布谷孜河南支流防洪堤设计方案比选及稳定性分析

王万洋

（新疆瑞祥农牧工程咨询设计院有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

面对日益频繁的洪涝灾害和低标准的防洪治涝体系，提高河道的综合防洪体系，加固或新建堤防，完善工程运行管理成为当务之急。河道整治，主要包括河流的渠化和截弯取直。基于中小型河流，我国目前的河道整治目的是兴利防洪[1]。布谷孜河两岸部分河段仅有砼护坡和简易的临时性堤防，堤防标准低、质量差、抗洪能力弱，汛期易溃决；局部地段河流改道，河道淤积，一旦溃决危害很大。目前，该河段保护城区的左岸堤防已成为险工段，下游大部分河道尚未进行防洪治理，部分河段达不到符合规范标准的行洪能力。因此，城区河段的堤防建设迫在眉睫。

1 布谷孜河防洪工程概况

阿图什市布谷孜河南支流城区河段防洪工程位于阿图什市城区西郊，布谷孜河中游河段。地理坐标为东经75°30′ ～78°28′，北纬39°34′ ～40°45′。该河段北南走向，为城乡界河，东岸距市中心不足1km，西岸为阿图什市阿扎克乡，防护河段北起布谷孜大桥，南至提间大桥下游（约1.5 km），拟防护河段长约5 km。工程河段为阿图什市的城乡界河，左岸为城区，右岸为耕地，河床基本稳定且大部分河段较为顺直，两岸现有堤防间距200 m左右且大致均匀，计算分析稳定河床宽度为200 m。工程建设主要内容为：河道两侧新建防洪堤，共长9.00 km，堤防工程建设范围全部位于河道河床内。

2 防洪堤设计方案

2.1 堤防级别和标准

布谷孜河南支流中游左岸的防护对象为阿图什市城区，改建堤防长度3.65 km，防洪标准（重现期）为50 年，堤防工程级别为2 级；布谷孜河南支流中游右岸段的工程防护对象为居民区、防护林、道路、农田、高压线路和通信光缆等，新建堤防长5.35 km，防洪标准（重现期）为10 年，堤防工程级别为5 等。

2.2 堤防型式比选

提出两种堤防设计方案，分别是顺坝布置方案（方案一）和顺坝加丁坝布置（方案二）。

2.2.1 方案设计

方案一：左岸拆除原堤面，加厚培土。横断面为梯形，堤顶宽度6.0 m，迎水面边坡1∶1.5，基础埋深4.0 m，背水面边坡1∶1.5。

方案二：丁坝每100 m设置一道，坝长30 m，采用混凝土面板护砌，丁坝轴线与水流方向夹角为35°，堤顶宽度3 m，迎水面边坡1∶1.5，基础埋深4.0 m，背水面边坡1∶1.5，堤身高度3.9m；砼强度标号为C25，抗冻标号为F200。

2.2.2 方案比较

（1）对两个方案从施工、管理、工程量及投资方面列表比较，见表1。

（2）从水力特性方面比较：

方案一：该河段河道顺直，整治后满足稳定河宽200 m。设计中两岸堤线平行，当流量增加至满槽和达到设计洪峰流量之间，洪流可平顺而过，避免顶冲水流，以利两岸堤防安全。

表1 堤防型式比选

方案二：原本为顺坝时，河床宽度适中，并不富余。在顺坝上增加丁坝后缩窄了有效过流断面，即人为加大流速和壅高水位，使受约束的水流以较高流速顶冲对岸，增加右岸（标准较低）堤防的防洪压力，加大安全风险；破坏了稳定河宽水力要素，并产生沿程冲淤问题，使河床非稳定化；沿程水流流束紊乱，对护岸及其基础发生淘刷在所难免，带来潜在的安全隐患。

2.2.3 方案推荐

通过以上分析比较，方案一各项比较内容均优于方案二，故本设计推荐方案一即顺坝布置方案。

2.3 堤防断面型式比选

常用的堤坡防护形式有一坡到底式、折坡式、上坡下墙和挡土墙等型式。常用护坡材料有砼板、浆砌石和干砌石等。结合本地区前期工程经验，以护坡式顺坝（方案一）与重力式挡土墙断面（方案二）进行比较。

2.3.1 方案设计

方案一：设计堤顶宽度左岸6.0 m、右岸3.0 m；迎水面边坡1∶1.5，背水侧边坡1∶1.5；堤防堤高左岸3.9 m、右岸2.9 m；堤防基础埋深左岸4.0 m、右岸2.0 m；左岸边坡上部厚20 cm，下部厚30 cm，右岸边坡厚20 cm；左岸堤脚采用钢筋笼护脚，右岸堤脚采用河床卵砾石回填。护坡混凝土为现浇，标号均为C25 F200。

方案二：设计堤顶宽度左岸6.0 m、右岸3.0 m；河道底高程以下1.5 m以上部分采用重力式挡土墙的直面挡水，余下部分采用边坡1∶.5的斜坡至冲刷高程，重力式挡土墙顶宽0.5 m，底宽3.2 m，深3.9 m，趾和踵均宽0.5 m、厚0.5 m，斜坡部分采用0.2 m厚现浇混凝土，标号均为C25 F200；堤防堤高左岸3.9 m、右岸2.9 m；堤防基础埋深左岸4.0 m、右岸2.0 m。

设计断面见图1和图2。

图1 护坡式顺坝标准横断面尺寸示意图

图2 墙式顺坝标准横断面尺寸示意图

表2 堤防断面方案比选表

2.3.2 方案比较

选取12项鸷鸟列表比选较优方案，见表2。

2.3.3 方案推荐

通过比较，方案一在结构稳定与安全、投资、运行管理和日常维护、施工周期、施工技术难度等方面均具有优势。故本设计推荐采用方案一即护坡式顺坝的堤防工程横断面型式。

3 堤防工程稳定性分析

3.1 渗流稳定计算分析

结合水文地质条件，进行设计洪水条件下形成稳定渗流或水位降落工况下的渗流计算；下游水位按无水情况计算，见表3；计算断面选取堤线布置典型最不利断面，见图3 和图4。

表3 渗流计算工况

图3 渗流稳定计算图

图4 渗流不稳定计算

根据地质报告无粘性土管涌型级配不连续土的允许水力比降为0.1。计算结果显示下游溢出段在稳定渗流期和不稳定渗流期的比降均小于0.1，本次所计算的堤基实际渗透比降小于实际渗透比降，一般不易形成流土破坏，见表4。

表4 渗流计算结果

3.2 边坡稳定计算分析

选取工程实施后的典型断面作为计算断面，采用工程实施后的实际环境条件和水位参数作为计算工况，针对布谷孜河拟建堤防工程运行期所可能遇到的工作条件进行计算，即：

（1）设计洪水位稳定渗流期的迎水岸坡稳定计算。

（2）设计洪水位稳定渗流期的背水岸坡稳定计算。

3.2.1 计算参数

根据地质勘察样本试验成果，参考有关工程地质文献资料，结合工程实践经验，综合研究确定计算参数见表5。

表5 堤防边坡稳定计算参数表

3.2.2 计算方法和工况

堤坡稳定分析采用瑞典圆弧法，施工期、水位降落工况采用总应力法，其它工况采用有效应力法计算。选取该堤段最不利断面计算，正常工况包括设计洪水位下稳定渗流期的背水侧堤坡稳定、设计洪水位骤降期的临水侧堤坡稳定；非常情况包括施工期的临水、背水侧堤坡的稳定计算。

3.2.3 计算结果

边坡稳定计算成果计算结果见表6 和图5，可见在正常工况和非正常工况运行条件下，堤防边坡稳定均满足要求。

表6 边坡稳定计算成果

图5 最不利滑动面计算

4 结论

堤防工程设计型式、断面参数的选取皆需认真分析当地地质勘查资料、河流现状及具体的运行工况，从施工、管理、运行及投资等方面入手比选出适宜的设计方案。布谷孜河防洪堤设计方案从参数选取、断面设计直至后续稳定计算复核确定最终设计方案，得出的结果是可靠和合理的，这一设计思路可为其他防洪治理工程提供相应借鉴。