朝阳县大沟里河河段护岸工程设计分析

2015-10-29李志环

黑龙江水利科技 2015年2期

李志环

(凌源市宋杖子水利服务站，辽宁凌源122500)

1 工程建设缘由及必要性

朝阳县台子乡位于朝阳县西南部，台子乡境内有一座大(Ⅱ)型水库—阎王鼻子水库。因阎王鼻子水库二期移民有52 户居民动迁无房屋建筑基地，经过专家论证，移民建房基地选址在大沟里河右岸2.67 hm2空地上，现有的2.67 hm2河滩地需要从1 km 远的大凌河运土垫平整才可建房，现在2.67 hm2河滩地高程比现有河床高程平均高出1 m，但大沟里河目前无防洪措施，河道长度11.4 km，河道平均比降17.4‰。河道长年干涸，但汛期季节性洪水可造成两岸灾害，危害人民的生命和财产安全，沿河两岸对该河的利用率极低，多年来受河水的威胁越来越严重［1－2］。

2 工程建设对左岸的影响

本护岸工程建设防洪标准是20 a一遇洪水，而左岸是大沟门村自建的防护堤，没有具体的洪水标准，经过几年的洪水考验，局部已被淘刷，齿墙大部分已露出地面。

经过实地勘测，左、右岸堤防护脚处高程大致走向齐平，左岸护脚底高程为217.567 m，堤顶高程为219.367 m。

右岸防护堤建成后，对左岸有一定的影响，距左岸堤防200 m 处是二阶台地，二阶台地高程223.021 m高出右岸建后堤顶高程。

所以该工程建成后，不会对左岸造成很大影响。可在左岸防洪堤外植树造林，保护沿岸土地。

3 水文

朝阳县台子乡大沟里河段流域为辽西干旱丘陵山区，属Ⅴ1水文分区，多年平均降水量500 mm，多年平均年径流深100 mm，多年平均年水面蒸发量1 900 mm，年最大24 h暴雨均值为83 mm，年最大三日暴雨均值为94 mm。

洪水计算依据GB50201—94 第3.0.1 条规定，防洪标准等级为Ⅴ级，洪水重现期为10 ～20 a，因大沟里河右岸有52 户村民动迁到此处，所以本次洪水计算按20 a一遇防洪标准，以保证坝后居民安全。

设计洪水的计算方法参照《辽宁省中小河流设计暴雨洪水计算方法》。

治理段以上流域面积及河长由1∶10 000的地形图上查得。

L=11.4km F=19.15km2J=17.4‰。

水文分区Ⅴ1区。

大沟里河是大凌河一级支流，而该工程所在地正处于大凌河入口处，相对于大凌河来说，大沟里河属于大凌河的回水堤，在考虑阎王鼻子水库1 000 a一遇洪水淹没线的同时，也要考虑大凌河同频率的洪水水位，经过历史资料可知，大凌河20 a一遇洪水位在堤防出口处是216.5 m。阎王鼻子水库淹线为213.5 m。所以确定堤高时得同时考虑这两种情况。

4 护岸工程规模的确定

护岸工程规模的确定主要参考以下5个方面:河道规划与设计、设计标准、河床糙率的选定、河道过水能力计算和水流冲刷计算。

4.1 河道规划与设计

规划整治河道的目的是使河道畅通，能够下泄一定标准的洪水，清除阻水建筑物和防碍行洪的林木、植被等，护岸工程在满足造地的条件下，尽量顺河道天然走势，并通过计算确定行洪宽度［3－5］。

4.2 设计标准

依据《工程建设标准强制性条文》按人口、土地面积划分，该护岸工程等级属于Ⅴ级，防洪标准重现期为20 a 一遇洪水。河道宽度按实际河道走势取40 m。

4.3 河床糙率的选定

河床糙率的选定方法是根据河床的组成，床面的特性、平面的形态、水流流态、岸壁特性、逐段实地勘察等综合因素，确定本段河床糙率为0.033(一般取0.03 ～0.033)。

4.4 河道过水能力计算

大沟里河河段没有水文观测资料，没有水位流量关系曲线，所以控制段水位无法确定，按能量方程式无法推求河道水位，因考虑此次工程护岸较短，所以采用明渠均匀流进行水位计算［6－8］。

过水能力计算:

河宽b =40m，边坡系数m =2 当h =1.1m 时W =h(b +mh)=46.42

根据公式:

式中:W 为洪水河槽的过水断面面积，m2;J 为河床平均坡度，‰，17.4;n 为河槽的糙率系数取0.033;X为湿周，m;R 为过水断面的水利半径，m;C 为谢才系数;Q 值＞187.0 m3/s，故安全。

在确定堤高2.2 m的同时，堤防顶高程最低处为217.4 m，这个高程既高于水库淹没线213.5 m，也高于大凌河20 a一遇洪水位216.5 m。

4.5 水流冲刷计算

计算公式为:

式中:hb 为局部冲刷深度，m;hp 为一般冲刷后水深，m;以近似设计水位最大深度代替，取2.2 m;n 为平面形状系数，取0.25;Vh 为河床允许的不冲流速，m/s，取0.75;Vp 为主河槽计算水位时的平均流速取4.03 m/s。

经计算hb=1.15m。

5 护岸工程总体布置及建筑物

其内容主要包括3个部分:护岸工程的布置、顺坝设计和护脚石笼设计。

5.1 护岸工程的布置

本次工程治理河段右岸400 m，采用土砂坝结构形式，前坝坡坡比为1∶2，后坝坡坡比为1∶1.5，前坡坡脚处设宽0.6 m，深1.5 m的齿墙，齿墙外接长3 m深0.6 m的石笼基础［9－11］。

5.2 顺坝设计

顺坝设计内容主要包括3个部分:设计坝高及顶宽、护坡设计和护岸坝齿墙。

5.2.1 设计坝高及顶宽根据《堤防设计规范》，堤顶超高公式:

式中:R 为波浪爬高，按规范附录C 计算;A 为安全超高，取0.3 m;E 为风壅水高度。

5.2.1.1 计算风速的确定

收集朝阳市气象站1981—1997年17 a的风速观测统计资料，17 a的平均年最大风速为16.12 m/s，传感器高度为15.2 m，高度修正系数为0.958，则修正到距地面10 m高度的平均年最大风速W =16.12 ×0.958 =15.44 m。

5.2.1.2 风区长度

在1∶10 000地形图上按垂直坝轴线量得正常运行情况下的风区长度D正=80 m

1)最大风壅水面高度计算，其计算公式为:

式中:e 为计算点处的风壅水面高度，m;K 为综合摩阻系数取3.6 ×10－6;W 为计算风速，取设计风速的1.5 倍;D 为风区长度，80 m;Hm为水域平均水深为1.1 m;β 为计算风向与坝轴线法线夹角β =0°;则e=0.007

2)计算平均波高，其计算公式为:

3)计算平均波周期

4)计算平均波长。其计算公式为:

5)计算平均波浪爬高。计算公式为:

式中:Rm为波浪爬高，m;M 为单坡的坡度系数，这里为2;K△为斜坡糙率及渗透性系数，查表求得;KW为经验系数，由风速W、坡前水深H、重力加速度g所组成的无维量W/ gH 按规范《SL274—2001》表A.1.12—2 查得。

式中m =2。

计算频率为20%的波浪爬高RP

故正常运用情况下的坝顶超高为

最后堤高确定为1.1 +0.62 =1.72m 因安全起见，堤高取2.2 m。

堤顶不考虑交通要求，故堤顶设计宽度取3 m。

5.2.2 护坡设计

大坝采用推土机推砂土筑坝，拖拉机及蛙式打夯机结合的方式夯实，首先把虚土、杂土除净，然后分层填土，每层25 cm夯实，保证填土的自然含量，保证填土与原有土的结合紧密，保证压实后筑堤土方的相对密度≥0.6，堤顶采用C20混凝土块进行压顶，混凝土块尺寸为0.4×0.2 m，排水采用Φ50PVC 管，每隔10 m设一个排水管，排水管出口与坝坡齐平，混凝土板护坡板厚10 cm，采用现场浇筑的方法进行施工，坝坡设30 cm厚反滤层，护坡混凝土板标号为C20混凝土。

5.2.3 护岸坝齿墙

设计护岸坝齿墙基础为浆砌石，安全加深取0.3 m。

故深度为:1.14 +0.3 =1.44 m，考虑本地区冻土层的要求，深度取1.5 m，宽度为0.6 m，基础座落在砂砾层基础上，每隔10 m设一道2 cm厚的沥青木板伸缩缝。浆砌石齿墙采用的砂浆标号为M7.5，采用5 cm厚C15 的混凝土压顶。