布尔库斯台河防洪治理工程设计浅析

王 贝

(第九师联拓勘测设计研究有限公司，新疆 塔城 834601)

1 概 况

布尔库斯台河位于新疆北部准噶尔盆地，属兵团第九师一七〇团中心连队庙尔沟境内[1]。布尔库斯台河发源于玛依勒山南坡，属季节性河流，无明显河沟，最终消失于出山口冲积平原，径流补给主要是季节性融雪水、降雨和地下水[2]。布尔库斯台河集水面积168 km2，河道全长49.3 km。

本次拟治理河段位于庙尔沟，起始位置为中心连队西1.53 km处，终点位于规划小区下游0.30 km处，治理长度2460 m。主要建设任务是新建堤防、护岸，保护项目团场3098人的生命财产安全，保障兵团交通、通讯系统安全。项目区防洪标准为10 a一遇，治理工程等别为Ⅴ等，工程规模为小(2)型，建筑物级别为5级。

2 工程设计

新建两岸堤防1828 m，新建护岸1844 m，其中桩号24+246～24+280、24+430～24+700河床底有饮水管线穿过，设计中采用混凝土盖板做防冲保护。新建堤高1.2～2.1 m，堤顶宽3.0 m，边坡为1∶1.75[2]。

2.1 河道整治宽度

设置护岸后，稳定河段水面宽度一般不应小于阿尔图宁稳定河宽计算值。阿尔图宁稳定河宽公式如式(1)：

(1)

式中：B为稳定河段水面宽，m；Q为造床流量，m3/s；J为河床比降。根据实测河道纵断面；A为经验系数，本工程根据本地区河道情况取A=1.0。稳定河宽计算成果如表1所示[3]。

表1 布尔库斯台河稳定河宽计算

经计算，本项目拟治理河段的稳定河宽为8.74～12.18 m，本着因地制宜、合理规划的原则，河道整治宽度要力求接近河道稳定河宽，河道现状宽度为6.90～30.80 m，河道宽度不规则。在河道治理中，河道宽度要接近稳定宽度和实际宽度，不对河道大幅束窄或拓宽，利用原河宽及原有护岸作为治导线，进行整治加固，保证设计洪水通畅通过。

2.2 治导线设计

拟治理河段多年来为上游洪水汇流后的主要泄洪通道，河道走向相对固定。本次设计河道治理总体沿现状布置，桩号23+800～24+136段因左岸为山体，故采用右岸单侧护砌，以现状河岸为依靠，治理后的河宽与原河道底宽相接近；桩号24+136～24+759、24+860～25+905段采用两岸沿主河槽布置，现状宽度不足处进行适当加宽处理，局部裁弯取直，基本与整治河道现状接近[1-2]。

2.3 设计流量及纵坡

通过水文比拟法、洪峰模数法、推理公式法三种方法计算比对，布尔库斯台河断面设计洪峰流量计算结果见表2。

表2 设计洪峰流量成果 m3·s-1

根据水文分析论证结果，本工程防洪标准重现期为10 a，考虑运行安全性要求及河道现状实际情况，该河道平均纵坡取18‰。

2.4 护砌方案比选

2.4.1 材料比选

根据本地区已有工程经验，可采用现浇混凝土板、浆砌石、雷诺护垫三种衬砌材料。考虑到雷诺护垫对石料粒径要求严格，爆破成本过高，本项目对现浇混凝土板、浆砌石两种结构进行比选[3]。

(1)现浇混凝土板护坡。根据规范，斜坡混凝土板护坡的护面厚度按式(2)计算：

(2)

式中：t为现浇混凝土板护坡厚度 m；η为系数，取0.01；γb为混凝土板的容重，24 kN/m3；γ为水的容重，10 kN/m3；H为计算波高，m，取H1%；L为计算波长，m；B为沿斜坡方向的护面长度，m；m为斜坡坡率，1.75。经计算，现浇混凝土板护坡厚度为6.5 cm；由于该治理河段冬季水深约为0.2～0.3 m，考虑严寒地区冰拔对混凝土板破坏问题，参考已建工程经验，确定现浇混凝土板的衬砌厚度为15.0 cm。

(2)浆砌石护坡。斜坡坡率为1.5～5.0时，护坡厚度按式(3)计算：

(3)

式中：t为斜坡浆砌石护坡厚度 m；K1为系数，取0.266；γb为块石的容重，22.5 kN/m3；当d/L>0.125时，H取H4%。经计算，浆砌石护坡厚度为10.5 cm；同样考虑冰冻等因素，确定浆砌石板的衬砌厚度为40.0 cm。

从适用性来看，现浇混凝土、浆砌石作为护岸材料在本地区工程应用较多，都可行；从施工条件来看，混凝土板护坡以机械化施工为主，相关材料可以直接购买，浆砌石护坡以人工施工为主，所需石料需要爆破；从投资来看，选用相应高度每延米的护岸工程量进行投资比较，其比较结果见表3。

表3 每延米护岸投资比较表

可以看到，从经济性上两者相差不大，考虑到新疆地区炸药管控和审批非常严格，如采用浆砌石方案还需新建弹药库，增加工程建设投资，也可能因不可控因素影响工程施工进度，因此本项目采用混凝土衬砌。

2.4.2 护砌断面比选

由于现状河道宽度差异大，结合现状河道情况采用不同河道底宽的梯形断面护砌方式，按混凝土板埋深护砌和混凝土板全断面护砌两种形式进行经济技术比选，选取不同河段的最经济护砌方式。本项目设计底宽6.9～30.8 m，以24+759断面进行方案比选，底宽6.9 m，堤高1.8 m，两种方式造价分析如表4所示[4]。

表4 24+759断面按单位长进行造价分析

由分析可知，底宽为6.9 m的防洪堤护岸采用两岸混凝土衬砌比全断面混凝土衬砌更经济，当底宽增加时，全断面护砌造价更高，本项目采用两岸衬砌方式。

2.5 护砌方案设计

根据河段特点，给出各典型断面护砌方案如下。

2.5.1 右岸单岸护砌

以桩号23+800～24+136段为例，该段左岸为山体，没有防护对象，该段护岸类型为右岸护砌，结构形式为混凝土斜墙厚15 cm，底宽为7.9～24.6 m，临水侧边坡1∶1.75，背水侧边坡1∶1.50，堤高1.5 m，堤顶宽3.0 m。

2.5.2 两岸防洪墙护砌

以桩号24+890～25+260为例，受两岸房屋位置的限制，采用混凝土防洪墙护砌两岸，底宽为8.0～30.8 m，堤高1.6～2.1 m；桩号24+890～24+978段右岸防洪堤现状完好，但堤顶高度不能满足设计要求，需加高处理。

2.5.3 两岸混凝土护砌

桩号24+136～24+471,24+580～24+759，24+860～24+890，25+260～25+905，底宽为8.0～30.8 m，堤高1.2～1.8 m，堤顶宽3.0 m，临水侧边坡1∶1.75，背水侧边坡1∶1.50。

2.6 水面线

治理河段呈多弯道的河道平面形式，天然河道横断面在多年洪水水流的影响下也很不规整，参考河道恒定非均匀流水面曲线计算方法，采用逐段试算法进行能量试算，从水流下游断面向上游断面逐段推算[5]，计算成果见图1。

2.7 堤顶高程

根据护砌段堤防和护岸性质的不同，得到防洪堤(护岸)顶高程计算成果如表5所示。

图1 水面线计算成果

桩号河底高程水位高程计算超高堤(护岸)顶高程实取超高备注23+80023+85023+92024+02024+13624+26024+36024+4711467.951466.641464.801462.701461.181459.551458.241455.991468.321467.181465.501463.261461.731460.381458.931456.810.7880.8030.8090.8040.8030.7950.8090.8111469.251468.141466.301464.201462.781461.151459.841457.290.930.960.800.941.050.770.910.48堤防24+52024+5801454.801453.341455.301454.080.5000.6561456.101455.140.801.06护岸24+75924+86024+89024+97825+02025+06025+08325+18025+2601448.991445.761445.281443.881443.221442.581442.221440.731439.571449.941446.911446.281444.881444.331444.041443.671441.631440.010.6560.8140.6570.6570.6570.6570.6570.6560.6531450.791447.561447.081445.681445.321444.681444.321442.331440.770.850.650.800.800.990.640.650.700.76堤防25+36025+44525+50025+60025+70025+80025+9051438.121436.891436.091434.641433.191431.741430.221438.801437.921436.641435.541433.991432.521431.250.5000.5000.5000.5000.5000.5000.5001439.621438.391437.591436.141434.691433.241431.720.820.470.950.600.700.720.47护岸

2.8 抗滑稳定计算

根据《堤防工程设计规范》GB 50286—2013，本工程级别为5级，要求的抗滑稳定安全系数正常运行情况K=1.10；非常运行情况K=1.05。本阶段选取堤高最大段桩号24+600作为坡式护岸典型断面来进行岸坡抗滑稳定分析。验算公式为

(4)

式中：W为土条重量，kN；Q、V为水平和垂直地震惯性力，kN；u为作用于土条底面的孔隙压力，kN/m2；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；b为土条宽度，m；c′为土条底面的有效凝聚力,kN/m2；φ′土条底面的有效内摩擦角，°；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

计算结果见表6。计算结果表明，防护堤在各种状态下，堤坡的最小安全系数均大于规范规定的要求值。

表6 抗滑稳定计算成果

3 结 语

本次布尔库斯台河防洪治理工程防洪标准10 a一遇，工程等别为Ⅴ等，设计洪峰流量17.8～28.29 m3/s，治理河长2460 m，共修建混凝土直立式、坡式堤防1828 m，修建混凝土坡式护岸1844 m。项目的实施可将治理段防洪标准提高到10 a一遇，提高当地的防洪标准，保护项目团场3098人的生命财产安全，保障兵团交通、通讯系统安全，同时对加快当地经济发展、促进社会和谐具有明显效果。工程建成后一段时间的运行情况，表明工程形式和设计是合理的。