新疆阿拉尔段防洪工程横断面设计

王克强

（阿克苏塔河源勘测设计院有限公司,新疆 阿克苏 843000）

0 引言

防洪工程主要针对洪水带来的严重性地表破坏的灾害,河道受洪水的冲击,主流频繁变化,河岸和河床被迫调整[1]。因此易发生洪水的地区经常出现“横河”“斜河”病害,防洪面临的不利因素较多,已经严重危及已建工程与工程区域周边群众的安全[2]。为此,防洪工程需要从整体性和稳定性两方面考虑,保证周边群众安全。此外,防洪工程施工的难易程度与横截面设计息息相关。防洪工程治理河段长、任务重,河道洪水持续时间长、主流摆动频繁。洪水发生对工程的破坏力强,所以需要确定横截面的数据信息,设计抗冲刷性强的横截面,为当地的防洪工程提供相应的基础保障。而且横截面工程完建后运行需要各单位对管辖区内防洪工程及防汛道路进行日常管理,定期进行观测、维护以及堤防汛期抢险预报,实施加堤、护堤等综合措施,以达到保证横断面防洪工程的安全,这样才能充分发挥工程效益的建设目标[3]。横截面的工程建设从设计到最后的施工运行管理应充分做好准备工作,确保完工后设计的横截面能够长久安全地做好防洪的工作。为此,本文根据新疆阿拉尔段的水文环境,对防洪工程的结构断面型式方案进行分析。

1 防洪工程横断面设计

1.1 对洪水位的预判

本工程的横截面设计需要提前确定新疆阿拉尔段地区的水文环境,也就是根据洪水位进行预判。

1.1.1 冲刷深度计算

由于新疆水文环境大多为游荡型河流,冲刷角度变化较大,本次选取N15 与N16 整治段之间（L51+900～L53+600）0+800 断面作为计算断面,根据阿拉尔站测量资料中不同水深、流速、不同冲刷角度计算黏性和砂质河床,根据下式计算：

式中：U 代表洪水冲刷的泥沙起动流速,m/s；H 代表洪水冲刷引起的水的深度,m；d50代表床沙的中值粒径,m,根据新疆地区的地质,本工程取值为0.11 mm。

计算出实测水面的冲刷深度,设计选用的河床各断面分级流量应大于洪水的冲刷深度。

1.1.2 渗流坡降组合计算

防洪工程采用线性渗流设计,考虑到在临水一侧结构设计为洪水位,背水一侧设置为相应水位,为此临水一侧结构则设置为特大洪水位,背水一侧设置为最低水位甚至无水[4]。洪水在降落时会对临水两侧堤坡形成线性渗流的情况,为此,临水一边需为设计的洪水位,背水一边为实际的相应水位[5]。临水一边的设计洪水位和背水一边实际相应水位间的渗径长的实际坡降计算公式如下：

式中：H1代表坝前最高水位,m；H2代表坝后水位,m；L 为坝底宽度,m。

参考阿拉尔站对塔河汛期水位降落速度统计,其水位降落最快的为0.28 m/d,通过对左岸52+800 处断面计算成果,48 h 内临水侧水位由995.57 m 降落至995.01 m,背水侧相应水位为994.27 m,经计算渗径长度由14.51 m 至15.35 m,计算实际坡降0.47 m。经综合考虑分析,设计的洪水渗流需考虑到坡降数值,拟定本工程横断面堤防设计洪水位水面线高度为1071.35 m。

1.2 横断面土体结构

横断面的土体结构主要由土坝体、护坡、抛石护根和进占体四部分构成。土坝渗漏一般选用壤土建造,在堤顶处混合砂砾石,为达到对建筑物整体抗冲的要求,土坝渗漏通常采用顺坝渗漏方式进行建造[6]。同时考虑到强汛期施工抢救力和堆放抢险工料物的要求,土坝的坝顶宽必须保持在背水面边坡施工水平在一零点五以上,施工水位必须保证在四分之一以内。护坡设计时必须保证路堤与土坝渗漏方向齐平,在护坡与混凝土坝渗漏方向之间需要铺设改性无纺布[7]。由于堤坝的渗漏方向靠水,且所在段河流土质多为细沙性地质,因此易于受水流淘刷。为保证工程的安全性,避免因泄洪而扩大的冲坑问题,应在执行护坡方法前设置散抛的砾砂。抛石护根也可采用冲刷的方法确定,但根据以往应急工程和长期的工程建设经验,很难一次达到一定安全深度,只有经过反复的出险处理使其更加稳固[8]。而护坡内的散抛石护根无法解决设计上所需的效果,所以可在堤后设置备防石,以便抢救性需要。在水中进占大坝渗漏采用了进占体的部分做护根,而进占体采用抛石填筑基础。结合施工机械进占要求,进占体高程高出施工水位0.5 m。再采用二层格宾水平铺盖50 cm 厚、20 m 长的格宾石笼。考虑到细砂河床的湿陷下设18 m～20 m 长、0.8 m 厚的抛石垫层,坡脚设2 m 深、四层0.5 m×1.0 m 的格宾石笼底隔墙。抛石镇脚设在水平铺盖上,紧靠格宾石笼护坡,顶宽7 m,高1.1 m,边坡1∶2。

需要根据河道地质条件来判断工程建设状况,但由于抛石坡型断面一次很难达到设计深度,所以在工程实施过程中,需要计算不同的水深,在没有足够冲刷深度的抛石护坡前方预先设置抛石体或占体,在洪水冲刷后,按照预先设定的稳定边坡沉降,直到沉降到设计深度,以使河岸稳定[9]。最终采用土堤体、格宾护坡+抛石顺坝的结构进行施工。

1.3 横断面结构型式设定

根据水文环境的限制,本工程对已建堤防段落进行提升加固、扩建延伸对空白段进行新建堤防工程,横截面土体选择应结合原有堤型和筑堤材料,堤防应尽可能考虑到两岸防护结构,适应当地河势变化的抛石顺坝、保证堤顶畅通。横断面因地制宜、就地取材,满足防汛和管理要求。根据分段河势和保护对象的重要性,同一段的各部分可根据具体条件确定,在堤防横断面结构变换处应做好连接,必要时应设过渡段。洪水发生的特点是突发性和不可预测性,因此对新建城区段,应该建设紧急防洪段的断面施工方案[10]。护坡采用格宾石笼,护坡与土坝体顶齐平,厚度为0.5 m,设计边坡1∶1.5。土坝与护坡之间采用无纺布300 g/m2,护坡前预备塌体,高程与设计洪水位齐平,向下摆放至水下滩面,设计边坡1∶1.5,备塌体石方量根据冲刷深度确定,土坝与备塌体之间采用无纺布300 g/m2和草帘垫层0.1 m。

由于横截面临河段,河道主流持续贴岸、顶冲。护坡水平铺盖施工需人工辅助机械在地下水位以下作业,要提前进行施工导流和排水施工。河道主流顶冲段用土方围堰实施难度较大,因此实施抛石备塌体设计断面方案,在此基础上对断面结构进行优化,城区段河道非贴岸段采用土堤体、格宾护坡、二层格宾水平铺盖+抛石镇脚设计方案,城区段河道主流顶冲段及非城区段采用格宾石笼护坡+抛石备塌体顺坝结构断面型式。

2 实例分析

2.1 工程概况

本次工程范围起点为塔里木河源头下游39+550 处,终点为十四团与沙雅县边界处, 工程河段全长72 km。根据阿拉尔水文站水文分析成果相对应洪峰流量城区段为2330 m3/s、乡村段为1940 m3/s,整治流量1000 m3/s。新建防洪3 段工程,工程总长度为6.533 km,其中左岸N15 与N16整治段之间（L51+900～L53+600）长度为1.7 km,右岸S11 与S12 整治段之间（R39+550～R43+800）长度为2.663 km 和S20 整治段（R103+000～R111+900）下段（6+100～8+270）段长度为2.170 km。整治段之间（L51+900～L53+600）段位置线起点布置老河岸坎的高处,整治工程位置线终点在河滩与耕地的交界处,长度为1700 m,其中直线段长1017 m,弧长683 m。新建段布置见表1。

表1 工程总体布置表

2.2 应用情况

由于本工程为新疆阿拉尔的堤防工程,考虑除对工程运行进行监测外,还需要对堤前水位进行长期监测,在工程沿线应选择适当地点作为水准点,在堤前工程的相应部位进行水位观测,在堤前设置水尺,选择便于观测水位的仪器进行布置。通过对新疆阿拉尔段防洪的实测大断面成果进行复核,在此基础上,针对本次设计的整治段前、中、后处及第一师河段起点、阿拉尔水文段及结束段增加10 个大断面进行水位～流量关系计算,即选取桩号13+000、19+000、41+680、44+640、53+865、86+100、96+100、111+635、113+000、122+000 共10 个大断面参与计算。为便于表述,将这10 个大断面代号依次编为新增1-1、新增2-2、新增3-3、新增4-4、新增5-5（阿拉尔水文站断面）、新增6-6、新增7-7、新增8-8、新增9-9、新增10-10。根据实测水面坡降及选用河床糙率阿拉尔站根据多年实测经验,推荐取0.020,计算出各断面分级流量,水位～流量关系见1。

水位越高,所设计的横断面承载的分级流量也应该增加。随着水位的增高,新增的10 个横断面的流量也在增加。由图1 可知,新增的10 个大断面水位设计洪峰流量平均在3000 m3/s,均大于10 年一遇设计洪峰1940 m3/s,因此达到了水位控制的效果。

图1 新增实测大断面水位与流量关系曲线图

3 结语

河道防洪工程需要结合每年汛期后的河势变化进行横断面的设计。因此在横断面进行设计时,需要对整治段的地理位置和水文环境进行复测,结合相应的条件进一步完善横截面平面设计和具体的优化工程,避免出现重大设计问题,并确保工程顺利施工。本工程利用河道非汛期进行施工,提前做好工程前期准备工作,并针对十个大断面进行了水位测试。希望本文提出的设计方法可以应用到实际的洪水治理中,为防洪工程提供一些参考。