额玛勒郭楞蒙古民族乡防洪堤设计

梁黎明

（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

额玛勒郭楞蒙古民族乡防洪堤位于额敏县额玛勒郭楞蒙古民族乡喀拉尕什库热西村西侧,额敏水库东侧,工程具体位置见图1。额敏水库始建于1959年,1967年竣工,是一座中型拦河式平原水库,水库大坝为均质土坝,最大坝高为15.35 m,坝长5500 m,坝顶高程651.80 m,校核洪水位为649.51 m,设计洪水位为649.21 m。50年一遇洪峰流量为109 m3/s,300年一遇洪峰流量为177 m3/s,10年一遇洪峰流量为54.30 m3/s。每当额敏水库高水位蓄水时,会淹没喀拉尕什库热西村的基本农田,对村民的生产生活造成严重影响。因此,新建防洪堤,提高区域现状防洪工程的防洪标准重现期,以达到规范要求的防洪标准,保护区域内人民的生命以及财产在其洪水标准内的安全,保障交通、通讯系统在其洪水标准内安全畅通。

图1 额玛勒郭楞蒙古民族乡防洪堤工程具体位置图

2 防洪标准和工程等级

2.1 防洪标准

额玛勒郭楞蒙古民族乡喀拉尕什库热西村人口总数为534人。根据《防洪标准》（GB 50201-2014）[1]规定：防护区人口≤20万人,确定乡村等级为Ⅳ级,其防洪标准为20年～10年一遇。因防护对象在额敏水库附近,防护对象为居民区及基本农田,因此其防洪标准设为10年。

2.2 工程等级

额玛勒郭楞蒙古民族乡可耕地2884亩。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）[2]规定：保护农田面积＜5万亩,防洪工程等别为Ⅴ等,工程规模为小（2）型,主要建筑物级别为5级,次要建筑物级别为5级,临时性建筑物级别为5级。

3 防洪堤设计

3.1 防洪堤轴线选择

额玛勒郭楞蒙古民族乡防洪堤位于额敏水库溢洪闸东侧,拟建防洪堤总长1177.84m。该工程的起点0+000位于额敏水库溢洪闸东北50m处,此处有一条田间土路,终点位于居民区房屋后背西北角。本工程走向大致由东南向西北。防洪堤轴线桩号0+000～0+205.10是由原田间路截弯取直确定,田间路左侧为水库库盘,右侧为树根堆砌地及林星树木；桩号0+205.10～0+512.00基本沿着原有田间路选取,左侧为水库库盘边缘种植的林带,右侧为防护林；桩号0+512.00～0+580.00基本沿着原有耕地与林带交界处选取。桩号0+580.00～1+028.71基本沿着水库库盘地势较高处且尽量少伐树木的原则选线。桩号1+028.71～1+106.78左侧为水库库盘,右侧为居民养殖家禽的区域,在两者之间尽量截弯取直。桩号1+106.78～1+177.84左侧为水库库盘,右侧为居民房屋,在两者之间尽量截弯取直。

3.2 防洪堤衬砌方案比选

本文设计的防洪堤衬砌方案拟采用砼衬砌与雷诺护垫两种衬砌结构进行比较确定。

（1）方案一：砼衬砌,现浇混凝土板护坡

斜坡砼板护坡的护面厚度按下式计算：

式中：t 为现浇砼板护坡厚度,m；η为系数,取0.01；γb为砼板的容重,取24 kN/m3；γ为水的容重,取10 kN/m3；H为计算波高,m；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,取1.75。

经计算,现浇砼板护坡厚度为6.5 cm；由于该治理段水深约为0.3 m～0.9 m,按照抗冻胀设计规范,并考虑严寒地区冰拔对砼板破坏问题,确定现浇砼板的衬砌厚度为15 cm。

（2）方案二：雷诺护垫护坡

雷诺护垫护坡相对砼板来说是一种柔性衬砌方式,其适应变形能力较强,生态效应好。

其衬砌厚度的计算可按方案一的计算公式进行计算,填充石块的规格因有雷诺护垫,查阅相关资料及工程实例可采用70 mm～300 mm。

根据已建工程经验以及考虑雷诺护垫的施工要求,本次设计确定雷诺护垫的填石厚度为17 cm,下设砂砾石厚度30 cm,最下层铺设400 g/m2无纺布,砂砾石及无纺布均为反滤作用,并用砂砾石防止无纺布遭到破坏。

雷诺护垫规格为：长6 m,宽2 m,高0.17 m,内部每间隔1 m采用双隔板隔成独立的单元；边板、端板、隔板及底板间为整体式。填筑完毕后盖盖板。网格规格为：6 cm×8 cm。钢丝均要进行热镀高尔凡防腐处理,网面钢丝直径为不小于2.0 mm,镀层重量不小于215 g/m2；边端钢丝直径不小于2.7 mm,镀层重量不小于245 g/m2。填筑石料粒径范围为70 mm～150 mm,平均粒径d50为110 mm。

方案比选：

1）从适用性来看。现浇砼板作为防洪堤护面材料在相应工程的应用较多,雷诺护垫作为护岸材料相应工程应用国内较多,都是可行的。

2）从施工条件来看。混凝土板护坡：以机械化施工为主,混凝土骨料及垫层料在10.31 km处的料场可购买,现场可直接搅拌。雷诺护垫护坡：以人工施工为主,所需石料在10.31 km处的料场购买。

3）从投资来看。选用相应高度、每米长度的护面工程量进行投资比较,其比较结果见表1。

表1 护岸投资比较表

根据治理河堤护面材料特性,雷诺护垫与混凝土护面投资相差不大,而由于治理河堤右岸有耕地,灌溉排水会对护岸材料造成顶托,而雷诺护垫的适应变形能力较强,生态效应好。因此,额玛勒郭楞蒙古民族乡防洪堤工程采用雷诺护垫的衬砌方式。

3.3 防洪堤堤顶高程的确定

3.3.1 最高水位

本工程位于额敏水库溢洪闸东侧,溢洪闸底板高程647.35 m,由4孔5 m宽的开敞式闸室组成。而额敏水库10年一遇洪峰流量为54.3 m3/s。额敏水库来水量与泄水量相同,因此,防洪堤最高水位为10 年一遇洪峰时溢洪闸堰上水深。

宽顶堰公式计算：

式中：σc为侧收缩系数；m为流量系数,取0.385；n为堰孔数,取4；B为堰孔净宽,取5 m；Q为堰上水头,取54.3 m；H0为堰上水深,m。

经计算,堰上水深为1.37 m,即最高水位为648.72 m。

3.3.2 堤顶高程

根据《堤防设计规范》（GB 50286-2013）[3]计算公式进行计算,堤防工程的顶部高程应为最高水位加堤顶超高之和。

堤顶超高包括设计波浪爬高、风壅水面的高度和安全加高三部分。其计算公式如下：

式中：Y为堤顶超高,m；RP为设计波浪爬高,m；e为设计风壅水面高度,m；A为安全加高值,m,取0.5 m。

式中：RP为累计频率为P的波浪爬高,m；KΔ为斜坡的糙率及渗透性系数,护面类型为透水堤心,KΔ=0.55；KV为经验系数,KV=1.30；KP为爬高累计频率换算系数,KP=2.07；m为斜坡坡率,m=1.75；为堤前波浪的平均波高,m；L为堤前波浪的波长,m。

风壅水面高度计算公式如下：

式中：e为计算点的风壅水面高度,m；k为综合摩阻系数,取3.6×10-6；v为设计风速,按计算波浪的风速确定,m/s；f为由计算点逆风向量到对岸的距离,m；d为水域的平均水深,m；β为风向与垂直于堤轴线的法线的夹角,（°）。

由于工程区域内洪水多发生在6月、7月两个月,因此,本文设计针对风速资料的分析主要为6月、7月两个月的风速和风向。根据收集到的额敏气象站的风速、风向资料,工程区域多年平均最大风速为18.7 m/s,主要风向为西北风。

其计算结果见表2。

表2 额玛勒郭楞蒙古民族乡防洪堤堤顶超高的计算表

防洪堤堤顶高程为最高水位加堤顶超高之和,即可求得防洪堤堤顶高程为650.51 m。

3.4 防洪堤堤宽的确定

防洪堤堤顶宽度根据规范及相关要求确定。根据《堤防设计规范》（GB 50286-2013）[3]规范要求：本工程等级为5级建筑物,其堤顶宽度不宜小于3 m,但考虑防洪堤修建占用田间路,不能及时把防洪物质运至防洪堤,防洪堤修建时交通要求。因此,本次防洪堤工程防洪堤宽度,经综合考虑后确定为4.5 m。为了增加堤顶横向排水,在堤顶设向内侧倾斜的坡度,坡度采用2%。

4 抗滑稳定计算

根据《堤防防工程设计规范》（GB 50286-2013）[3]规定：堤防抗滑稳定计算可分为正常运用条件和非常运用条件,计算内容应符合表3的规定。

表3 堤防抗滑稳定计算内容

根据《堤防设计规范》（GB 50286-2013）[3],抗滑稳定安全系数应满足如下标准：正常运用条件K≥1.10；非常运用条件K≥1.05。

根据工程设计,由于本工程全线桩号0+000～1+177.84段防洪堤临水堤坡为1∶1.75,背水堤坡为1∶1.5,堤高均为0.5 m～3.23 m,因此抗滑稳定可取堤高最高的断面进行计算,选择桩号0+766.1处断面作为坡式护岸典型断面来进行岸坡抗滑稳定分析。护岸抗滑稳定安全系数计算采用瑞典圆弧滑动法[4],其计算公式见式（1）。计算软件采用理正岩土6.0。

式中：K为抗滑稳定安全系数；P为滑动体沿滑动面方向的下滑力,kN；W3为基础滑动体的重量,kN；α为滑动面与水平面的夹角,α2=26°、α3=22°；φ为基础土的内摩擦角,φ=20°。

计算结果见表4。

表4 防护堤抗滑稳定计算结果表

计算结果表明：防护堤在各种运用工况下,堤坡的最小安全系数均大于规范所规定的最小值,因此本文所设计的防洪堤的堤坡满足抗滑稳定要求。

5 结论

本文对额玛勒郭楞蒙古民族乡防洪堤进行设计对于保障工程区域内的耕地正常生产,保护人民的生命以及财产安全,确保灌溉、交通、通讯系统安全畅通,改善生态环境具有十分重要的意义,有着明显的社会、经济及生态效益。