白杨河河道治理工程堤防设计分析

姚治国

（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

河道治理是现代水利工程学、环境科学、生物科学、生态学、城市规划学、园林学、美学等多学科一体的、系统的水利工程[1]。受历史洪灾影响，白杨河两岸生产及生活设施严重损毁；同时部分采砂企业滥采乱挖侵占河道，严重影响行洪。针对河道现状及防护对象，制定科学合理的防洪整治方案，科学布置堤线，避免河道侧向侵蚀和洪水漫溢，稳定河河床提高河道行洪能力十分迫切。稳定河床，提高河道行洪能力已十分迫切。

1 河道现状及治理方案

白杨河水系发源于天山东段的博格达大顶山北坡，源头无终年冰川积雪，河水以季节性积雪、降水和基岩裂隙水补给为主。白杨河支流皆源于中山区、低山区，呈树枝状分布，最后在低山丘陵带汇合后进入白杨河水库，流域最高点海拨高程3230 m，白杨河水库海拔高程1740 m，水库坝址以上河长为21.2 km，白杨河水库坝址以上流域面积为140.1 km2。据不完全统计，自1980 年～2007 年白杨河发生洪灾7 次，平均近4 年一次，流域水系见图1。

河道为下切式河床，河床稳定，近30 年无明显冲淤变化。白杨河拟治理河段河岸高度0.6 m左右，河床宽度50 m～170 m，汛期洪水易向两岸漫溢造成淹没损失，两岸均为重点保护对象。总体治理方案为对左右两岸总长7.334 km河段进行防护，部分河段设置丁坝，疏浚河道。

图1 白杨河流域水系图

2 堤防工程设计

2.1 防洪标准及建筑物级别

白杨河拟治理河段防护等级Ⅳ等，相应防洪标准（重现期）为10年～20 年，结合上级政府清洁水系要求，防洪标准取下限为10 年，校核防洪标准取上限为20 年，防洪建筑物工程级别为5 级。

2.2 堤防断面形式

选用护坡式结构和墙式结构两种类型堤防断面进行综合比选。

2.2.1 护坡式结构方案（方案一）

堤顶宽度4 m，堤高2.0 m，护岸基础埋深3.5 m，迎水面边坡1∶1.5，背水面边坡1∶1.5，基础开挖边坡1∶1.25。堤身采用河床圆砾混合土填筑。在护砌板基础设C20F200W6混凝土阻滑座，座顶宽0.5 m，底宽0.6 m，高0.3 m，见图2。

图2 护坡式结构断面示意图

2.2.2 墙式结构方案（方案二）

堤顶宽4 m，堤高2.0 m，墙体基础埋深3.5 m，前后边坡1∶1.5，基础开挖边坡1∶1.25，墙顶宽度0.4 m，底部宽度2.4 m。与墙体衔接基础埋深2.0 m，采用边坡1∶1.5的砼护坡。堤身采用河床圆砾混合土填筑，见图3。

图3 墙式结构断面示意图

2.2.3 方案比选

堤防断面结构型式比选结果见表1。通过表1 可知，方案一在投资、施工强度、运行管理和日常维护等方面均具有优势。综合对比两种断面形式，白杨河设计推荐方案一，即护坡式堤防断面结构。

表1 堤防断面结构型式比选表

2.3 本工程堤防设计关键要素

2.3.1 堤防凹岸环流超高计算

由于本次设计治导线基本沿原河道布置，在进行堤高取值时还需考虑弯道凹岸的环流超高，其增加值可按式（1）计算。

式中：为弯道凹岸顶部超高增加值，m；Bb为水面宽度，m；Vb为平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；R为弯道段中心线的曲率半径，m。

堤防弯道段凹岸顶部超高计算见表2。

表2 凹岸环流超高计算

2.3.2 基础冲刷深度计算

本工程护坡冲刷深度选用水流顺冲的冲刷计算，见表3。

表3 平顺水流冲刷深度计算表

由表3 计算得出水流平行于岸坡时产生的冲刷深度为0.32 m～0.63 m，考虑最不利情况，同时参考本区其他类似工程，本工程堤防基础埋深在河道中心桩号18+611～20+830段取3.0 m，在河道中心桩号16+871 ～18+611段取3.5 m。

2.4 堤防工程设计参数

2.4.1 堤顶宽度

堤顶宽度根据防汛、管理、施工、构造及其它要求确定，3 级以下堤防顶宽不宜小于3 m。同时考虑防汛抢险时交通运输和临时存放防汛物资要求、场地宽松情况，被保护区的重要程度、堤防与岸坡的关系，本工程堤顶宽取4 m。

2.4.2 护岸边坡

堤身迎水面为以现浇混凝土板为衬砌，设计边坡采用1∶1.5；堤身为土石料，背水面边坡采用1∶1.5，经稳定计算和参考本地区已建类似工程经验证明，设计边坡是安全合理的。

2.4.3 护岸衬砌

设计护岸堤高2.0 m，基础埋深3.5 m，迎水面边坡1∶1.5，背水面边坡1∶1.5，基坑开挖边坡1∶1.25，堤顶宽度4 m。护岸采用C20 F200 W6 现浇砼板护砌，设计岸坡上部2.5 m护砌板厚15 cm，设计岸坡下部护砌板厚20 cm。护砌板下铺设3 cm厚M 10水泥砂浆，砂浆下铺设50 cm厚圆砾混合土垫层。砼板分缝间距2.5 m×3.0 m，缝宽2 cm，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝。护岸顶部设置宽度30 cm，厚度8 cm的现浇C20 F200 砼压顶板，压顶板每隔1.5 m设一伸缩缝，缝宽2 cm，采用M10 水泥砂浆勾缝。

为增强衬砌混凝土板的抗滑稳定性，在护砌板基础设C20 F200 W6 混凝土阻滑座，座顶宽0.5 m，底宽0.6 m，高0.3 m。阻滑座每隔3.0 m设置一道伸缩缝，缝宽2.0 cm，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝。根据地质勘察报告，项目区地下水对混凝土具有腐蚀性，护砌板和阻滑座采用粉煤灰硅酸盐水泥，压顶板采用普通硅酸盐水泥。

2.4.4 混凝土隔墙

为增强衬砌板的抗冲刷和稳定性，护砌板每间隔60 m设置现浇C20 F200 W6 砼横隔墙一道，采用粉煤灰硅酸盐水泥。隔墙沿坡面布置，宽30 cm，深50 cm，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝。

2.4.5 堤身材料

堤身填筑料可利用基础开挖的河床圆砾混合土，储量丰富，圆砾混合土中＜0.075 mm的颗粒含量为0.5%～2.7%，为非冻胀性土，质量数量均满足施工用料的需求。填筑碾压指标：依据规范低于6 m的3 级及3 级以下堤防，砂砾石相对密度≥0.75。

2.5 渗流及边坡稳定计算

对防洪治理河段全线堤防进行渗流计算，依据工程性质按不透水堤基均质土堤进行稳定渗流计算。计算可知，坝身和堤基实际渗透比降小于筑堤土料发生破坏的允许比降，因此渗流作用下堤防是稳定的。

土堤抗滑稳定计算可分为正常情况和非常情况。具体工况见表4。

表4 土堤稳定计算工况表

采用理正计算软件计算分析，计算方法见式（2）：

计算参数：堤高2 m，堤顶宽4 m，临水面坡度1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，设计洪水水深0.84 m。堤身粘聚力C=12.2 kPa，内摩擦角φ=27.5°，容重γ=20 kN/m3；基础粘聚力C=0 kPa，内摩擦角φ=37°，容重γ=21.5 kN/m3；地震烈度为Ⅶ度。

堤防安全稳定系数计算结果表5。

表5 堤防安全稳定系数计算成果表

由表5可知，堤防断面尺寸满足抗滑稳定要求。

3 结语

河道治理是一项系统工程，流域局部河段治理不善，将直接导致全河段的安全和环境问题。采取系列工程措施防治河床稳定和行洪安全依然是目前的主流手段。堤防工程设计方案日臻成熟，但是特定区域特定环境的设计依然存在许多风险要素和设计难点。河道治理中堤防设计方案的选用是一个非常复杂的过程，不同的堤防型式、不同的护坡材料产生出迥异效果。因此应结合河流特性、河道演变情况，治理段所处的地形地质条件，综合考量流域规划，按照经济实用、工程与河道生态及周边环境相协调的原则完成防洪度汛工程的建设任务。