阳泉市苇池村河道堤坝工程设计

高列波

（阳泉市水务局，山西 阳泉 045000）

1 项目概况

平定县冶西镇苇池村位于原坪水库大坝上游，南川河横穿苇池村，河道右岸为耕地，左岸堤防紧邻聂潘线公路。目前河道右岸的耕地，无任何保护措施，一旦发生大洪水，将淹没冲毁耕地及农作物。

故河道工程为新建苇池村南川河右岸河道堤坝、疏浚河道，以保护苇池村河道右岸的耕地。南川河苇池段河道治理工程起点位于苇池1号桥（桩号0+000），终点位于聂潘线大桥（桩号0+800），治理段全长800 m。主要建设内容，新建堤防累计单线长690 m，河道清淤长度800 m。

根据《防洪标准》（GB 50201-2014）规定，治理段为乡村段，且考虑到两岸保护范围、对象的实际情况，确定本工程防洪标准为10年一遇洪水标准。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）规定，相应堤防等级为Ⅴ等5级。

2 水文情况

2.1 河段洪水特性

河段以上的流域面积是24.3 km2，年均降雨量为500 mm左右，洪水主要由暴雨形成，具有雨时短、强度大、时空分布不均等特点。暴雨多出现在汛期6～9月份，洪水主要集中在7月至9月上旬。洪水过程具有上涨快、历时短、流量变幅大的特点。

2.2 设计洪水

工程位于原坪水库上游苇池村河段，水库坝的上、下游均未设置水文测站，无实测洪水资料，本次设计洪水计算主要依据《山西省水文计算手册》（2011年3月版）（下简称《手册》），按无资料地区考虑。

工程段主河道长7.67 km，控制流域面积24.3 km2，流域纵坡28.5‰。

河道洪水计算采用《手册》中“综合瞬时单位线法”进行。设计洪水计算主要有设计暴雨，产流计算和汇流计算三部分。经计算，本次治理河段10年一遇洪水标准的设计洪峰流量为128.3 m3/s。

3 工程布置及建筑物设计

3.1 堤线布置及断面方案选择

南川河苇池段右岸堤防新建工程,从苇池1号桥（0+000）开始至聂潘线大桥（0+800）止，其间0+040到0+150因为现有山体不需防护，故新建堤防全长690 m，河道清淤疏浚800 m。堤防尽量顺河势而建，因上游河道宽度为15 m，新建段堤防堤距基本维持原宽度，堤距仍为15 m。新建堤坝要与现有的浆砌石堤防匹配，故决定本次治理的新建堤防采用浆砌石重力式堤防。

3.2 堤防设计

3.2.1 设计河段洪水水面线推算

南川河苇池段河道治理工程段全长800 m，比降为13‰。本次计算的横断面共有9个，河道宽度为15 m。参考《水力计算手册》中天然河道洪水糙率系数拟定河道的糙率为0.03。由于南川河苇池段河底为砂砾和卵石组成，底坡尚均匀，床面不平整，所以本工程选定河床糙率为0.03。

根据治理段的实测河道纵、横断面和河道设计洪峰流量及选定的河道糙率，运用明渠非均匀渐变流公式对治理段河道水面线进行了推算。实测河底高程为808~818.60 m，经计算，治理段内水面线对应结果为809.99~820.31 m。

3.2.2 堤防高度设计

设计堤顶高程按《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的要求确定，堤顶高程为设计洪水位加堤顶超高。

堤顶超高计算。

堤顶超高由波浪爬高、风壅高度和安全加高三部分构成：

式中：R——设计波浪爬高，m；

Y——堤顶超高，m；

e——计算风壅高度，m；

A——安全加高，m。

根据《堤防工程设计规范》查得5级堤防A取0.5 m。经计算堤顶超高为0.640 48 m，综合考虑确定重力式堤防堤顶超高为0.7 m，见表1。

表1 护岸超高计算表

河道水流计算。

由于治理段有河道弯道，因此需对河道凹凸岸水位差进行计算。计算公式采用《水力计算手册》（第二版）中的相关公式：

式中:Δh——弯道横断面水位差；

v——断面平均速度；

B——弯道水面宽度，B=r2—r1，；

r1、r2——弯道凸岸和凹岸的曲率半径；

r0——弯道水流轴线曲率半径；

g——重力加速度，m/s2；

α0——流速分布系数

C——谢才系数。

经计算得，弯道段单侧水位差均小于0.2 m，由于本工程浆砌石堤防安全超高取0.7 m，故堤顶高度不考虑横向水位差影响。

根据计算可知10年一遇的设计洪水位加堤顶超高0.7 m来确定设计堤顶高程。

冲刷深度计算。

苇池村所处南川河河段虽然河势比较稳定，但随着河道流量的变化，沿岸顶冲位置亦在变动，对平顺河段影响更明显。因此，不但要重视顶冲护段堤脚工程的深度和宽度，也要重视平顺河段的堤脚工程设计。

考虑水流平行于岸坡的冲刷深度计算，引用《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中公式：

式中：hs——冲刷深度，m；

H0——冲刷处水深，m；

Ucp——近岸垂线平均流速，m/s；

UC——泥沙起动流速，m/s；

n——指数与防护岸坡在平面上的形状有关，取n＝1/4~1/6。

近岸垂线平均流速Ucp计算公式：

式中：U——形近流速，m/s；

η——水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡夹角α查表求得。

泥沙起动流速Uc计算公式：

式中：g——重力加速度，m/s2；

d50——床沙的中值粒径，m；

γs、γ——泥沙与水的容重，kN/m3。

经计算，治理段冲刷深度为0.885~1.026 m之间，见表2。

表2 冲刷计算成果表

根据《水工挡土墙设计规范》（SL 379-2007），挡土墙墙趾埋深宜为计算冲刷深度以下0.5~1.0 m。结合实地查勘时洪水冲刷的痕迹，本段冲刷较为严重，为安全起见，本段堤防埋深为1.5 m。

3.2.3 堤防结构设计

新建重力式堤防断面采用梯形断面，顶宽0.5 m，迎水面边坡为1∶0.3，背水面边坡为1∶0.1，基底放大脚宽0.5 m，基底水平，基础埋置深度1.5 m，堤顶采用C20素混凝土压顶，厚0.1 m。堤防每隔15 m设一道横向伸缩缝，缝内填塞2 cm厚高密度聚乙烯闭孔泡沫板（120 kg/m3），用M12.5水泥砂浆封口，墙体设一排排水孔，孔距2.0 m，高出设计河底1.0 m，在排水孔进口处外包无纺布（300 g/m2）并设置砂砾料反滤体，沿墙后通长布置。

3.2.4 稳定分析计算

堤防形式均采用浆砌石重力式堤防，堤防稳定计算取最大断面作计算单元。堤防工程级别为5级，在正常运用条件下，堤防在土基上的抗滑稳定安全系数的允许值为1.20，抗倾覆安全系数的允许值为1.40。本工程处于7度地震区，所以需要进行抗震设计；地基性质为土堤，挡土墙底面与地基之间的摩擦系数取f=0.4。

浆砌石堤防的抗滑稳定安全系数计算，采用公式：

式中：kC——抗滑稳定安全系数;

∑ω——作用于墙体上的全部垂直力的总和，kN；

∑p——作用于墙体上的全部水平力的总和，kN；

f——底板与堤基之间的摩擦系数。

浆砌石堤防的抗倾安全系数计算，采用公式：

式中：k0——抗倾安全系数;

∑MV——抗倾覆力矩，kN·m；

∑MH——倾覆力矩，kN·m。

浆砌石堤防基底压应力计算，采用公式：

式中：σmin·nax——基底的最大最小应压力，kPa；

∑G——垂直载荷，kN；

A——底板面积，m2；

∑M——荷载对底板形心轴的力矩，kN；

∑W——底板截面系数。

计算结果。

取在最不利状况下堤防的最大断面计算，根据计算结果可知，堤防稳定计算系数均满足规范要求。

4 结论

河道多年未进行清淤，淤积严重，河道行洪断面严重不足。疏浚工程将河道内200 m3建筑、生活垃圾全部外运，综合考虑选定弃渣场，土方外运距离2 km；河道疏浚产生土方主要用于堤后回填，多余的运至弃渣场。工程建设后将彻底解决当地防洪安全问题，同时，可切实改善沿线居民的生产、生活条件，提升整体形象和改善投资环境，社会效益良好，环保效益明显。