汾河新绛段防洪达标工程设计方案研究

李 园

（山西省晋中市水利建筑工程总公司，晋中 榆次 030600）

1 概况

汾河流域自然资源丰富，生产条件得天独厚，汾河中下游地区是山西省粮棉经济作物主产区，历来就是防洪减灾的重点保护区。

新绛县地处汾河下游，是汾河流经运城的第一站，汾河在新绛县境内总流程45.90km，自东向西横穿4镇（龙兴镇、万安镇、古交镇、橫桥镇）。2021年10月发生秋汛洪水，108国道桥下游浍河入汾口以下至新绛稷山县界段，现有旧堤防多处堤段发生水毁，致使两岸大片农田被淹没，对两岸人民造成较大的经济损失。据统计，水毁堤防共36处，总长度2.068km。

2 汾河新绛段存在的问题

本河道治理段汾河左右岸大部分筑有防洪堤，主要由低液限粘（粉）土组成，局部为级配不良砂，局部段为生活及建筑垃圾，土质不均，干密度偏低。其次，部分河段没有修筑防洪堤，或是防洪堤断面不满足要求。

2.1 部分河段堤防工程不完善

现有部分河段堤防存在高度、强度不够等问题。2021年10月洪水的洪峰流量超过1000m3/s，现有旧堤防多处地段发生水毁，个别部位出现裂缝。部分河段防洪堤的土质不均匀、干密度偏低，总体质量较差；局部防洪堤存在缺口、低洼处以及改线段等问题，甚至部分段无防洪堤，堤防缺失、不连续。根据本次防洪标准复核，建设范围内部分堤防工程达不到设防标准。

2.2 部分河道过流能力不足

部分河段存在行洪宽度不够、堤线不顺、过流能力不足的情况。根据本次防洪标准复核，约有5.838km河道的堤防需要拆除退建。

2.3 部分河段主槽距离堤防较近

现有河道内控导工程，控制河势的能力不足，使部分堤防处于主流直接顶冲的位置，河道主槽距离堤防过近，冲刷严重，造成多处险工险段，一旦发生大洪水，将难以防守。

2.4 河道内存在建筑垃圾堆放问题

从现场查勘的情况来看，河道沿岸的公路建设，将大量的建筑垃圾倾倒在河道内，使河道行洪断面变窄，行洪严重受阻，如万安镇东马村段河道左岸位置，大量建筑垃圾已将堤防覆盖。垃圾堆放妨碍行洪现象相当严重，河道天然调蓄功能严重萎缩。

3 工程治理方案

根据治导线规划及《汾河干流防洪治理规划》，结合河道现状，按20年一遇标准加高培厚现有不达标堤防；充分利用现有岸堤，按照堤距宽满足300m的要求进行位置调整，堤防退建；对有防护对象的无堤防河段进行堤防兴建。本次设计加固改造堤防23.366km，其中：其中新建堤防2.576km，退建堤防5.838km，加高培厚堤防14.952km；

3.1 堤防形式设计

3.1.1 新建土堤

根据治导线规划，结合河道现状，按20年一遇标准及堤距宽满足300m的要求进行堤防新建。本次设计加固改造堤防总长度23.4km，其中：新建堤防2.6km，退建堤防5.8km。退建堤防段需进行旧堤防拆除，重新修建。新建堤防断面采用梯形断面，堤顶宽6m，临水侧边坡为1∶2，背水侧边坡为1∶2。堤防填筑时需对基础及现有坝面进行清基处理，清基深度0.5m，见图1所示。

图1 新建土堤剖面图

3.1.2 旧土堤加高培厚

根据20年一遇洪水标准复核结果，对不达标旧堤防进行加高培厚，本次设计加高培厚堤防总长度14.952km。旧堤防加高培厚型式与新建堤防断面保持一致，采用梯形断面，临水侧边坡为1∶2，背水侧边坡为1∶2，堤顶宽6m。旧堤防加高培厚前除需进行清基外，清基厚度0.5m，见图2所示。

图2 旧堤防加高培厚剖面图

3.1.3 水毁段土堤修复

108国道桥下游浍河入汾口以下至新绛稷山县界段，现有旧堤防水毁共36处，总长度2.068km，对水毁段堤防进行重建，堤防型式同新建土堤。

同时水毁导致现有堤防部分位置产生裂缝。对出现细小裂缝堤段进行压实后再施工；对较大裂缝局部进行开挖，重新回填。根据查明隐患情况，决定开挖范围。开挖中发现新情况，必须跟踪开挖，直至全部除尽，但不得掏挖。开挖时预留边坡和台阶，以免崩塌。回填土不得使用开挖土料，且开挖槽内不得有积水、树根等杂质。新旧土结合处应刨毛压实，以保证紧密结合。

3.2 堤防渗流及渗透稳定分析

3.2.1 计算工况及方法

本次工程堤防属4级堤防。根据地质资料，本次堤防渗流稳定计算，选择了新建堤防及堤防加高、培厚两种断面作为典型断面进行分析计算。

渗流计算采用河海大学工程力学研究所编制的水工结构有限元分析系统（AutoBANK）。该程序内部采用有限元技术，可对土石坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算。AutoBANK使用四边形八节点等参元求解。目前渗流分析包括的功能有稳定渗流分析输出等势线、渗流量、浸润线、水力坡降、任意点的流场数据、任意断面的流场数据分布图。计算工况：①设计最高水位，稳定渗流期；②水位降落期。

3.2.2 土层力学参数选定

根据《工程地质勘察报告》中建议及采用的土层物理力学指标。

表1 工程段土层物理力学指标采用表

3.2.3 渗流计算结果成果分析

本次共计算了2个断面2种工况下渗流情况。渗流计算成果见表2，渗流计算等势线图见渗流计算附图3～图6。

图3 左岸新建堤防断面稳定渗流期渗流图

图6 左岸旧堤加高培厚断面水位降落期渗流算图

表2 渗流稳定计算分析成果表

渗流计算包括两种工况：一是高水位渗流稳定期，渗流水从背水坡逸出，这种工况体现背水坡的渗流稳定情况；二是水位降落期，渗流水从迎水坡的逸出情况，这种工况反映迎水坡渗流稳定情况。

由图3可见，左岸新建堤防在渗流稳定期，背水坡处于稳定状态。浸润线逸出点处于背水侧坡脚处。出逸比降0.265小于允许出逸比降0.45。

由图4可见，左岸新建堤防在渗流稳定期，背水坡处于稳定状态。出逸比降0.231小于允许出逸比降0.45。

图4 左岸新建堤防断面水位降落期渗流计算图

由图5可见，左岸加高培厚旧堤防在渗流稳定期，背水坡处于稳定状态。浸润线逸出点处于背水侧坡脚处。出逸比降0.234小于允许出逸比降0.45。

图5 左岸旧堤加高培厚断面稳定渗流期渗流计算图

由图6可见，左岸加高培厚旧堤防在渗流稳定期，背水坡处于稳定状态。浸润线逸出点处于背水侧坡脚处。出逸比降0.221小于允许出逸比降0.45。

由以上计算结果和图形分析可以看出，各种断面形式的背水坡、迎水坡渗流处于稳定状态，均满足设计要求。

4 堤坡稳定计算分析

4.1 计算工况及方法

本次设计的堤防属4级堤防。根据地质资料，本次堤坡稳定计算选择了最高新建堤防、最低新建堤防及堤防加高培厚三种断面作为典型断面进行分析计算。

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）要求，堤防抗滑稳定应包括正常情况和非常情况，结合本工程具体情况，其与水位组合、计算方法及要求的安全系数见下表3。

表3 计算工况、计算方法及要求的安全系数

4.2 荷载组合

堤防稳定计算作用荷载主要有自重、水压力和堤坝车辆及人群荷载。堤坝车辆及人群荷载按8kPa考虑，分布宽度4.5m。

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），在进行堤防圆弧滑动稳定分析时，对土体容重的选取根据浮力和渗透力对抗滑稳定的影响性质不同，按以下原则确定：

①外坡水位以下的土体取浮容重；②浸润线以上的土体取天然容重；③浸润线与外坡水位之间的土体，在计算滑动力矩时采用饱和容重，在计算抗滑力矩时采用浮容量。

4.3 左岸堤防边坡稳定计算成果分析

左岸土堤的边坡稳定计算，采用黄河勘测规划设计有限公司与河海大学工程力学研究所共同研究院编制的《土石坝边坡稳定分析系统HH-Slope》进行计算，计算结果见表4。

表4 左岸土堤边坡稳定系数计算结果汇总表

通过《土石坝边坡稳定分析系统HH-Slope》计算，可知两种断面的三种工况下，求得的左岸边坡稳定系数K，均大于设计要求的安全值，符合设计要求，根据计算值进行边坡稳定性模拟，见图7。

图7 左岸新建堤防断面边坡稳定计算图

由图7可见，左岸新建堤防正常运用和非正常运用的安全系数均高于设计要求的安全系数，滑弧未从背水坡和迎水坡滑出，滑弧落在基础上。

左岸旧堤加高培厚堤防正常运用和非正常运用的安全系数均高于设计要求的安全系数，滑弧均从背水坡和迎水坡滑出，滑弧落在基础上，详见图8。

图8 左岸旧堤加高培厚断面边坡稳定计算图

4.4 右岸堤防边坡稳定计算成果分析

本次共计算了2个断面、3种工况。边坡稳定计算分析成果见表5，计算滑弧见稳定模拟图计算见图9～图10。

图10 右岸旧堤加高培厚断面边坡稳定计算图

表5 右岸堤防边坡稳定系数成果汇总表

图9 右岸新建堤防断面边坡稳定计算图

由图可见，右岸新建堤防正常运用和非正常运用的安全系数均高于设计要求的安全系数。滑弧均从背水坡和迎水坡滑出，滑弧落在基础上。

由图可见，右岸旧堤加高培后堤防正常运用和非正常运用的安全系数均高于设计要求的安全系数。滑弧均从背水坡和迎水坡滑出，滑弧落在基础上。

综上，各种工况下，滑弧均未从背水坡和迎水坡滑出，滑弧落在基础上。在正常应用和非常应用两种情况下计算的各种工况安全系数均大于设计要求的安全系数，故边坡处于稳定状态。

5 结语

河道治理工程是一个系统工程，工程措施应与生物措施相结合。同时，还应加强河道治理段上游区域的环境保护和水土保持，上、下游生态环境才会相得益彰，和谐发展。河道治理工程也不是一劳永逸的，需要加强管理、适时观测，根据河势的变化逐年投入资金用于维护，使其发挥最大的经济和社会效益。