浅析陕西省汉中市汉台区汉江干流堤防工程设计

2016-10-21寇柏莹

陕西水利 2016年5期

关键词：堤顶干流汉江

寇柏莹

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

浅析陕西省汉中市汉台区汉江干流堤防工程设计

寇柏莹

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

本文结合汉中市汉台区汉江河道实际情况通过对堤顶超高、横断面型式、筑堤材料选择与土堤填筑标准、护坡形式、冲刷计算及基础埋深、堤顶结构以及渗流稳定计算等方面进行分析设计，从而完成干流堤防工程设计，可为类似案例提供借鉴。

汉江干流；堤防工程；渗流稳定计算；方案设计

1　概况

汉江干流堤防工程所属汉台区位于汉中盆地中部，北依秦岭，南临汉江，东与城固县接墙，西迄褒河与勉县为邻，北倚秦岭与留坝县边界，南止汉江与南郑县隔河相望，南北长37km，东西长约23km。汉台区历史悠久，文化灿烂，今为汉中市的政治、经济、文化中心，交通方便，人口稠密，是国家级历史文化名城、全国优秀旅游城市。全区辖7镇2乡7个街道办事处，人口54万人，总面积556km2。

汉台区现状干流堤防主要为汉江左岸褒河口到洪沟河之间的河段，本次治理河段为褒河口至沙沿沟口及汉江桥闸至洪沟河口进行整治（城固分界），治理河段长21.83km。工程总体布置以构筑堤防为主线，充分利用已成堤防及天然节点，对少数恶化河势，堤距过窄，影响上下游行洪安全的堤段予以拆除改建，加高培厚低标准堤防，新修部分堤防及护岸工程。

干流防护工程全长21.83km，堤防工程长21.58km，根据治理范围、防洪标准及堤防型式划分为7段：褒河～沙沿沟加高培厚段长5.36km、汉江桥闸～文庙沟加高培厚段长5.92km、文庙沟～普陀加高培厚段长0.76km、普陀～杨庵新修护岸段长2km、杨庵～铺镇干沟加高培厚长5.48km、铺镇干沟～乌沙渠加高培厚段长1.77km、乌沙渠～洪沟河加高培厚段长0.28km。加高培厚堤防总长19.58km，护岸总长2.0km。［1］

2　堤顶超高计算确定

设计堤顶高程按设计洪水位加堤顶超高确定。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-98），堤顶超高的计算公式如下：

式中:Y——堤顶超高（m）；

R——设计波浪爬高（m）；

e——设计风壅增水高度（m）；

A——安全加高（m），1级堤防1.0m，2级堤防0.8m，4级堤防0.6m。

经分析计算，1、2级堤防计算堤顶超高1.91m～1.93m，设计堤顶超高2.0m；4级堤防计算堤顶超高1.64m，设计堤顶超高1.6m。

3　干流堤防堤身设计

3.1横断面型式

按照《堤防工程设计规范》（GB50286-98）要求，结合现状堤防断面，本着因地制宜的原则，治理段堤防断面型式推荐采用梯形断面。初拟城区段堤防堤顶宽8m，农防段堤防堤顶宽5m。加高培厚堤防迎水坡和背水坡设计坡比1∶2.5，新修护岸临水坡设计坡比1∶2。当堤防高度超过6m时，在背水坡距堤顶6m处设1.5m宽的戗台。

3.2筑堤材料选择与土堤填筑标准

汉江两岸堤线均布置在一级阶地和河漫滩上，本次根据就近取材原则，堤防填筑材料主要以砂砾料为主。

砂砾料河漫滩储量丰富，填筑砂砾料的质量指标除渗透系数偏大外，其余各项指标完全满足规范要求。

按照《堤防工程设计规范》及堤防级别确定填筑标准为：1、2级和高度超过6m的3级堤防不应小于0.65，低于6m的3级及3级以下堤防的相对密度不小于0.60。

3.3护坡形式

本工程设计洪水情况下断面流速为2.0 m/s～4.0m/s，超过了堤身填筑材料和岸坎地质岩性的允许冲刷流速，必须进行砌护处理。对于护坡材料，目前广泛使用的有现浇砼、六边形砼预制块、浆砌石等刚性护坡材料，格宾网垫、干砌块石、钢筋混凝土联锁板、多孔质生态砼护坡等生态性柔性防护材料。

经过对各护坡材料适用条件及优缺点综合分析比较，堤防工程护坡材料选择如下：对于远离石料场的中心（主）城区采用5cm厚M7.5水泥砂浆砌六边形C25砼预制块，次城区及工业园区采用15cm厚现浇C20砼；对于距离石料场较近的农防及支流汇入口堤防采用厚度30cm干砌石加浆砌石肋带护坡。堤防背水坡均采用草皮护坡。

根据渗流计算结果，对于外岸处于低洼地段，外岸地面高程和内岸地面基本接近的堤段，外岸坡脚高2.0m范围内设有贴坡排水，以防止发生流土破坏。

3.4冲刷计算及基础埋深

3.4.1冲刷计算

根据《堤防工程设计规范》GB50286—98中6.8.4条规定，基础埋置深度应满足抗冲刷和冻结深度的要求。冲刷计算工况有水流平行岸坡和水流斜冲防护堤坡两种情况。水流平行岸坡的冲刷一般发生在两个弯道之间的过渡段或半径很大的微弯河段，水流斜冲岸坡的冲刷一般发生在弯道的凹岸、水流顶冲段，淘刷一般较为严重。因此，河道冲刷深度计算应分水流平行岸坡方向和水流斜冲岸坡段两种类型进行计算。［1］

1）水流平行于岸坡的冲刷深度计算

根据《堤防工程设计规范》（GB50286—98）附录D.2公式D.2.2—1对水流平行于岸坡产生的冲刷进行计算：

式中：hB—局部冲刷深度（m），从水面算起；

hp—冲刷处的水深（m），以近似设计水位最大深度代替；

Vcp—平均流速（m/s）；

V允—河床面上允许不冲流速（m/s）；砂卵石1.0m/s、砂砾石0.8m/s；

n—与防护堤坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4。

2）水流斜冲岸坡段的冲刷深度计算

根据《堤防工程设计规范》（GB50286—98）附录D.2公式D.2.2—2对水流斜冲岸坡产生的冲刷进行计算：

式中：Δhp——从河低算起的局部冲深（m）；

α——水流流向与岸坡交角（度）；

m——防护建筑物迎水面边坡系数；

d——坡脚处土壤的计算粒径（m）；Vj——水流的局部冲刷流速（m/s）。

根据上述两个公式，结合该段堤防工程布置，水流平行于岸坡方向及水流斜冲段冲刷深计算结果见表3-1。从计算结果，根据河床地质情况确定合理的基础埋深。

3.4.2基础型式及埋深

根据冲刷计算结果，结合调查和了解的工程所在处河道冲刷深度，并考虑基础施工、河道淘刷、工程造价及汉江干支流已成堤防护脚运用情况等，基础埋置深度按照水流平顺段、凸岸段，凹岸有护基坝段、凹岸无护基坝段四种工况确定。结合冲刷计算成果、现场调查情况及《堤防工程规范》要求，水流平顺段基础底以位于滩面以下3m并不高于深弘控制，凸岸段以位于滩面以下3m控制，凹岸有护基坝段基础底与深弘齐平，凹岸无护基坝段基础底位于深弘以下2m。城防及工业园区多数为砼（现浇或预制）护坡，采用现浇C15砼或格宾笼石浅基础或钢筋笼护脚；农防段大多为干砌石护坡，采用浆砌石或格宾笼石浅基础护脚。

3.5堤顶结构

根据河道防汛、工程管理及施工要求，结合汉中市城市总体规划和沿江工业园区及重要集镇规划，并考虑现状堤防堤顶宽度和工程段实际情况、现状交通条件、堤防级别和投资情况确定，确定干流一、二级堤防堤顶宽8m，其中C25砼路面宽6.5m，人行道宽1.5m；四级堤防堤顶宽5m。城区及工业园区堤顶部路面均采用厚20cmC25砼硬化、下铺15cm厚碎石垫层；干流农防段及支流段堤顶部采用20cm厚泥结石路面。

4　渗流稳定计算

4.1渗流计算

4.1.1断面选择

根据现场踏勘及地质勘察成果，以地质地貌单元及现状堤岸特点，本次治理范围内，共选择代表性断面4处。

4.1.2渗流计算

根据“81.8”、“90.7”等历史洪水特点，汉江洪水具有全流域降雨、洪水历时长、以复式洪峰为主等特点。同时，汉江已成堤防筑堤料系多次加高培厚，人工堆填形成，密实度低，加高培厚沙砾石渗透系数为10～2量级，透水性强，在背水坡坡脚出现时间不足2天，而以“81.8”为代表的洪水过程持续时间一般为10天，结合《堤防工程设计规范》附录E.1.2关于大江大湖或中小河湖重要堤段应按稳定渗流计算的要求，本次按稳定渗流计算背水坡，计算工况为：临水侧为设计洪水位，背水侧无水。［2］

根据《堤防工程设计规范》附录E.6.1判断，临水侧水位降落时，堤身浸润线下降为缓降状况，故需计算降落期堤身浸润线。渗流计算采用土石坝软件包推荐的《土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序》。

根据计算，各断面堤身及堤基均满足渗透稳定要求。但存在部分背水坡渗流溢出段，出溢比降不能满足要求，在满足抗滑稳定情况下，拟在堤防背水坡设置贴坡排水，其顶部高于出溢点0.5m，使其满足渗透稳定。

4.2稳定计算

汉江堤防遭遇大洪水机率较小，高水位运行时间短，且工程区不满足抗震设计要求，堤防抗滑稳定计算只考虑正常运用情况，即迎水坡水位骤降期和背水侧稳定渗流两种工况。计算采用（《土石坝设计软件包》）stab程序，该程序采用瑞典圆弧法，计算公式采用《堤防工程设计规范》附录F公式。通过土堤抗滑稳定计算，在正常运用情况下，各个断面的安全系数均符合规范要求，说明本次设计拟定的断面型式是合理的。