丹江棣华段堤线堤防断面形式探析

曹 菀

棣花镇位于商洛市丹凤县西北部，有丹凤西大门之称。南水北调水源地丹江自西北向东南横贯棣花达10 km，棣花街成“弓”型环抱着棣花村。属北亚热带季风气候区，年平均降水量712.5 mm。棣花镇现有117个自然村民小组2.3万人，总面积78 km2。棣花文化旅游园区是陕西省十大重点文化景区——“商於古道文化景区”重要组成部分。为配合西部花都景区重要集镇段建设，确保当地防洪安全，规划修建棣花镇防洪工程。

1 河道现状及存在问题

1.1 河道现状

丹江在陕西境内流程259 km，流域面积7478 km2，境内河道平均比降3.27‰。该河谷宽约90～150m，河谷两岸斜坡角度25°～57°，河谷均呈一“V”字型发育，堤线位于丹江干流左右岸河漫滩之上。河水具暴涨暴落之特征，水流侧蚀强烈。河床表层以砂卵石为主。此次治理河道长度5.1 km。河道较宽阔、平坦。现状河宽50～150 m。按照工程位置的不同，本工程共布置三段，其中雷家坡治理河道长1.0 km，南沟—西沟段治理河道长2.6km，两岭段治理河道长1.5km。

1.2 存在问题

工程位于丹江干、支流丹凤县棣花镇，设防河段总长5.1 km。雷家坡治理河段右岸为大片耕地、大棚等，依靠天然岸坎挡水。左岸雷家坡大桥至上游基岩处为大片耕地，有天然松散砂砾石岸坎；下游为观光生态园区，为重要支流治理丹江干流丹凤县棣花段防洪工程已成堤防；南沟—西沟治理河段右岸为大片耕地，局部有干砌石挡墙，但标准低，坍塌严重。南沟、西沟入汇口处无防洪工程，依靠天然岸坎挡水。左岸为重要支流治理丹江干流丹凤县棣花段防洪工程已成堤防。南沟、西沟入汇口处无防洪工程，依靠天然岸坎挡水；两岭治理河段，河道蜿蜒，两岸主要为居民区、农耕地。左岸 Z0+884～Z1+552.8段、右岸 Y1+062.6～Y1+256.1段为浆砌石堤防，掉跟严重，其余段依靠天然岸坎挡水。整个治理河段河床纵向演变剧烈，呈较强下切趋势。每年汛期洪涝灾害频繁，直接威胁城镇人民生命财产安全，已成为制约地区经济发展的颈瓶。

2 堤防建设方案分析

依据前期工作成果、社会经济情况及相关标准，确定本次治理段（F=2504 km2）设防标准为20年一遇，设计洪峰流量1603 m3/s，工程等级为4级。

2.1 堤线布置

根据现场踏勘，参照已成河堤，考虑上下游、左右岸的护岸现状，结合设防河段河道特性及堤线布置原则，根据河道演变趋势和规律，按照大弯顺势，小弯取直的原则，拟定设计堤线结合现状河道走势，沿现状岸坎走势，采用直线和相切圆弧连接，力求平顺。护岸与原公路桥梁衔接处，按照复核的过水能力，结合原有断面合理布设堤线。

本次设计堤距依据工程规划保护范围，采用两种方法，即阿尔图宁公式和由水流阻力公式、水流连续方程及河相关系式连立求解计算，并结合已有防洪工程及已有设计的成果进行计算核定。

（1） 采用阿尔图宁公式：B=A×（Q0.5/J0.2）；A 为稳定河宽系数，取 1.6；Q 为造床流量（m3/s）；J为河道比降。

（2）水流阻力公式、水流连续方程及河相关系式连立求解计算：

式中：ξ为河相系数；Q为造床流量，m3/s；J为河道比降；n为综合糙率；B为计算河道宽度，m；h为计算河道水深，m。

用上述两个公式计算的稳定河段水面宽度，结合现状河道特征及已成防洪工程情况，确定分段规划最小堤距，见表1。

表1 丹江干流设计堤距统计表 单位：m

根据各河段所确定的设计洪峰流量，结合现有堤防以及调查取证确定行洪宽度，并根据本河段的实际地形条件，对局部不合理堤段做适当微调，最终确定：丹凤县棣花镇雷家坡、南沟-西沟段设计堤距不小于100 m；棣花镇两岭段由于地形限制，左右岸坎处为民房密集区，拆迁难度大，因此确定设计堤距不小于65 m。

2.2 堤顶高程确定

根据《堤防工程设计规范》，两岭-巩家湾段护岸超高值Y=0.6 m，再加20年一遇洪水位，即可得到堤防的堤顶高程。综合确定丹凤县农防段堤防工程雷家坡大桥右岸、南沟-西沟右岸、两岭段左右部分段落，雷家洞段右岸风浪爬高为0.364 m，风壅水面高度为0.005 m，安全加高值0.6 m（20年标准为0.6 m）。确定工程治理段堤防工程堤顶超高为1.0 m；护岸工程雷家坡大桥左岸、两岭-巩家湾段部分段落护岸超高为0.6 m。

2.3 堤防横断面形式

根据堤线布置原则及堤距，结合现状堤防及各段实际情况，综合考虑，本次堤防结构形式采用仰斜式挡土墙和浆砌石护坡两种方案进行比较。两种堤防断面形式优缺点见表2。

表2 各种护坡技术对比分析表

根据本项目实际情况，经过技术、经济、适宜性等多方面的比选，最终确定本次工程这两种方案分段考虑。

1）棣花雷家坡、南沟-西沟段

此段位于西部花都景区，为配合景区发展，此段采用复式生态堤防形式，拟定堤防横断面见图1。新修堤防采用梯形断面砂砾石堤，护脚采用浆砌石挡墙形式，临水侧1∶0.5，背水侧直立，前趾宽0.3 m，高0.6 m。护脚顶宽3 m（含护脚墙顶宽0.6 m），护脚平台铺设浆砌石厚0.3 m，表面铺设0.1 m厚C25混凝土。堤后采用0.2 m厚1∶2.0生态护坡，表面采用植草护坡形式，C25混凝土框格尺寸2 m×2 m，格构梁断面尺寸0.2 m×0.35 m。坡脚采用50 cm×60 cm的C25混凝土固脚，坡顶采用40 cm×40 cm的C25混凝土压顶，堤顶后侧设1.0 m宽绿化带，3.0 m宽C25混凝土路面。

2）棣花两岭段（桩号 Z0+000-Z0+793.7、Y0+000-Y0+559.7）

此段由于地形限制，左右岸坎处为民房密集区，拆迁难度大，综合考虑左右岸的利益，兼顾上下游已成堤防、尽量不缩窄过洪断面，拟定堤防采用仰斜式断面，拟定堤防横断面见图2。断面采用M7.5浆砌石仰斜式挡墙后填筑砂砾石型式，挡墙顶宽0.8 m，后侧设1.0 m绿化带，堤顶宽3.0 m，设20 cm厚C25混凝土路面。堤防临水侧坡比1∶0.5，背水侧坡比1∶0.15，前趾宽 0.5 m，高1.0 m；挡墙每隔 10 m设1道纵向伸缩缝，墙前设DN50PVC排水管梅花形布置。

图1 生态复式断面

图2 仰斜式断面

3）棣花镇两岭段（桩号 Z0+884.0—Z1+418.0）

此段河道均有干砌石老堤存在，老堤前沿有10～20 m宽的滩地，由于河床下切，滩地前沿与河床形成2.5～3.5 m的土坎，如遇洪水冲刷，土坎坍塌，对老堤形成巨大威胁，根据本段河道现状，在漫滩前沿采用格宾笼对老堤进行加固。格宾笼块石尺寸2.0 m×1.0 m×1.0 m，顶部种植爬山虎、紫藤等爬行植物，堤后植绿化带。拟定堤防加固横断面见图3。

图3 格宾笼块石后填筑砂砾石型式棣花镇两岭段

4）棣花镇两岭段（Y0+559.7—Y1+042）

此段为已成浆砌石堤防，掉跟严重，此段采用护根加固处理，加固形式采用C20埋石混凝土结构，护根迎水面坡比1∶0.2，基础顶宽0.6 m，底宽1.2 m，高3.0 m。拟定堤防加固横断面见图4。

图4 两岭段(Y0+559.7-Y1+042)堤防加固横断面图

2.4 冲刷计算及基础埋深

工程区河道比降陡，洪水流速大，易对堤脚造成淘刷，根据《堤防工程设计规范》相关公式，结合两岸堤防、护岸防洪标准分别进行冲刷计算。最终确定：两岭基岩段（Z0+000～Z0+200、Y0+000～Y0+170 m）基础埋置深度在弱风化基岩以下1.0 m，护滩棣花镇两岭段（Z0+884.0—Z1+418.0）、雷家洞（Z0+000-Z0+584.8）段基础埋置深度在深泓线以下2.0 m；其余段基础埋置深度在深泓线以下3.0 m。

2.5 堤防稳定分析

2.5.1 挡土墙稳定分析

棣花镇雷家坡-两岭段防洪工程稳定计算根据断面形式及地质情况的不同，选取同类型中高度最高的断面进行稳定分析，本次分别选取两岭段DF3(50+689)断面，DF8(51+427)断面，雷家坡-西沟段DF11（46+904）断面为代表断面进行稳定计算。对拟定的堤防断面，按单位长度一米堤防进行稳定验算计算。采用水利水电程序集进行计算，计算结果见表2。

表2 堤防验算成果汇总表

4级堤防正常运用条件下抗滑安全系数为1.20，抗倾覆安全系数为1.45。从上表计算结果知，所拟定堤防断面抗滑稳定系数、抗倾覆稳定系数均大于规范允许值，基底应力均小于地河床地基许可承载力，且最大基底应力值与最小值之比均小于规范容许值，所拟设计堤防断面满足稳定及强度要求。

2.5.2 护坡整体稳定计算

结合地形、地质情况，本次选取棣花镇雷家坡-两龄段DF11（46+904）断面进行堤坡稳定分析。稳定计算采用河海大学工程研究院编制的有限元平面渗流程序“Autobank”进行。计算结果为：迎水坡坡比1∶2，计算值为2.743，而规范值1.15。这说明，堤防填筑质量较好的情况下，临水侧边坡1∶2，背水侧边坡1∶2是稳定的。因此，本设计选定的棣花镇南沟雷家坡-西沟段迎水坡1∶2生态护坡是稳定的。

2.5.3 渗流计算

本工程以护岸为主，背水侧高度比设计堤顶高1～2 m，不会形成稳定渗流，故可不进行背水坡渗流计算。

2.5.4 堤岸防护设计计算、堤坡砌护稳定情况

对浆砌石堤坡砌护自身的稳定性按《堤防工程设计规范》D1.1—1式进行复核。选择典型断面，取最大堤高断面，砌护厚度：顶部40 cm，底部0.95 cm。不计基础的阻滑作用。由以上计算，砌石护坡，滑动安全系数＞1.0，即在各种滑动深度情况下，护坡均是稳定的。

3 结语

丹凤县棣花镇工程区为棣花西部花都所在地，工程区大部分河段无防洪措施，为完善丹江干流防洪体系，规划修建丹江棣花工程。根据本项目实际，经过技术、经济、适宜性等多方面的比选分析，棣花镇雷家坡、南沟-西沟段设计堤距不小于100 m，堤防采用生态堤防；两岭段设计堤距不小于65 m，采用仰斜式挡土墙结构型式，商镇及两岭段采用M7.5浆砌石护坡结构型式，工程建成后，可保护丹凤县棣花镇雷家坡、南沟-西沟、两岭人口1893人、耕地1172亩安全，防洪效益达1178.88万元。