莎车县先巴扎防洪工程堤防设计与复核计算

胥东

（新疆喀什第三师勘测设计院，新疆喀什844000）

莎车县先巴扎防洪工程堤防设计与复核计算

胥东

（新疆喀什第三师勘测设计院，新疆喀什844000）

结合莎车县先巴扎防洪工程概况，确定工程设计等级与防洪标准，计算得出，河道整治宽度为800 m，通过方案比选，确定防洪堤型式为沿现状河岸线布置，堤线长度4.0 km。通过计算护脚冲刷深度与堤顶高程，给出堤防结构断面图，对堤防抗滑与渗流稳定进行复核，结果表明：上游坝坡最小安全系数为1.72，大于规范允许最小安全系数1.15，堤防边坡抗滑计算结果满足规范要求。

防洪工程；堤防设计；方案比选；稳定分析

叶尔羌河是一条洪水多发性河流，也是新疆境内洪峰流量最大的河流，实测最大洪峰流量6270 m3/s，由于其河源段大面积冰川的发育及冰川堰塞湖的存在，常有突发性洪水发生，而中下游平原地区现有的防洪工程设施简陋，抗洪能力低，防汛任务很重，每年都要投入大量人力物力进行防洪，洪灾损失大。为加强叶尔羌河中下游平原区的防洪工程建设，提高平原区的抗洪能力，相继开展了叶尔羌河防洪规划与工程设计工作。莎车县先巴扎防洪工程被列入叶尔羌河防洪二期工程。

由于资金短缺，防洪工程部分段现状采用梢木土压坝，工程标准低，使用周期短，抗洪能力差。因先巴扎防洪段处于叶河大拐弯处，主流对位于凹岸的先巴扎防洪段淘刷非常严重，已威胁到依干其水库安全，该水库为中型水库，一但决口将形成巨大的溃坝型洪水，威胁下游人民生命和财产安全。因此治理先巴扎防洪工程，己迫在眉睫。

1 工程布置方案设计

依据《防洪标准》（GB50201－94）有关规定[1]，根据防洪工程所保护的对象综合考虑，先巴扎防洪工程防洪标准应为20年一遇，设计洪峰流量3626 m3/s。按照《堤防工程设计规范》GB50286-98表2-1-1的规定[2]，本堤防工程级别为4级。地震动峰值加速度0.10 g，确定本次工程建筑物抗震设计烈度为Ⅶ度。

1.1 河道整治宽度计算

先巴扎防洪工程90+750-92+250段现状河道宽度为650~990 m。河道的整治宽度以阿尔图宁公式计算：

式中：By为稳定水流宽度；A为系数一般取A＝0.9~1.1；Q为20年一遇（5%）设计洪峰流量3626 m3/s；J为此段河道平均纵坡为1/2532。

代入阿尔图宁公式，可得By＝2.77×36260.5/(1/2532)0.2=799.93 m。此值与90+750-91+600段现状河道宽度为800~990 m，与实际情况接近，该段稳定河段取800 m。

表1 稳定河宽计算及规划整治河道宽度计算表

1.2 治导线的位置

确定合理的河床整治宽度，明确先巴扎防洪工程全段（90+750-94+750）的治导线的布置是本次工程的重要依据[3]。根据先巴扎防洪工程的具体情况，充分考虑规划的防洪工程对上、下游的影响，左右岸的影响，对规划防洪堤的治导线位置提出二个方案：

方案一：防洪堤沿现状河岸线布置，堤线长度4.0 km；

方案二：为满足河道行洪宽度要求，在现有河岸线的外侧，距离现有河岸线50~320m布置新防洪堤堤线，堤线长度3.942 km。对上述方案进行方案比选，见表2。

本次初设分别对两个方案主要工程做了投资概算，经经济比较，方案一较方案二投资低1325.98万元，仅征占耕地补偿费1485.00万元，方案一更为经济。

通过以上综合比选，并结合先把扎防洪工程的具体情况，充分考虑新建的防洪工程对上、下游及左、右岸的影响，推荐采用方案一：防洪堤沿现状河岸线布置。本次防洪工程从先把扎防洪工程的始端（90+750处）开始向下游延伸1.5 km（92+250处）结束[4]。

表2 防洪堤的治导线位置方案比较表

1.3 工程总体布置

新建防洪堤总布置为：新建防洪堤沿现状河岸线布置。本次设计防洪堤起点桩号90+750，终点桩号92+250，修建防洪堤长度1.5 km，其堤顶高程1211.83~1211.24 m。首端和末端设半径21.875 m的半圆形裹头与河岸相接，使之构成一个完整的防洪体系。

2 防洪工程主要建筑物形式及设计

2.1 堤防型式

针对先把扎断面河道宽度、水文地质条件和多年的防洪经验以及已建工程的运行情况，先把扎防洪工程考虑全段顺坝的堤坝型式，顺坝长1.5 km。确定坝体型式，首先需要计算顺水流方向防洪堤冲刷深度，由于叶河两边滩地和河槽的糙率流速均不相同，应把断面分成两部分计算，使两部分面积之和与原河道断面面积相等。

顺水流方向常遇洪水情况下防洪堤冲刷深度计算如下：

式中：hB为局部冲刷深度（m），从河床起算；hp为冲刷处的水深（m），以近似设计水位的最大深度代替；vcp为平均流速（m/s），vcp＝2.09 m/s；v允—河床面上允许不冲流速（m/s），v允＝0.89 m/s；n为系数，取0.25；计算结果见表3。

表3 水流斜冲护岸常遇洪水冲刷深度计算表

经以上计算得知，在水流平行于岸坡的计算冲刷深度为0.81 m，按弯道计算最大冲深值为3.7 m，当水流斜冲防洪岸坡的计算冲刷深度为5.55 m，根据近几年堤坝实测最大冲刷深度，在水流斜冲防洪岸坡处的最大冲刷深度为6 m左右，理论计算比实际略小。本次顺坝在水流斜冲防洪岸坡处的冲刷深度取6 m。本次项目设计布设顺坝1.5 km，起点桩号为90+750，终点桩号为92+250。

2.2 堤防横断面设计

根据工程实测纵坡，先巴扎防洪工程自桩号90+750至92+250，全长1.5 km，水面线纵坡为1/2381，本次设计堤防工程纵坡与水面线纵坡一致为1/2381。

本次防洪工程设计，考虑堤顶作为防洪巡堤道路及防洪抢险时的交通道路，堤顶宽度设计为5 m，并铺设0.25 m厚的砂砾石路面，在91+500处，设一个错车平台，错车平台长度为20 m，宽度为12 m。

堤顶高程由设计洪水位加堤顶超高确定，堤顶超高计算采用《堤防工程设计规范》（GB50286-98）第6.3.1款中的计算公式：

式中：Y为堤顶超高(m)；R为设计波浪爬高(m)；e为设计风壅增水高度(m)；A为安全加高(m)，根据规范表2.2.1查得4级堤防安全加高为0.6 m。计算结果见表4。

表4 先巴扎防洪工程防洪堤堤顶设计高程表

堤防边坡确定根据实际地质勘察试验及实际确定。堤防沿线地层岩性主要为低液限粉土和粉细砂，地质部门建议防洪堤的内边坡系数不小于l∶2.5，外边坡系数不小于1∶2.0。本次设计内边坡取1∶2.5，外边坡取1∶2.0。堤防横断面结构图见图1[5]。

图1堤防横断面结构图

3 坝体渗流抗滑稳定计算分析

3.1 坝体渗流计算

根据《堤防工程设计规范》第8.1.1条规定，河堤、湖堤应进行渗流及渗透稳定计算。本次计算以先巴扎防洪工程90+800处断面作为典型断面进行核算。计算时采用上游为设计洪水、下游无水工况进行计算。依据根据地质勘测报告，防洪堤坝体材料为低液限粉土，坝基以下为细砂，属透水层。故本次渗流计算按透水地基计算，坝坡下游按无排水设施情况分析[6]。

根据《堤防工程设计规范》附录E.3可知，透水堤基均质土堤渗流量计算方法是将堤身和地基渗透量分开计算，总单位宽度渗流量q为两者之和：

式中：qD为不透水地基上求得的相同排水型式的均质土堤单位宽度渗流量；T为地基的透水深度（m）；K0为地基渗透系数（m/s），k=6.19×10-4cm/s；L为水平距离，为14 m。通过与不透水地基均质土堤渗流量计算公式连立可以求得：h0=0.49 m，q=1.4×10-4m3/(s·m)，计算结果见表5。

浸润线计算公式：

表5 堤防渗流稳定计算成果表

式中：h0为特征水深（m）；Te为地基的有效深度；浸润线各点坐标按以上公式计算，计算结果见表5。可以看出渗流作用下堤体稳定，满足规范要求。

3.2 坝体抗滑稳定计算

根据本区段堤防断面的特点及渗流计算成果，按《堤防工程设计规范》（GB50286－2013）的要求，本堤防的稳定计算考虑以下三种工况：

（1）设计洪水位下稳定渗流时背水侧堤坡抗滑稳定（设计洪水位）；

（2）设计水位骤降时的临水侧堤坡抗滑稳定（设计洪水位骤降至堤脚无水）；

（3）施工期的上、下游坝坡；

（4）地震工况下背水侧堤坡抗滑稳定（设计洪水位+地震）。

对应渗流计算成果，选取渗流计算断面进行稳定分析。稳定计算，采用《理正边坡稳定分析软件》进行稳定分析计算。计算采用有限元边坡稳定分析理论，运用瑞典圆弧法计算堤防边坡稳定的安全系数，计算结果见表6。

表6 防洪堤抗滑稳定计算表

从坝坡稳定计算结果可以看出：上游坝坡最小安全系数为1.72，大于规范允许最小安全系数1.15，因此，可以看出堤防边坡抗滑计算结果满足规范要求。

4 结论

本文结合莎车县先巴扎防洪工程，采用阿尔图宁公式计算得到稳定河段长800 m，通过方案比选采用防洪堤沿现状河岸线布置型式，确定了堤防工程的工程等级，通过计算设计水面线，堤顶高程与坡脚局部冲刷深度，结合筑堤材料选取与上下游情况，给出了莎车县先巴扎防洪工程堤防断面形式。并对该堤防进行了渗透稳定与抗滑计算分析，计算结果满足规范要求。后续还需要对堤防护脚等进行细部设计，同时本文采用公式法计算渗流稳定，方法较为简单，还需采用理正水利分析软件等计算工具进一步验证结果的合理性。

[1]GB 50201-94，防洪标准[S].

[2]GB 50286-2013，堤防工程设计规范[S].

[3]李自荣.堤防设计中堤基设防深度探讨[J].水利科技与经济,2014, (09):99-100.

[4]赵广建.泽州县长河河道治理工程堤防设计分析[J].科技创新与应用,2013,(17):176-177.

[5]曹骏.贵州省锦屏县城区河道治理亲水型堤防设计[J].人民长江, 2012,(18):50-52.

[6]伍元,范子武,姜树海.河道堤防设计高程的概率设计和风险校核方法[J].中国农村水利水电,2005,(04):14-17.

TV85

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1673-9000（2017）03-0081-03

2017-02-17

胥东（1982-），男，四川蓬溪人，工程师，主要从事水利工程设计工作。