莫呼查汗河防洪工程地质勘察报告》工程区大部分堤防地下水位埋深较深且区域地质土属非冻胀土，只是在右岸59 +200 －61 +170 段长1.97 km和左岸60 +850 －61 +150 段长0.3 km的粉质黏土透镜体具有冻胀性，需采取相应的抗冻胀措施，本次设计采取换填砂砾石垫层抗冻胀措施。

3.5 堤防冲刷深度计算

水流斜冲堤防冲刷深度采用下式计算公式:

式中:△hp为从河底算起的局部冲深，m;α 为水流流向与岸坡交角，°;m 为防护建筑物迎水面边坡系数;d 为坡脚处土壤计算粒径，cm;vj为水流的局部冲刷流速，m/s。

根据公式进行计算以及现场河道深槽测量资料等，结果表明，在设计洪水72.10 m3/s，(55 +000 ～62 +000)段堤防基础的冲刷深度为0.72 ～1.89 m，考虑一定安全因素，堤防基础的深度设计为2.0 ～2.5 m。河道右岸(55 +000 ～62 +005):修建堤防长7.005km，防洪堤基础的设计深度取为2.0 ～2.5 m。其中(55 +000 ～60 +065)防洪堤基础的设计深度2.0 m，(60 +065 ～62 +005)防洪堤基础的设计深度2.5 m。河道左岸修筑堤防2 处，长4.705 km，分别位于(55 +000 ～57 +560)段长2.56 km，防洪堤基础深度取为2.0 m。(59 + 676 ～61 + 821)段长2.145 km，(59 +676 ～60 +065)段长0.389 km，防洪堤基础的设计深度2.0 m，(60 +065 ～61 +821)段长1.756 km，防洪堤基础的设计深度2.5 m。参照上述计算结果，在设计洪水72.1 m3/s，建筑物各处冲刷深度为1.03 ～1.89 m，考虑一定安全因素，堤防基础的深度:沙子河渡槽基础深度设计为2.0 m、过水路面基础深度设计为1.5 m。

4 防洪堤护坡断面型式与堤防基础方案设计

4.1 护坡设计

堤防护坡可采用现浇混凝土护坡及浆砌卵石护坡2 种结构型式，两方案主要设计情况如下:①混凝土板护坡。堤防护坡采用现浇混凝土板，厚度为12 cm，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，顺水流方向每5 m设一横缝。估算采用混凝土护坡工程投资为276.74 万元;②浆砌卵石护坡。堤防护坡采用浆砌卵石，厚度为30 cm，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，顺水流方向每10 m设一伸缩缝。估算采用浆砌石护坡工程投资为385.96 万元;③护坡型式方案比较。对两种护坡型式的投资、外观、施工条件进行比较，两方案主要指标比选见表2。

表2 护坡方案比较表

根据近年本州已修建的防洪堤防来看，现浇混凝土板堤防护坡，经多年运行，效果较好。综合考虑投资、施工等条件，本次设计堤防断面采用现浇混凝土板护坡型式。

4.2 基础防护方案

4.2.1 方案一:重力式挡土墙基础方案

堤防基础防护是在堤脚处设置重力式防冲挡土墙基础，挡土墙高度根据冲刷深度计算取2.5 m，堤防重力式挡土墙基础顶部宽度为0.5 m，底部宽度为1.8 m，墙高为2.5 m。采用M15 浆砌卵石，每隔10 m设一道沉降缝，缝用苯板和聚氨酯填充，缝宽2 cm。详见图2。

图2 重力式挡土墙基础方案横断面图

4.2.2 方案二:防冲斜墙基础方案

根据冲刷深度计算，在堤脚处设置砌石防冲斜墙，斜墙迎水面边坡系数0.64，背水面边坡系数为0.5，斜墙高度根据冲刷深度计算取2.5 m，防冲斜墙顶部宽度为0.5 m，底部宽度为0.8 m，深度为2.5 m。防冲斜墙采用C20 毛石混凝土，详见图3。

图3 防冲斜墙基础方案横断面图

4.2.3 计算内容和工况比较

计算条件:在洪水期，挡土墙基础墙前无土。将数据代入进行稳定及应力计算，结果详见表3:

表3 挡土墙稳定及应力计算表

4.2.4 基础防护方案比较

堤防基础防护型式方案投资、施工技术、稳定性等各项指标比较详见下表4。

表4 基础型式方案比较表

4.2.5 推荐方案

通过以上综合比较，方案二在施工条件、工程技术条件等方面要求要高于方案一，但方案一投资高于方案二，本着安全经济的原则，本工程基础防护推荐选用方案二，即采用C20 毛石混凝土防冲斜墙基础型式。

［1］许士国，高永敏，刘盈斐. 现代河道规划设计与治理［M］.中国水利水电出版社，2006:135 －139.

［2］康震，王佐权. 关于河道堤防除险加固工程的安全管理［J］. 黑龙江水利科技，2014，42(11):286 －288.