萨尔布拉克河防洪工程防洪堤结构选型及稳定分析

杨慧芸

(新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院有限公司，新疆 伊宁 835000)

1 基本概况

为提高萨尔布拉克河防御洪灾的能力，促进和保障流域经济、社会和生态全面可持续发展，本着统筹规划、综合治理、确保重点、分期实施的原则，对19+000～22+000段3.0km河道进行疏浚整治，沿河道两岸治导线修建防洪堤总长6.006km，防洪工程保护人口0.32万人,保护农田400hm2,及河道两岸县乡公路，依据《防洪标准》(GB 50201-2014)，防护区人口≤20万人，耕地面积≤2万hm2，其防洪等级为Ⅳ级，使本段河道的防洪标准提高到10a一遇，确保河道两岸村镇、农田及工程设施的安全，保护人口、农田及河道两岸县乡公路，为萨尔布拉克镇经济的发展和两岸居民的安居乐业创造安全有利的条件。

2 工程总体布置

2.1 防洪工程总体布置方案

萨尔布拉克河(桩号19+000～22+000)段河道沿河谷底部穿行，河床宽101～260m，主河槽沿河道内左右摆动，河槽深0.8～2.5m。本段河道主要是防治洪水淹没河道两岸的农田、村庄和冲毁两岸的水利工程及交通设施，防止洪水冲蚀两岸土地，防止河道产生淤积造成河床的抬高。因此，防洪总体方案如下：按照河道行洪宽度的要求及两岸土地、设施分布情况调整河道走势，确定稳定行洪宽度，对河道进行整治、疏通，沿河道两岸治导线修筑防洪堤，束水归槽，使洪水能顺畅下泄，既要防止河道冲刷下切，又要避免河道内形成左右摆动的河槽,从而造成河槽冲刷、滩地淤积。

防洪堤按永久堤防标准建设，因地制宜、就地取材。防洪堤采用斜坡式堤防，堤身采用河道内砂砾石料填筑，对防洪堤临水面边坡进行护砌并按冲刷深度要求下设基础，通过护砌提高防洪堤的防冲抗冲能力。防洪堤堤顶高在设计洪水位以上预留足够的超高，满足校核洪水的通过。为了便于工程管理和应急抢险的需要，堤顶宽度必须满足抢险车辆的通行。通过对现有河道整治，整治后的河道宽度较现有河道缩窄较多，对堤防两侧空出的河滩地进行整治，种植生态防护林，既增加了土地利用率，同时起到生态治理的作用。

2.2 治导线的选择

治导线选择合理与否，对防洪安全和防汛抢险影响很大，是规划设计中重要工作。通过实地勘测，目前河道宽度较过去加宽了许多，河道宽度已由过去的100～150m加宽到101～260m,主要是河岸无防冲设施，河岸不断侵蚀、河滩地不断增加所致。萨尔布拉克河是一条年际、年内径流变化较大的河流，年际丰、枯水径流量相差4倍之多，径流的年内分配很不均匀，枯水期平均流量在2.0m3·s-1，丰水期平均流量8.1m3·s-1。灌溉期上游大量引水，造成河道下游大部分时期下泄流量很小，长流水基本沿主河槽流动，主河槽宽50～100m，只有洪水期河滩地才上水。随着河滩地的不断加宽，水流被分散，水流挟沙能力大大减弱，大部分泥砂在河滩地上淤积，造成滩地不断加高加宽。

结合有关资料和伊犁地区河道整治实践经验，认为对萨尔布拉克河河道必须整治，对现有的河道必须缩窄疏通，河道整治宽度要力求接近河道稳定宽度，要考虑适应渲泄稀遇洪水的要求，不能降低河道安全泄洪能力和滞洪能力。必须保证河道的冲淤平衡，防止河道淤积和下切。综上所述，本防洪段防洪堤治导线为左右两岸平行布置，对部分河段采用裁弯取直，封堵岔流，力求水流平顺。

2.3 河道整治宽度计算

确定合理的河床整治宽度，对保证行洪和两岸安全非常重要，河道整治宽度不易太窄，避免束缩水流加大流速，造成河岸的冲刷和河床的下切。同时也不能太宽，容易形成心滩和边滩地从而改变水流的流向和流态，造成局部冲刷和局部淤积。苏联学者阿尔图宁整理大量中亚、西亚冲积扇河流资料，得出稳定河宽与造床流量及比降的关系：

B=AQ0.5/J0.2

式中,B为稳定河床宽度，m；Q为造床流量，相当于频率P=(3～10)%的洪水流量，取频率P=10%的洪水流量为造床流量；J为河床比降，取该段河床平均比降；A为河流特性系数。

河流特性不同，公式中系数A值也将不同，根据资料，我国长江的荆江蜿蜒性河道A=0.64～1.15；黄河高村以上的游荡性河道A=2.23～5.41。目前萨尔布拉克河过县城城区段防洪工程已实施，该段河道整治宽度为70m，稳定宽度计算时河流特性系数取2.3。目前工程已运行了4a，河道稳定，冲淤变化不大，实践证明该段河的整治宽度是合理的，因此本次规划萨尔布拉克河稳定河道宽度的计算中采用A=2.3，经计算河段稳定河床宽度见表1。

河道的整治宽度在计算的稳定宽度基础上适当调整，并结合已实施河段整治宽度情况及现有的稳定河段宽度确定，具体如下：19+000～22+000河段长3km，现状河道宽度70～260m，主河槽宽50～100m，河道纵坡1/95～1/120，河道整治计算宽度67.9～71.15m，综合考虑，本段河道整治后稳定宽度为100～195m。

河道计算稳定宽度及整治宽度详见表1。

表1 河段稳定河床计算宽度

2.4 防洪堤布置

按照河道行洪宽度的要求及两岸耕地设施分布情况调整河道走势，确定防洪治导线，对河道进行整治、疏通，沿河道两岸治导线修筑防洪堤，束水归槽，使洪水能顺畅下泄。防洪堤按永久堤防标准建设，因地制宜、就地取材。

本工程河段长度3km,两岸防洪堤总长6006m，左右岸分别叙述,其中，左岸段长3018m,上游与水定镇幸福新村河岸护段相接，下游与跨萨尔布拉克河北岸大渠输水渡槽右岸护砌段上游相接，沿原河道岸坎布置，局部裁弯取直，主要保护民区，耕地和县乡道路。右岸段长2988m,上游与萨尔布拉克河韩家庄子村河岸护岸相接，下游与跨萨尔布拉克河北岸大渠输水渡槽左岸护砌段上游相接，该段沿岸坎耕地边缘布置，不侵占农田为主，主要保护居民区，耕地和县乡道路。综上所述，本工程防洪堤大部分均沿原河道岸坎布置，局部裁弯取直，以不侵占耕地为本次布置指导思路，因地制宜地确定河道整治宽度，以达到保护两岸对象的目的。

3 堤防工程设计

3.1 防洪堤结构型式选择

本着就地取材的原则，防洪堤设计采用土石方填筑，堤型为斜坡式土堤，结合河道整治充分利用河道整治过程产生的砂砾石料及河滩地料进行土堤的填筑。为防止洪水对防洪堤的冲刷，对防洪堤临水面边坡进行护砌，并按设计冲刷深度要求下设护坡基础。防洪堤护砌形式结合地质条件、建筑材料、建设条件等方面综合考虑，初步确定以下2种方案。

3.1.1 方案1

防洪堤采用一坡到顶的现浇砼板护砌形式，采用C20现浇砼护坡，迎水面边坡为1∶1.5，基础部位砼板厚0.2m,基底设0.5m×0.8m的砼基座(阻滑墙),堤防上部边坡砼板厚为0.15m,堤顶设0.5m宽0.15m厚的压顶。

3.1.2 方案2

防洪堤护砌采用浆砌石形式，一坡到底，堤防基础部分采用C20细石砼砌卵石结构，基础底座宽1.0m，厚0.8m,堤顶边坡护砌厚度0.5m，边坡1∶1.5。边坡上部上部护砌采用浆砌石形式。板厚0.3m，堤顶设压顶，压顶宽0.5m，厚0.15m。

通过对上述方案的建筑材料、施工条件、运行条件、水力条件、投资等方面的技术经济比较，考虑到本段河道内卵石分布有限，卵石采集有一定难度，另外浆砌石机械化作业程度低、人工需求量大且施工进度慢、工程投资较大，综合考虑，本段河道堤防护砌决定采用方案1，即现浇砼板护砌形式。

3.2 防洪堤断面设计

3.2.1 防洪堤纵断面

根据河道实测纵断面并考虑河道整治后河床纵断面确定，设计纵坡为1/95～1/120。

3.2.2 防洪堤横断面

防洪堤为土堤，主要采用砂石料填筑，设计压实相对密度不小于0.75，根据边坡稳定要求，防洪堤内边坡均为1∶1.5，外边坡1∶1.5。防洪堤采用机械碾压，考虑到机械施工工作面要求，同时为了满足今后工程的管理及防洪抢险通行要求，堤顶宽按4m设计。为了便于错车,每隔800m设一处错车平台，平台长20m,宽8m。

防洪堤堤高按设计洪水位加安全超高确定，并复合满足特大洪水的要求。经计算分析，堤防高2.0m。

为防止洪水对堤防的冲刷，防洪堤临水面边坡采用现浇砼板护砌，并按冲刷深度要求下设基础。

3.3 设计洪水位计算

本次防洪工程建设主要是沿河道整治宽度外修建防洪堤，防洪堤主要通过河床断面取料，通过取料、整治，该段河道将形成较规则的过水断面，底宽、糙率、纵坡、堤防边坡基本上相同。因此通过水力计算确定河道水面线，水力计算按明渠均匀流公式计算：

Q=ωc(RJ)1/2

河道断面底宽b取各河段设计整治宽度，整治后河床较平整，为砾石河床面，其糙率n底取0.037，堤防边坡采用现浇砼板护砌，边坡1∶1.5，边坡部位糙率n边取0.015,通过加权平均,综合糙率取0.035。河道纵坡根据各段河道自然纵坡确定。确定各段河道水力要素详见表3。

表2 方案技术经济比较表

表3 设计河道水力要素表

3.4 堤防堤顶高的确定

本工程防洪堤顶高程依据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)进行设计，由于本段河道防洪堤是在河道整治的基础沿河道两岸修建堤防，防洪堤修建后形成稳定的河道断面，因此防洪堤堤顶高采用设计洪水位加堤顶超高的方法确定。

3.4.1 堤顶超高计算

经过计算，防洪堤堤前波浪的平均波高为0.054～0.82m，水力半径为0.58～0.67m，设计风壅水高度为0.00266～0.00816m，应当分段进行计算。本工程堤防级别为4级，根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)中表2.2.1按堤防工程级别查得堤顶超高为0.6m。

3.4.2 防洪堤顶高确定

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)要求计算得到防洪堤堤顶高。计算堤高为1.89～1.93m，综合考虑，本段河道防洪堤堤高统一取2.0m。河段各控制节点设计堤顶高程详见表4。由表4可知，各段堤顶高程均高于实测和调查历史洪水位，说明堤防是安全的。

表4 防洪堤堤高计算表

4 堤防稳定计算

4.1 计算工况

按照《堤防设计规范》(GB 50286-2013)的规定，土堤抗滑稳定计算可分为正常情况和非常情况。具体工况见表5。

表5 土堤稳定计算工况表

4.2 计算成果

采用《土石坝坝坡稳定分析程序》中圆弧分析法进行分析(理正计算软件)。上、下游安全稳定系数计算结果见表6。

表6 上、下游安全稳定系数计算成果表

由计算结果可知，防洪堤断面尺寸满足抗滑稳定要求。

5 结语

通过萨尔布拉克河防洪工程的实施，减少了沿河两岸在洪涝灾害时的经济损失，土地砂化进一步减轻，农田投入大量有机肥、化肥等均为农作物吸收，为改良土壤提供条件，保障了大东沟河两岸生态环境好转，也改善了小气候和景观，具有较大的经济效益和生态效益。