略阳县大石湾村河堤建设方案分析

赵金龙

(略阳县水利工程管理服务中心，陕西 汉中 724300)

1 概 况

略阳县郭镇大石湾村道河组河堤工程位于乐素河右岸，其右岸居住农户100余人，河岸为河滩土石坡坎，无防洪设施。乐素河流域属北亚热带半湿润季风气候区，受西南暖湿气流影响，气候温和，雨量充沛，多年平均降水量860 mm。由于山高坡陡，砂金的开采，致使部分河段河床淤积严重，泥石流频发，严重威胁到当地村民的生命财产安全，为此，略阳县水利局规划在乐素河右岸修建河堤工程。根据建设要求及资金情况，结合现场勘察、调查，拟建河堤上游接右岸高坎坡处、下游接高地处，形成封闭区域，规划布置河堤全长296.6 m，以确保大石湾村道河组的防洪安全。

2 河道洪水分析

乐素河郭镇大石湾段以上流域面积81 km2，河道长13.5 km。该流域属无实测水文资料地区，本次设计洪水分析计算拟采用《汉中地区实用水文手册》(以下简称《水文手册》)中推荐的经验公式法和暴雨资料推求法进行计算。

2.1 经验公式法推求设计洪水

依据《水文手册》提供的计算洪峰流量经验公式计算。

Qp=CpFn

(1)

式中：Qp为频率为p的洪峰流量，m3/s；F为工程河段末端流域面积，km2；Cp、n为频率为p的经验参数，查得指数n取值0.705。

2.2 推理公式法推求设计洪水

由暴雨推求设计洪水，采用《水文手册》所提供的暴雨成果和产汇流计算方法计算。

(1)设计暴雨计算。由《水文手册》查得各历时点面系数的参数at、bt，经计算各历时点面系数及面雨量计算成果见表1。

表1 暴雨点面系数及面雨量计算成果表

从《水文手册》中查得12 h概化雨型，设计净雨按蓄满产流概念计算，根据暴雨相似区分区图，最大蓄水量为82.0 mm，前期影响雨量为54.7 mm，潜流量占产流总量的20%，按产流时段平均扣除即推求出设计净雨过程，计算出不同频率下的设计净雨结果。

(2)设计洪水的计算。依据基本公式：

(2)

(3)

假设Qm，并将m、L、J值代入计算公式，经计算m=0.6123，计算得Qm～τ关系曲线见表2。

表2 Qm～τ曲线计算表

2.3 成果分析与比选

将经验公式法和推理公式法计算的设计河段末端断面处设计洪峰流量，列表分析比较，见表3。

表3 不同方法计算的洪峰流量对比表

从表3计算结果可见，经验公式法和推理公式法计算的洪峰流量结果相差不大。两种方法计算结果显示，地区经验公式法稍小一些，推理公式法较大，经验公式虽具有形式简单，计算方便等优点，但对洪水形成的复杂成因，只考虑了较为主要的因素，加之在地区综合过程中的代表性问题，使计算成果容易出现偶然性误差。《水文手册》中的暴雨成果是依据1954—1983年间的实测暴雨、洪水资料分析综合求得，期间丰、平、枯所占比例相当，代表性较好，各种成果又经综合平衡及合理性检查，基础可靠，使成果具有一定的代表性和实用性。缺点为资料年限太短，最近的资料距现已有34 a，不能代表近30 a情况。同时推理公式法计算洪峰流量较大，为工程安全起见，应选用大值。综合分析本次堤防设计洪水成果，即20 a一遇洪峰流量为405 m3/s。

3 堤防建设方案分析

3.1 堤线布置及河宽

利用实测的工程区1/1000地形图，结合河道走势，该段堤防在平面上基本呈线性。其中桩号右0+000～右0+068.8为直线段，桩号右0+068.8～右0+188.6为圆弧段，接吊桥右岸桥墩上游，桩号右0+188.6～右0+255.8为圆弧段，桩号右0+255.8～右0+296.6为直线段，起点接吊桥右岸桥墩下游，终点接下游高地处形成封闭区域。

根据现场实地测量,上游已成堤防及下游已成堤防最小行洪宽度为29.7 m,本次堤防工程修建后,行洪宽度为29.7～33.5 m,大于现状最小行洪宽度,故设计堤距满足行洪宽度要求。

3.2 堤防结构形式

设计河段沟道狭窄，为保障大石湾村道河组居民的防洪安全，本次采用衡重式挡土墙，占地面积小，遇超标准洪水对堤身影响不大。

3.3 堤顶高程

大石湾村设计河段堤为4级堤防，不允许越浪安全加高值为0.6 m。波浪的风速为16 m/s，风区长度为20 m，水域平均水深2.7 m，斜坡的糙率及渗透性系数为0.8，经验系数为1.0，爬高累积频率换算系数为2.07，经计算，堤顶超高0.784 m，出于安全考虑，超高采用值0.8 m。本次堤顶高程按照设计洪水位加堤顶超高值确定，确定河堤堤顶高程为1067.95 m。

3.4 堤身构造

本次设计新建衡重式堤防长度296.6 m，M7.5浆砌石砌筑，堤顶为M10砂浆抹面，其余外露表面用M10砂浆勾缝，墙高6.41～6.78 m，墙顶宽0.60 m，临水面坡比1∶0.25，墙顶以下坡比1∶0.30，再以下坡比1∶0.25；基础采用C15混凝土浇筑，底宽2.27 m，墙趾宽0.30 m，墙趾高0.50 m。为排除洪水期堤后积水，保证堤身的正常使用，沿墙高设Φ75 mm UPVC排水孔两排，上排距墙顶0.80 m，下排高出枯水位0.50 m，间排距2.00 m，墙背排水孔设反滤层，分别为15 cm的卵砾石20～100 mm、5 cm的细砾石2～20 mm，以及5 cm粗砂0.5～2.0 mm。堤身设置变形缝，缝距15 m，缝宽2 cm，采用聚乙烯泡沫板填充。根据本工程的地质情况，墙背采用砂卵石回填，辅料厚度控制在30～50 cm之间，相对密度不小于0.6。

4 堤防安全性分析

4.1 冲刷分析

工程河段设计的堤防基础位于河道平行段或凹岸段，基础的埋深应根据河床冲刷深度、安全埋深、河道深泓线及地质条件综合分析确定堤岸沿线不同堤段的基础埋设深度。冲刷深度依据《堤防工程设计规范》[1](GB 50286—2013)附录D中的公式计算：

(4)

(5)

(6)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；n与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4～1/6；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡夹角α查表D.2.2；d50为河床的中值粒径，m；Uc为泥沙起动流速，m/s，对于卵石河床采用长江科学院起动公式计算；rs、r为泥沙与水的容重，kN/m3。

根据上述公式，结合设计堤段工程布置，冲刷计算结果见表4。

表4 堤防冲刷深度计算结果表

本段堤防工程基本处于顺直段，根据计算结果，结合现场实际地形情况、上下游已建堤防基础埋深情况，同时按照规范要求，堤防埋深不应低于计算冲刷深度0.5 m确定埋置深度，故综合确定堤防基础深度右0+000.0～右0+296.6段基础高程为1061.40～1058.55 m，埋置深度2.5 m。根据工程布置，堤防基础采用C15混凝土，底宽2.27 m，墙趾宽0.3 m，墙趾高0.5 m。

4.2 堤防稳定性分析

经选择，右0+127.2断面为控制断面，分析其结构稳定性。堤后回填碎石土内摩擦角水上32°，水下30°，河堤背摩擦角16°；天然容重19.5 kN/m3、土容重9.5 kN/m3、水容重10 kN/m3、河堤容重23 kN/m3；根据《中国地震动参数区划图》[2](GB 18306—2015)，工程区地震动峰值加速度为0.15 g，相应地震基本烈度为Ⅶ度；地基允许承载力为250 kPa。

依据《水工挡土墙设计规范》[3](SL 379—2007)第5.1.1条要求，作用在防护墙上的荷载组合分为基本组合和特殊组合两种。设计乐素河堤防完建时基本荷载组合有：堤防自重、填土重、静水压力、浮托力、土压力。洪水位情况时作用在堤防上的荷载有：墙背水压力、墙前水压力、土压力、浮托力、渗透力、淤砂压力等荷载。见图1。

图1 挡土墙稳定计算简图

依据规范SL 379—2007第5.1节，经计算分析作用在挡墙上的荷载分为基本荷载和特殊荷载。经计算，土质地基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数完建情况为1.45，设计洪水位为1.39，地震时为1.39，大于基本组合时安全系数1.2和特殊情况的安全系数1.0。抗倾稳定安全系数完建情况为2.65，设计洪水位为2.09，地震时为1.76，均大于基本组合时安全系数1.45和特殊情况的安全系数1.35,经计算，其所拟定的堤防结构是安全的。

利用材料力学法，依据规范SL 379—2007附录C公式计算代表断面堤体基础截面正应力。计算出完建情况时最大堤基允许承载力165.7 kPa，最小堤基允许承载力98.6 kPa，设计洪水位情况时最大堤基允许承载力146.8 kPa，最小堤基允许承载力36.3 kPa，均小于堤基允许承载力250 kPa；堤身中部未出现拉应力，压应力和剪应力均小于允许值。

5 结 论

根据略阳县大石湾村道河组防洪目标需要，在分析当地乐素河洪水量级的基础上，结合现场勘察、调查，拟建河堤上游接右岸高处坎坡、下游接高地处，规划布置河堤全长296.6 m，形成封闭区域，防护河堤按20 a一遇防洪标准进行建设。经分析，堤防抗滑、抗倾安全系数符合标准，满足防洪需要，工程建成后具有较大的经济效益和社会效益，使居民的防洪安全得到有力保护。