婺源县城区防洪治理工程设计

蔡方昕，王建峰(1.江西省水利规划设计研究院,江西 南昌 0029；2.江西省水工结构工程技术中心,江西 南昌 0029；.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

婺源县城区防洪治理工程设计

蔡方昕1,2，王建峰3
(1.江西省水利规划设计研究院,江西 南昌 330029；2.江西省水工结构工程技术中心,江西 南昌 330029；3.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

针对婺源县城区防洪体系中防洪堤未封闭、涝区无挡洪排涝设施、防洪堤防洪标准偏低、无法抵御20年一遇洪水等问题，结合现有防洪提现状、防护对象等因素，设计采取有针对性的新建土堤、新建防洪墙和干砌石护岸等为一体的防护加固方案.经抗滑和抗倾覆稳定、渗流稳定和结构应力等分析，计算结果表明：防护加固建筑结构整体稳定性、抗渗性和应力指标均符合规范要求，防洪加固方案具有较好的技术和经济效益.

城区防洪；土堤；防洪墙；干砌石护岸

1 工程概况

婺源县位于乐安河上游，属江南典型的丘陵山区县，是江西省“对接长三角、向东发展的桥头堡”.目前，城区防洪设施未修建完整，各涝区未修建挡洪排涝设施，多数防洪堤防洪标准偏低，洪涝灾害频繁发生，现有的防洪治涝设施远不能满足防洪治涝要求[1].根据婺源县城区地形及乐安河水系分布情况，各堤段防洪标准按二十年一遇(P=5%)洪水设防，主要防护加固防洪堤有：武口防洪堤、城北防洪堤、老城区防洪堤、城南防洪堤和齐家岸防洪堤，堤线总长14.11 km.

2 城区现有防洪提防现状及存在问题

婺源县为山区县，城区的自然灾害主要是洪涝灾害.1996年汛期，城区淹没范围达1.5 km2，直接经济损失约700万元.1997年汛期，城区淹没范围约2.5 km2，直接经济损失约2 000万元.1998年汛期，城区淹没范围约2.0 km2，直接经济损失约3 100万元.自1956年以来历年直接经济损失累计近亿元.城区地势相对较高，现状防洪设施也相对较少，现有防洪堤大多堤身低矮，老化失修，多数防洪堤未封闭，难以抵御较大洪水.2003—2010年，利用地方资金修建了城北防洪堤(桩号0+0 396+820)和武口防洪堤(桩号2+037～4+730)堤段.除以上两段防洪堤能达到20年一遇防洪标准外，其余老堤防防洪标准均不足10年一遇.从现有防洪河道和防洪设施分析，该河段在抗御外洪上存在以下突出问题：

(1)河两岸台地为砂壤土，使河道两岸冲刷严重，两岸台地常被淘刷冲塌；

(2)城区内现有防洪堤防少，标准低，且未能封闭，造成洪水期洪水泛滥入城；

(3)城区内各涝区基本上无任何排涝设施.

现状堤防迎流顶冲险段堤段，共4段，长4.04 km，需进行干砌石护岸处理；新建土堤1处，长0.550 km；新建防洪墙1处，长1.320 km.城区防洪工程纳入治理范围现状及设计加固措施(见表1).

表1 城区防洪工程纳入治理范围现状及设计加固措施

河名及部位堤名起止桩号堤长/km堤(地)顶现状高程/m设计水位/m(P=5%)存在问题或险情加固措施乐安河左岸片区城北防洪堤0+000～2+1102.11072.25～77.9773.15～72.48迎流顶冲、塌坡、崩岸干砌石护岸城南防洪堤0+000～1+0001.00068.45～79.1269.49～69.03迎流顶冲、塌坡、崩岸干砌石护岸乐安河右岸片区武口防洪堤0+000～0+5500.55060.31～68.2172.47～72.29地势低洼、无堤防防护新建土堤,干砌石护岸老城区防洪堤0+000～1+3201.32066.44～68.5270.22～69.43已建防洪墙,高度不足新建防洪墙齐家岸区齐家岸防洪堤0+000～0+3800.38072.33～71.3468.69～68.61迎流顶冲、塌坡、崩岸干砌石护岸

3 防护加固工程设计

3.1 新建土堤设计

新建武口防洪堤(桩号武口堤0+000～0+550)位于乐安河右岸，从香坑口外河山嘴至文公大桥上游约200 m处,保护范围为右岸居民区.堤线沿现有岸线布置，按20年一遇洪水设防，工程级别为4级[2].

(1)堤顶超高计算及设计标准断面

选取武口堤0+200作为典型断面进行计算，计算风速12.6 m/s，吹程500 m，计算成果表明：波浪爬高R为0.58 m，壅水高e为0.002 6 m，安全加高A为0.6 m，堤顶超高Y=R+e+A为1.182 6 m，参照工程区已建防洪堤[3]，设计堤顶超高取1.2 m.

根据计算成果，堤顶超高采用1.2 m，设计堤顶宽为6.0 m；临、背水边坡均为1 ∶2.5.堤顶设5 m宽混凝土防汛路面，桩号0+000～0+550，长0.550 km，面层为0.25 m厚C25混凝土.

(2)堤身渗流稳定分析

新建土堤堤线处堤基为Ⅱ2结构，上部为粘性土，厚3.0～5.9 m；下部为砂砾卵石，下伏中元古界双桥山群上亚群千枚岩，工程地质条件较好.设计选取堤身填筑较高(5.29 m)，挡水高度较大(3.09 m)的武口堤0+400段作为典型断面进行分析.堤身填筑粘土渗透系数为6.15×10-6，允许渗透坡降为0.42；堤基粘性土和砂砾卵石，渗透系数为8.00×10-5和2.50×10-2，允许渗透坡降为0.46和0.20.堤身最大渗透坡降Jmax计算成果(见表2).

表2 堤身最大渗透坡降Jmax计算成果表(注：计算坡降为背水侧渗流出逸比降)

断面桩号计算条件计算值Jmax允许值J允结论0+400设计土堤断面(粘土)0.250.42满足要求

计算结果表明，武口堤0+400新建土堤断面Jmax为0.25，在规范允许的0.42技术指标范围内，堤身整体稳定性及抗渗性较好，无需进行专门的防渗处理[4].

(3)堤身抗滑稳定计算

选取武口堤0+400作为典型断面进行分析，其计算简图(见图1和图2).

图1 设计断面背水坡稳定计算简图

图2 设计断面临水坡稳定计算简图

武口堤0+400计算断面，各土层物理力学参数(见表3).

表3 边坡稳定计算各土层力学参数取值

土层情况饱和快剪指标摩擦角/(°)凝聚力c/kPa湿容重/(g/cm3)饱和容重/(g/cm3)堤身粘土16231.651.92堤基粘性土15.522.01.681.95砂砾卵石0301.882.03

选用设计洪水位和洪水期骤降两种工况，按照圆弧滑动法中的有效应力法进行堤坡抗滑稳定分析，计算成果(见表4).

表4 堤坡抗滑稳定计算成果表

计算断面设计工况圆弧滑动法计算值圆弧滑动法规范值备注武口堤0+400设计洪水位2.4051.15背水坡、有效应力法洪水期骤降3.1061.15迎水坡、有效应力法

计算成果表明：堤身在设计洪水位和洪水期骤降工况下的抗滑稳定安全系数为2.405和3.106，均大于规范规定的1.15指标，抗滑稳定满足要求.

3.2 防洪墙设计

老城区防洪堤桩号0+000～1+320段，考虑到城区建设及加载对原有挡墙安全稳定的影响，设计采用加设较小C25混凝土悬臂式防洪墙.

防洪墙顶高程采用设计洪水位加超高，超高值与土堤超高值相同为1.2 m.防洪墙断面根据地形、地质资料、稳定应力要求和使用要求确定[5]，防洪墙墙高为4.10～5.10 m，顶宽为0.5 m，临水面坡度采用铅直墙，背水面坡度为1 ∶0.1，防洪墙上游面距原有挡墙外边线4.50～36.00 m，墙前设0.62 m宽墙趾,底板厚0.50 m，在底板下设截水槽.堤后采用粘性土回填，回填平台高程与墙外设计洪水位齐平，宽度为6.0 m，内坡1 ∶2.0.

根据地质资料，选取墙体高度较大的老城区堤1+000作为典型断面进行计算.墙基础为壤土，摩擦系数为0.28.防洪墙稳定及应力计算成果(见表5).

计算结果表明：Kc>[Kc]，Ko>[Ko]，抗滑和抗倾覆安全系数均满足规范要求，结构整体稳定性较好.地基承载力小于基础允许承载力180 kPa，满足规范要求.

表5 防洪墙稳定及应力计算成果表

堤名墙型计算断面工况抗滑安全系数Kc抗倾安全系数K0地基应力/kPaσmaxσmin应力比η地基允许承载力/kPa备注老城区堤悬臂式1+000完建工况设计洪水工况3.051.813.6215.01121.3109.286.1782.761.4071.319180满足要求

3.3 干砌石护岸设计

(1)护岸范围

城北防洪堤桩号0+000～2+110段、武口防洪堤桩号0+000～0+550段、城南防洪堤桩号0+000～1+000段和齐家岸防洪堤桩号0+000～0+380段,共4段长4.040 km，现状堤段无外滩，处于迎流顶冲险段，河水直接冲刷堤岸，坡脚掏蚀速度相对较快，崩岸塌坡易发生，需进行护岸处理.

(2)护岸型式选择

护岸设计依据《长江中下游护岸工程技术要求》、《堤防工程设计规范》(GB50286—98)和实测地形图进行.根据类似工程实践经验，设计枯水位以上部位采用水上护岸处理，设计枯水位以下采用水下固脚处理.对于设计枯水位以上部位，当陡岸靠近堤脚时，结合堤身设计断面，按1 ∶2.0设计边坡进行削坡处理，并对岸坡进行衬砌.由于岸坡遭受水流冲刷产生塌坡等变形时，干砌石作为散体结构，更能适应岸坡变形，故水上护岸采用干砌块石.

(3)护岸结构设计

①护岸厚度

选择城北防洪堤1+400堤段，按干砌石在波浪压力和浮力作用下，满足整体稳定要求进行分析，计算成果表明：波高0.211 m，波长6.474 m，计算风速12.6 m/s，吹程500 m，计算护坡厚度为14 cm，根据工程区类似工程实践经验，设计护岸干砌石厚度为30 cm.

②基础冲刷深度

根据实际地形，城北防洪堤1+400堤段堤基上部土层主要为粗砂，其V允=0.7 m/s，计算得堤岸冲刷深度成果(见表6).

表6 堤岸冲刷深度计算成果表

流速/(m/s)水流与岸坡交角/(°)计算粒径/m冲刷坑深度/cm2.17353x10-20.39

注：断面为城北防洪堤1+400

表6表明水流平顺段最大冲刷坑深度为0.39 m，干砌石护脚埋深0.6 m，其埋深大于最大冲刷坑深度，满足堤脚抗冲刷要求[6].

③护岸结构

根据实测地形资料，城北防洪堤桩号0+000～2+110段、武口防洪堤桩号0+000～0+550段、城南防洪堤桩号0+000～1+000段和齐家岸防洪堤桩号0+000～0+380段陡岸，均位于设计枯水位以上，设计将陡于1 ∶2的岸坡削坡至1 ∶2，并用干砌块石进行岸坡防护，干砌块石厚30 cm，下铺10 cm厚的砂砾石垫层.干砌石护岸上设压顶，下设齿槽，齿槽埋深0.6 m、底宽0.6 m，开挖边坡1 ∶1.

4 结 语

婺源县城区防洪工程，由于防洪设施未修建完整、无挡洪排涝设施、多数防洪堤防洪标准偏低等原因，加上城区发展扩大增大了防洪范围，现有防洪设施远不能满足防洪要求.为较好地解决城区存在的外洪内涝问题，提高城区防洪标准，根据婺源县城市防洪规划、城区地形地貌及乐安河水系分布情况，结合城区洪情分析及防洪体系建设标准，提出疏浚清障河道、加大河道行洪能力、加高加固城区各防洪堤、封闭各堤段的综合性防洪治理方案.

(1)现状武口防洪堤、城北防洪堤、城南防洪堤和齐家岸防洪堤，共4处长4.040 km的迎流顶冲险段堤段，设计采用30 cm厚干砌块石进行“水上护岸、水下固脚”加固处理.干砌石护脚埋深0.6 m，大于0.39 m的最大冲刷坑深度，护岸结构整体稳定性和堤脚抗冲刷性较好.

(2)乐安河右岸片区，按20年一遇的洪水标准，新建1处长0.550 km的土堤.堤顶超高采用1.2 m，堤顶宽6 m，临、背水边坡均为1 ∶2.5.堤身最大渗透坡降和边坡稳定安全系数均在规范允许指标范围.

(3)老城区防洪堤桩号0+000～1+320段，设计采用在原防洪墙上加设较小C25混凝土悬臂式防洪墙，长1.320 km.防洪墙顶宽为0.5 m，临水面坡度采用铅直墙，背水面坡度为1 ∶0.1.地基承载力小于基础的允许承载力，防洪墙抗滑和抗倾覆稳定及应力满足要求.

[1] 刘玉军.金沟河防洪堤方案优化与设计方法研究[J].水利科技与经济,2013,19(5):34-35.

[2] 王于刚.南郑县冷水河防洪工程水面线推算的一些经验[J].陕西水利,2013(6):141-143

[3] 宿 宾.沁河沁源段堤防高度分析与计算[J].山西水利,2014(3):14-18.

[4] 李 静,翟泽冰.南城县城南防洪堤工程设计[J].甘肃水利水电技术,2014,50(10):18-20.

[5] 朱赛美,刘 敏.景宁县河道的现状分析与整治对策[J].浙江水利水电专科学校学报,2011,23(1):42-44.

[6] 吴建华.某桥墩冲刷计算分析及防护措施[J].吉林水利,2012(3):20-22.

Engineering Design of Urban Flood Control Embankment in Wuyua

CAI Fang-xin1,2, WANG Jian-feng3

(1.Jiangxi Water Conservancy Planning and Designing Institute, Nanchang 330029, China;2.Jiangxi Hydraulic Structures Engineering and Technology Center, Nanchang 330029, China;3.Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

The present situations in Wuyuan urban flood control system make it impossible to resist the flood of 20-year frequency because of the low flood control standards, such as unblocked flood protection levee and non-blocking flood drainage facilities in water-logging area. According to the overall planning of urban flood control, the distribution of Le’an River, and the flood control standard of the planning years, combined with the existing flood control facilities, protection object and other factors, the integrated protection and reinforcement scheme including new embankment, new flood wall and dry masonry revetment has been design and adopted. The analysis results on anti-sliding and anti-overturning stability, seepage stability and structural stress show that the overall stability, permeability and stress indicators of the protection and reinforcement structure conform to the standard requirement totally. The flood prevention and strengthening scheme has good technical and economic benefits.

urban flood control; embankment; flood wall; dry masonry revetment

2016-03-16

蔡方昕(1982-)，男，江西南昌人，工程师，主要从事水工建筑物设计工作.

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