柯尔克夏克河防洪治理方案研究

李仁豪

（第九师联拓勘测设计研究有限公司，新疆 塔城 834601）

1 工程概况

柯尔克夏克河防洪工程位于新疆准噶尔盆地边缘，紧邻一六八团和十连驻地，河流发源于塔尔巴哈台山南缘，全长为8.5 km。主要由新疆建设兵团第九师一六八团境内的柯尔克夏克主河道、乌什水水库泄洪沟、木夫露沟等诸多小河汇流而成，最终汇入额敏河。柯尔克夏克河河道狭窄，根据现场实测，河道宽度在4～10 m 之间，现有防护工程主要为团场群众修建的临时土堤，防洪标准低，经过多年洪水侵蚀，已不具备防洪作用，汛期洪水淘刷河岸，导致岸体坍塌，淹没道路，危及民房。河道内杂草丛生，淤积严重，存在大量生活垃圾，严重影响河道行洪。河流两岸为农田和道路，随着农业发展和道路扩建，河道逐年被侵占，汛期洪水漫堤，造成严重水土流失。当汛期洪水来临时，会严重影响到周边居民生命财产安全，亟需通过工程措施来增强防洪能力。

2 水文地质

2.1 水文特性

工程所处地区属于大陆性中温带干旱气候，气候干燥，日照时间长，气温年、日温差较大，春季升温快，秋季降温迅速，冬季干冷而稳定，主要降水也集中在冬季。年平均气温为5.8 ℃，最热的7月平均气温为20.6 ℃，最冷的1月最低气温为-13.3 ℃。年降雨量为342.1 mm，年均蒸发量为1 744.0 mm，多年平均最大冻土层深l.45 m。

柯尔克夏克河洪水一般以春季积雪消融洪水、积雪消融水与降水形成的混合洪水及夏季山区暴雨型洪水为主[1]。洪水来源为木夫露沟汇入洪水。

2.2 地质特征

项目区地层岩性上层以粉土层为主，下层以圆砾层为主，粉土层厚0.50～0.80 m，干强度低，韧性低，圆砾层砂以岩、凝灰岩为主，主要以中粗砂充填空隙，层厚2.20～10.30 m。

3 工程设计

3.1 工程规模及主要建设内容

该防洪工程治理长度为4 386 km，桩号4+114～8+500，主要工程任务为河道加宽、加设护岸工程。根据现状河道地形、地质及宽度等因素，此次工程拟采用3 种断面衬砌形式：矩形全断面、梯形全断面、沿两岸护砌。衬砌材料拟采用雷诺护垫、咬合式花砖护坡（结合混凝土板防冲衬砌）和混凝土直墙3 种材料。

柯尔克夏克河防洪治理工程建设项目沿线为一六八团团部和十连居民区，共有人口约3 000人，属农村段，依据《防洪标准》[2]表4.3.1，防护等级为Ⅳ等、防洪标准为20～10 年，根据工程防护区人口相对较少，该工程选取防洪标准为10 年。

3.2 水力计算

1）工程全断面衬砌段呈均匀顺直的标准行洪断面，水力计算应采用均匀流流态的计算公式：

式中：Q为流量，m3/s；V为流速，m/s；A为过水面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径；i为水力坡降；n为糙率，取0.03；b为底宽，m；m为边坡系数；h为水深，m；X为渠道湿周长，m。

分段推算后，计算结果见表1。

2）工程两岸衬砌段多为呈多弯道的河道形式，天然横断面不规整，因此，应用《水力计算手册》[3]中的恒定非均匀流水面曲线计算方法计算，水面曲线从下游向上游逐段试算。河道能量公式：

将上式整理得：E1=E2

式中：Z1，Z2为下游、上游代表断面水位，m；α1，α2为下游、上游动能修正系数；Q为洪水流量，m3/s；g为重力加速度，m/s2；A1，A2为下游、上游过水面积，m2；△S为断面之间间距，m；K1，K2为上下游代表断面的流量模数。最终计算结果见表2。

表2 两岸护砌段水力计算

3.3 冲刷深度计算

根据《堤防工程设计规范》[4]中计算公式可得出，工程涉及河段的冲刷深度范围为0.01～0.44 m，结合堤基地质资料，考虑到安全富余和施工扰动等情况，工程的冲刷深度取1.20 m，即抗冲刷的基础埋设深度设为1.20 m。

3.4 衬砌厚度设计

工程主要衬砌方式为雷诺护垫，参考已建类似工程的建设经验，确定雷诺护垫的填石厚度为23 cm。

3.5 抗冻胀设计

工程河道沿线表层存在粉土层，河底粒径小于0.075 mm 的土粒质量不大于总质量的10%，根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》[5]可判定为非冻胀性土。考虑到雷诺护垫具有较好的柔韧性和承受冻胀变形的能力，因此，用雷诺护垫做河底衬砌的河段只需在护垫下铺设一层无纺布防止冲刷破坏，无需单独考虑冻胀设计。护岸衬砌为花砖的河段，设计在花砖下铺设15 cm的砂砾石垫层防冻胀。

3.6 护岸断面及衬砌比选

根据以上计算结果，拟定4 种护岸形式。

1）方案一：矩形全断面（雷诺护垫河底+混凝土直墙）

左右岸为俯斜式重力式混凝土挡墙，挡墙埋深1.20 m，渠深1.30 m，混凝土挡墙底宽0.70 m、顶宽0.30 m，河底铺设23 cm 厚雷诺护垫及400 g/m2无纺布，挡墙后侧铺设花砖路面，向临河侧设坡，坡度为2%，花砖下铺设15 cm 砂砾石垫层防冻胀。

优点：占地面积小，对两岸已有工程和设施影响小，已建设施拆除和树木砍伐量小。

缺点：混凝土浇筑量大，要求有较高的地基承载力，造价高。

2）方案二：梯形全断面（雷诺护垫河底岸坡+花砖岸顶）

渠深1.39 m，左右岸坡及河底用23 cm 厚雷诺护垫及400 g/m2无纺布进行衬砌，岸坡坡比为1∶1.5，坡后铺设花砖路面，向临河侧设坡，坡度为2%，花砖下铺设15 cm 砂砾石垫层防冻胀。

优点：对两岸已有设施影响小，对河道两岸和河底有保护冲刷的作用；一段时间后，雷诺护垫表面可生长草本植物，与自然环境相协调。

缺点：衬砌工程量大，造价高。

3）方案三：梯形全断面（雷诺护垫河底+花砖岸坡岸顶）

渠深1.50 m，左右岸坡和岸顶以花砖铺设，河底用23 cm 厚雷诺护底及400 g/m2无纺布进行衬砌，岸坡河底交接处设置0.5 m 宽阻滑墙。

优点：既保证河底有冲刷保护，又能满足居民休闲娱乐需求，通过花砖铺设，增加岸坡设计感。

缺点：只适用于两岸有居民区的河段。

4）方案四：两岸衬砌（花砖岸坡岸顶）

左右岸以花砖铺设，以1∶1.5 坡比沿现有岸坡下挖1.20 m 后，以原河床土回填，非汛期与水面接触及以下采用现浇混凝土板衬砌，其中混凝土板采用C30、抗冻等级F250 设计，厚度为10 cm，下方铺设20 cm 厚砂砾石垫层，并在岸坡与河底连接处设置0.50 m 宽阻滑墙。坡后铺设花砖路面，向临河侧设坡，坡度为2%，花砖下铺设15 cm 砂砾石垫层防冻胀。

优点：与现状河道的岸线高度拟合，可以适应两岸现状不对称的河道，较宽河道处工程投资较前两种小。

缺点：对河底冲刷无保护作用，因需开挖回填，河道断面狭窄，工程量较全断面衬砌工作量更大，造价更高。

综合考虑柯尔克夏克河现状情况，工程采取4种防护形式相结合的施工方案，即：现状河底大于10.00 m 的河段，选择方案四形式，包括5+160-5+370，6+160-6+380，7+040-7+220，7+820-8+240，总长度为1.03 km；河底宽度小于10.00 m 的河段，选择方案二形式，包括4+860-5+160，5+370-5+549，8+240-8+500，总长度为0.74 km；河底宽度小于10.00 m，且有居民区的河段，选择方案三形式，包括4+114-4+860，6+016-6+160，7+220-7+820总长度为1.49 km；两岸设施多，或有占地限制的河段，选择方案一形式，包括6+380-7+040，总长度为0.66 km。

3.7 渗流计算

选取护岸顶高程最高的5+400 断面作为典型断面，进行渗流和抗滑稳定性计算。5+400 处为砾粉土质，根据经验确定护岸堤身土发生渗透变形的允许水力比降为0.5，具体参数选择见表3。

表3 渗流计算参数选取表

经计算，外坝坡水力比降为0.112，单宽渗流量为0.013 91 m3/(d·m)，满足渗透稳定要求。

3.8 抗滑稳定性计算

结合工程堤身特点，拟堤身整体稳定和雷诺护垫护坡稳定两种情况进行验算。

根据《堤防工程设计规范》，工程选取稳定渗流期的下游坝坡、河道水位降落期的上游堤坡、正常运用遇地震的下游堤坡进行稳定计算。

抗滑稳定计算采用瑞典圆弧滑动法计算抗滑安全系数K，计算公式：

式中：C′，φ′为图的抗剪轻度指标，kN/m3和（°）；b为土条宽度，m；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，（°）；W1为在堤坡外水位以上的条块重力，kN；W2为在堤坡外水位以下的条块重力，kN；u为水位降落前堤身的空隙压力，kPa；z为堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m；γW为水的重度，kN/m3。

5+400断面尺寸：上游坝坡m1为1.5，下游坝坡m2为1.5，坝高H为1.94 m，坝前水深H1为0.80 m。因堤身和地基土质相同，因此，采用相同的土质物理力学特性：重度18.3 kN/m3，饱和重度21.6 kN/m3，粘聚力25 kPa，内摩擦角24°。

经计算，水位降落期，临水面最小安全系数为1.20，大于规范允许最小安全系数1.05；稳定渗流期，背水面最小安全系数为1.36，大于规范允许最小安全系数1.15；正常运用遇地震，背水面最小安全系数为1.29，大于规范允许最小安全系数1.15，因此满足稳定性要求。

4 结语

柯尔克夏克河第九师一六八团段，现有防洪工程设施简陋，抗洪能力差，且河流沿线高低宽窄无序，生活垃圾和建筑垃圾堆填，不仅无法满足防洪要求，也严重影响一六八团城镇面貌。采用矩形全断面+雷诺护垫河底+混凝土直墙、梯形全断面+雷诺护垫河底岸坡+花砖岸顶、梯形全断面+雷诺护垫河底+花砖岸坡岸顶、两岸衬砌+花砖岸坡岸顶4 种断面形式对现有防洪工程进行岸坡整治，并确保设计满足渗透和抗滑坡要求，工程综合整治后将形成河畅、水清、岸绿、景美的水美乡村，增强广大人民群众的安全感、幸福感、获得感。