新疆叶尔羌河苏盖提吐乎防洪工程设计研究

麦麦提明·依比布拉

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

1 概 述

洪水是一项自然灾害，会对沿岸居民的正常生产生活产生严重的影响[1-2]。针对这种情况下，则需要建设相关的工程措施，以降低洪水对沿线居民正常生活的影响[3-4]。同时，整治完成的河道也可以改善当地环境，发挥其防洪、排涝作用，促进工业、农业发展，具有十分重要的经济、社会、环境效益[5-6]。进行河道治理前，需要分析河道的洪水特征，确定设计洪水参数，以便于准确确定防洪工程规模，采用科学、合理的手段完成河道防洪工程建设[7-8]。目前，在河道防洪中，通常采用堤防治理[9-10]。结合叶尔羌河苏盖提吐乎段防洪工程，分析叶尔羌河的洪水特征以及防洪工程设计洪水参数，为堤防工程设计提供基本参数。

2 工程概况

苏盖提吐乎位于新疆喀什地区叶尔羌河西岸。防洪工程所处地段河道纵坡1/250，为砂卵石河床，河宽2.0～3.0 km，两岸绝大部分为耕地。河道坡度大、流速大，对两岸冲刷严重，属于游荡性河床。苏盖提吐乎防洪工程现状有顺坝2 600 m，丁坝12条。顺坝多采用梢木卵石压坝，丁坝采用铅丝石笼护坝。工程标准低，使用周期短，抗洪能力差。

3 叶尔羌河洪水特征及设计洪水确定

3.1 洪水特征

叶尔羌河洪水可分为冰雪消融型、冰川溃坝型、暴雨型、混合型洪水4种类型。叶尔羌河发源于喀喇昆仑山口，是全球冰川最为发育的山脉。叶尔羌河流域内冰川、冬季积雪十分发育。每当气温上升，造成冰川、积雪融化，则形成冰雪消融型洪水。同时，在叶尔羌河上游有较多冰川拦截形成堰塞湖，气温上升，冰川消融形成冰川溃坝型洪水。在雨季，强降雨会在叶尔羌河形成暴雨型洪水。混合型洪水由上述3种类型中的两种或3种洪水同时发生，形成的洪水。

1973年7月发生的消融型洪水较为典型，主要特征表现为：洪水上涨慢，表现为复式洪水峰型，对温度变化较为敏感。1984年溃坝型洪水较为典型，主要特征表现为：洪水来势汹涌、破坏性极强，为单一洪峰，多发育于温度较高的气候条件，在寒季也偶有发生。1987年7月，发育了较为典型的暴雨型洪水，主要特征表现为：单一洪峰，洪水上涨、回落速度快，洪水总历时较短。1971年8月发育了一次较大规模的混合型洪水，为消融型+溃坝型洪水，小规模的混合型洪水，在运移过程中迅速坦化，分辨难度极大；混合型洪水特征主要由其组成的洪水类型决定。

3.2 设计洪水确定

此次苏盖提吐乎段治理工程场址无实测的水文资料。使用喀群站和依干其渡口站作为参证站，根据两个参证站之间洪水流量变化规律以及参证站的设计洪峰流量作为控制依据，采用线性插值方法，推求拟建场地内的设计洪峰流量。按照下式计算：

(1)

式中：Qp为计算断面设计洪峰流量,m3/s；Qsp为上游参证站设计洪峰流量,m3/s；Qxp为下游参证站设计洪峰流量,m3/s；L为上游与工程场址断面间距，为26 km；Lsx为上游参证站与下游参证站间距，为70 km。

喀群站和依干其渡口的设计洪峰流量见表1、表2。根据参证站设计洪峰流量，利用式(1)计算得到治理段设计洪峰流量和洪水位，见表3、表4。

表1 喀群站洪峰流量统计参数及设计洪峰流量

表2 依干其渡口站洪峰流量统计参数及设计洪峰流量

表3 工程场址洪峰流量设计洪水成果

续表3

表4 叶尔羌河苏盖提吐乎防洪工程设计洪水位

4 防洪工程设计

4.1 堤型选择

按照堤型可将堤防分为直立型和斜坡型两种。斜坡型断面一般采用梯形断面，使用浆砌块石或者混凝土直接进行砌筑、浇筑，这种类型的断面具备施工难度低、结构简单、堤防结构稳定性更高等特点，适宜性强，材料获取难度，易于修复，但占地面积较大、材料耗费较大。直立型堤防外侧一般为直立，与斜坡型相比具有占地面积小、节约材料等优势，河道水深越大，越节省材料，但工程施工要求多，对于不均匀沉降适宜性较差。

苏盖提吐乎段在洪水暴发后，将会携带体积较大的块石、泥沙等，对堤防结构具有极大的冲击破坏力，直立型堤防在这种情况下，将要承受巨大的挑战。同时，工程区内地基土承载力较差，可能出现不均匀沉降现象，直立型堤防在该工程适用性较差。场地内，河道两岸主要为耕地，物料丰富，推荐采用斜坡型堤防。

4.2 堤防结构设计

4.2.1 稳定河宽确定

确定河道的稳定河宽，可以减少河水对堤防的冲刷作用，保证防洪工程的安全性。稳定河宽采用下式计算：

By=AQ0.5/J0.2

(2)

式中：By为稳定河宽，m；Q为造床流量，m3/s；J为河床比降；A为系数，取A=4.0。

计算过程及结果见表5。经计算，稳定河宽为858 m，小于叶尔羌河防洪规划中的1.0 km河宽，因此取设计河宽为1.0 km。

表5 稳定河宽计算

4.2.2 堤顶超高计算

堤顶超高按下式计算：

Y=R+e+A

(3)

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，取0.5 m。

各段安全超高计算结果见表6。

表6 安全超高计算

4.2.3 断面方案比选

目前，有3种方案在叶尔羌河治理工程中使用较多，分别为全断面浆砌石堤防、浆砌石+混凝土面板、全断面浆砌石+现浇混凝土。3种方案对比见表7。从表7中可知，采用全断面浆砌石+现浇混凝土方案具有工程投资低、水利条件好、抗变形能力强等优势，因此采用该方案作为堤防断面，典型堤防断面见图1。

表7 堤防结构方案比选

图1 堤防断面

4.3 堤防稳定性验算

4.3.1 抗冲刷设计

河道河床比降相对较大，洪水来临时，水流流速较大，采用下式计算河道抗冲粒径d：

(4)

式中:C为块石稳定系数；γs、γ分别为水和块石的容重；g为重力加速度。

粒径大于0.32 m时即可满足防冲要求，块石粒径相对较小，在施工过程中难度不大。

4.3.2 抗滑、抗倾覆设计

根据相关规范要求，抗滑安全系数kc和抗倾覆安全系数km可以采用如下公式进行计算：

(5)

(6)

式中：f为基底和基础摩擦系数；∑W、∑P分别为计算单元处竖向力之和和水平力之和；∑MV，∑MH分别为抗倾力矩和抗覆力矩。

通过计算，各个断面处的安全系数结果见表8。

表8 抗滑、抗倾覆安全系数

通过3个断面的计算，使用全断面浆砌石+现浇混凝土作为堤防时，抗滑、抗倾覆安全系数均能满足相关规范要求。

5 结 论

叶尔羌河是新疆地区极为重要的一条内陆河流，通过分析，叶尔羌河主要发育消融型、溃坝型、暴雨型、混合型4种类型的洪水，使用喀群站和依干其渡口站作为工程场地洪水计算的参证站，利用线性插值的方法确定了防洪段设计洪水位和流量。采用斜坡型堤防具备施工简便、结构稳定性高等优势，在苏盖提吐乎段防洪治理工程中适用性较强，采用全断面浆砌石+现浇混凝土堤防结构具有投资低、施工简便等优势，通过验算，满足抗冲刷和稳定性要求。