艾力克塔木防洪工程堤防设计与有限元复核研究

吐尔逊江

（新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所，新疆乌鲁木齐830000）

艾力克塔木防洪工程堤防设计与有限元复核研究

吐尔逊江

（新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所，新疆乌鲁木齐830000）

结合艾力克塔木防洪段河道整治项目现状工程布置情况，通过项目比选，确定采用混凝土板护砌边坡护砌型式，防洪堤基础采用槽孔混凝土连续墙，以达到止水隔水的目的，采用换填非冻胀土砂砾石和碎石作为抗冻处理措施。参照规范，计算堤防0+150断面处浸润线位置与渗透量，采用abaqus软件模拟分析正常蓄水位下堤防渗流状态，结果满足规范要求。

防洪工程；堤防设计；护岸设计；方案比选

艾力克塔木段防洪堤工程为叶尔羌河中下游平原区的防洪工程建设的一部分，其存在河道淤积严重、总干渠部分段被洪水冲断及冲毁、堤防欠高，破损严重等问题。急需对其进行工程整治[1-2]。

1 工程概况

艾力克塔木段防洪工程位于叶尔羌河流域的下游，在小海子水库西南约25 km处。艾力克塔木位于巴楚县境内，多年平均气温为11.7℃。最热月为7月，月平均气温25.85℃；最冷月为元月，月平均气温-7.0℃。7～9月最大平均风速：17 m/s，属于寒冷地区，最大冻土层深度70cm。根据保护对象艾力克塔木防洪堤为Ⅲ等中型工程，设防标准为20年一遇洪水，设计洪峰为670 m3/s。

2 堤线设计

艾力克塔木位于农三师小海子水库西南约25 km处，防洪工程范围根据《新疆叶尔羌河防洪规划报告》从艾力克塔木渠首开始分为两段，上段位于艾力克塔木渠首上游，叶尔羌河右岸342+000-352+140段，下段位于艾力克塔木渠首至小海子水库南坝河道，总长35 km，保护对象为农三师前海总干渠、艾力克塔木渠首、小海子库外渠、小海子水库。提出以下两种防洪堤轴线方案：

方案一：采用原防洪堤轴线，对局部弯道进行裁弯取直。

优点：此方案能够因地制宜的充分利用现状土堤，轴线较短为1010 m，能够起到防洪堤坝的作用。

缺点：此段坝前和坝后均生长有较为茂密的植被（大多为胡杨），施工中必然破坏现状植被；现状土堤前填有大量多年沉积的临时防洪材料，如：卵石铅丝笼、卵石以及梢捆，基础防冲设计局限性较大，就现行技术成熟的基础防冲方法，仅钢筋混凝土灌注桩防冲基础可行；由于未改变坝轴线，河道宽度未发生变化，故河道行洪宽度与现状一致（现状河宽900～1050 m）；此方案施工期受洪水期的影响较大，洪水期不能施工，只能在河道非洪水期筑临时导流堤进行抢修，施工排水费用高，容易造成施工质量缺陷。

方案二：平行原坝轴线，在原防洪堤外边坡坡脚外30～50 m范围内新建防洪堤。

优点：此方案少破坏原有河漫滩植被；水流条件较好，河道行洪宽度较方案一宽30～50 m；基础防冲设计局限性较方案一小，钢筋混凝土灌注桩基础、槽孔混凝土基础、水力插板基础等均适合；施工期不受洪水期的限制，施工排水费用低，能保证工程施工质量。

缺点：坝轴线长1020 m，较方案一长10 m，防洪堤以大填方为主，土方工程量大（填方约7万m3），采用混凝土灌注桩基础工程造价较方案一高。

经比较，方案二可避开多年沉积的临时防洪设施，不受洪水影响及施工场地限制。故以方案二作为防洪堤线的推荐方案。

3 堤防设计

3.1 堤防断面设计

堤防顶高程以20年一遇洪水水位加风浪爬高和安全超高而定。堤顶超高计算公式如下：式中：Y为堤顶超高（m）；R为设计波浪爬高（m）；e为设计风壅增水高度（m）；A为安全加高（m）。选取典型断面进行堤防超高计算，计算结果见表1。

对于堤防护砌形式拟采用混凝土板护砌边坡，防洪堤基础采用槽孔混凝土连续墙，并在墙前设置12 m长水平卵石格宾笼铺盖设计方案[3]。

表1 堤防堤防高程计算成果表

堤防边坡采取现浇混凝土板护砌，根据《堤防工程设计规范》6.6.6条的要求混凝土板下设排水孔，孔径取80 mm，排水孔间距3 m，呈梅花状布置，排水孔后布置反滤。混凝土板下铺设10 cm反滤层，再铺设土工织物，布重200 g/m2。封顶宽度为0.50 m，厚10 cm，封顶板混凝土强度为C20，Ⅱ级配，抗冻等级为F150。护坡型式见图1。

3.2 混凝土板厚度计算：

图1 艾力克塔木防洪工程防洪堤堤防断面图

混凝土板厚度是采取《堤防工程设计规范》中D.3.3公式计算。

试中：T为混凝土护面板厚度，（m）；η为系数,对开缝板可取0.075，对上部为开缝板下部为闭缝板可取0.10，本设计采取上部开缝板，故η取0.075；H为计算波高，取H1%。计算出平均波高后，查《堤防工程设计规范》中C.1.3-1不同频率波高换算表，计算结果见下表2：

表2 混凝土厚度计算成果表

计算出的混凝土板厚度偏薄，堤防受河水冲刷厉害，混凝土板厚根据经验取20 cm。混凝土强度为C20，Ⅱ级配，抗渗等级为W6，抗冻等级为F150。

3.3 抗冻胀设计

项目区最大冻土深度为100 cm（2007年）。根据工程地质情况，筑堤土料主要为低液限粉土，有一定的冻胀性，需采取抗冻胀措施。依据《水工建筑物抗冻胀设计规范》SL211-2006进行抗冻胀设计。本次设计采用的抗冻胀措施为堤基换填措施[4]。

设计冻深是指天然地表或设计地面高程算起的冻结深度，可按《规范》公式进行计算：

式中：Zd为设计冻深，m；ψd为日照及遮荫程度的修正系数，按式B. 1.1-2确定，ψw为地下水影响系数，按式B.1.1-3计算。ψi为典型断面某部位的日照及遮荫程度修正系数，查得为1.15。α为系数，据工程所在的气候区，建筑物计算断面轴线走向、断面形状及计算点位置可分别由《规范》表B.1.1-1查取，取值为0.69。β为系数，为0.63。Zwo为当地或邻近气象台(站)的冻前地下水位深度(m)。Zwi为计算点的冻前地下水位深度(m)。计算结果见下表3。

表3 冻深计算成果表

经计算最大冻深为1.12 m。根据《规范》6.3.2条规定，冻深小于1.2 m的地区，防冻层厚度应大于0.6倍当地最大冻土深度（最大冻土深度100 cm）。本工程防冻换填层厚度取0.6 m，换填材料为非冻胀土砂砾石和碎石，满足抗冻胀要求。

3.4 基础防冲设计

基础防冲设计为：槽孔混凝土防渗连续墙，并在墙前铺设15 m长的水平铺盖进行坝基防冲。

槽孔混凝土防渗墙墙厚0.6～1.0 m，本次采用墙厚0.6 m的槽孔钢筋混凝土防渗墙进行基础防冲，槽孔混凝土砼强度等级为C25，Ⅱ级配，抗冻等级为F150,抗渗等级为W6，砼密度不宜小于2300 kg/m3。为保证槽孔混凝土防渗墙在洪水淘刷作用下的稳定性，在墙体迎水面抛格宾卵石笼增加其稳定性。卵石格宾笼技术指标：格宾石笼规格为长5×宽1×高0.6 m，铺设两层，用于制作格宾的钢丝需厚镀高尔凡（5%铝锌合金＋稀土元素）防腐处理，镀层的粘附力要求：当钢丝绕具有2倍钢丝直径的心轴6周时，用手指摩擦钢丝，其不会剥落或开裂，符合EN10223～3标准；网面抗拉强度大于50 kN/m，符合EN10223-3标准；卵石短径不小于120 mm[5]。见图2。

4 渗流有限元计算分析

根据《堤防工程设计规范》第8.1.1条规定，河堤、湖堤应进行渗流及渗透稳定计算。本次计算以0+150桩号断面作为典型断面进行核算。计算时采用迎水面为设计洪水、背水面无水工况进行计算。依据根据地质勘测报告，防洪堤坝体材料为粉质粘土，坝基以下为细砂，属透水层。故本次渗流计算按透水地基计算，坝坡背水面按无排水设施情况分析。

图2 防洪堤槽孔混凝土防渗连续墙结构断面图

浸润线计算公式：

式中h0为特征水深（m）；Te为地基的有效深度；浸润线各点坐标按以上公式计算，计算结果见表4。

表4 堤防渗流计算成果表

本文采用Abaqus有限元软件对正常蓄水位下堤防0+150桩号断面进行非稳态渗流计算分析。非稳态分析是指地基的内部或外部的边界条件随时间发生变化的分析。非稳态分析和稳态分析的区别就在于边界条件随时间而变化，以及需要考虑体积含水率的影响。渗流计算基本微分方程为：

式中：Q为土单位体积上单位时间内的释水量，Θ为体积含水率。计算结果见图3～图5.

图30 +150断面总水头计算结果

图40 +150断面孔隙压力水头计算结果

图50 +150断面渗流流量计算结果

5 结论

本文对艾力克塔木段防洪工程存在的问题进行了分析。确定了艾力克塔木段防洪工程布置方案，通过方案比选对于堤防护砌形式拟采用混凝土板护砌边坡，防洪堤基础采用槽孔混凝土连续墙，并在墙前设置12m长水平卵石格宾笼铺盖设计方案，并计算得到了护砌混凝土板厚度。经计算最大冻深为1.12m，采用换填非冻胀土砂砾石和碎石，来满足抗冻胀要求。采用规范推荐的方法计算了堤防浸润线分布与渗透量，结果满足规范要求。由于项目所在地区为新疆高寒地区，抗冻设计是否能达到实际要求还需要进一步检验。

[1]张家灵.生态堤防设计问题与原则分析[J].河南水利与南水北调, 2016,(01):21-22.

[2]张寅虎.护岸堤防设计计算分析实例探讨[J].中国水运(下半月), 2015,(06):189-190+193.

[3]张晓佳.生态堤防设计的必要性及其原则分析[J].科技展望,2015, (13):245.

[4]李自荣.堤防设计中堤基设防深度探讨[J].水利科技与经济,2014, (09):99-100.

[5]朱三华,黎开志,刘飞.浅析生态堤防设计[J].人民珠江,2005,(S1): 17-18.

TV85

C

1673-9000（2017）04-0090-03

2

吐尔逊江（1974-），男，维吾尔族，新疆和田人，工学学士，工程师，主要从事水利工程与设计工作。