白羊河干渠防洪堤设计及渗流抗滑稳定性分析

赵 刚

（新疆阜康市水利局，新疆 阜康 831500）

引水灌溉干渠对于区域防洪、农业灌溉等均有重要意义，白杨河干渠建造于上世纪六七十年代，目前存在技术指标不足、腐蚀渗漏严重、安全性差、防洪能力弱等问题，严重阻碍当地社会经济发展，为提高白杨河干渠防洪能力，在干渠河道内修建防洪堤，以提高其干渠防洪标准低，免遭洪水威胁，为防洪安全提供有力支撑和保障。干渠防洪工程设直接决定了工程质量、效果及经济性，必须慎重对比选出最优方案，并对其防洪堤渗流抗滑稳定性进行分析。

1 工程概况

白杨河渠首位于阜康市滋泥泉子镇上游的白杨河河道内，渠首距离河道下游的吐乌大高速公路1.5 km，是白杨河灌区唯一一座拦河式引水渠首，控制灌溉面积11.33万亩，同时承担向下游工业供水的任务。白杨河渠首枢纽修建于1964年，作为白杨河灌区主要的引水枢纽工程，渠首由于防洪标准低，经常遭受洪水的威胁，毁坏事故时有发生，严重影响农业灌溉的正常引水。同时，为考虑引水干渠防洪，在引水干渠左岸的河道内修建防洪堤，以保证该段引水干渠的安全。本次防洪工程确定堤防级别为4级，工程等别为Ⅳ等，设计洪水标准为20一遇，设计洪水流量为79.5 m3/s。

2 工程总体布置

经实地考察，确定白杨河干渠段防洪工程的具体布置形式为：沿现状河道河岸线布置，首端、末端均设半圆形裹头与河岸相接。工程断面以护岸形式为主，在冲沟较窄处采用排洪渠布置方案，见表1。达到3.4~3.8 m/s，河床平均宽度25 m，河床内有大量卵石、漂石，经过多年演变，河床纵坡已经稳定。因此本段设计纵坡采用在原河床纵坡稍作调整。

表1 白杨河干渠段防洪段河道防洪布置形式统计

由于该河段冲沟岸坡较缓，两岸地形开阔，所以设计采用投资较小的梯形断面，其堤防及基础均采用现浇砼板形式，边坡1∶1.5，堤防及基础砼板厚度 15 cm，砼标号C25F200W6[4]。

（2）护坡设计

护坡坚固性对于保证防洪堤整体稳定性极其重要，本项目针对冲刷较为严重河段进行护坡加固，具体方案有以下两种。方案一：在迎水面设计“23 cm厚度雷诺垫+无纺布”防护，边坡设计为1∶2.0，坡脚设计为格宾石笼（长×宽×高=2.0 m×1.0 m×1.5 m），在原河堤上提高高度达1.5 m，见图1[5]。

图1 方案一防洪堤护坡断面示意图

方案二：在迎水坡设计“30 cm浆砌石+30 cm砂砾石”防护，边坡坡度设计1∶2.0，坡脚设计为浆砌石护脚（高×宽=1.5×1.0 m），在原河堤上提高高度达1.5 m，见图2。

3 防洪工程结构设计分析

3.1 堤线布置设计

结合白杨河干渠段防洪工程的实际情况，考虑其对上、下游及左、右岸的的影响，设计了两种新建防洪堤堤线布置方案。

方案一：防洪堤基本沿现有堤线布置，仅在局部河段作出调整[3]，河床宽度范围在60~80 m。该方案特点如下：①堤线可充分利用现有防洪工程作为填筑对象，范围界定，不再新增占地，显著降低成本；②施工场地开阔，利于大型机械展开，缩短了工期，且对环境影响较小；③河床宽度远大于稳定河宽（20~35 m），洪水对防洪堤冲刷程度小，有利于堤坝稳定；④由于原干渠防洪堤整体地势低，造成新建及加高土方工程量较大，经济性较差。

方案二：以目前河道中心线为基准，以稳定河宽25 m为控制标准，距离河岸25 m处新建防洪堤。该方案特点如下：①既保证了稳定河宽满足要求，又充分利用高地势，显著减少土方工程量；②需新占土地约120亩，赔偿费用较高，社会效益差；③河滩地种植有大量胡杨树，施工时需进行局部铲除，环境效益差。

通过综合比选，最终确定将方案一作为本项目堤线布置的最终方案。

3.2 防洪堤设计

（1）断面形式设计

经测量放线，本项目段河床平均纵坡约为0.026，平均流速

图2 方案二防洪堤护坡断面示意图

经综合比较，方案一经济性较好（方案一成本约175.4万/km；方案二成本约176.3万/km），且糙率大，抗变形和冲击性好，维修简单，在该地区有很多成功应用实例，因此推荐方案一为最后实施方案。

3.3 伸缩缝设计

本项目河堤工程存在大面积混凝土浇筑，为防止冻胀破坏，必须设置伸缩缝。设计在防洪渠段底板角点设置2道纵缝，边板及基础现浇砼每3 m设置一道横缝，缝宽均为2 cm。

设计嵌缝材料为L-600型聚乙烯高压闭孔塑料板（技术要求见表2）[6]，表面2 cm厚填聚氨酯砂浆勾缝。底板座浆干砌卵石灌浆不设伸缩缝。为防止来洪水冲毁，在全断面梯形现浇混凝土防洪渠末端设置格网石笼防冲段。

表2 L-600型聚乙烯高压闭孔塑料板技术要求

3.4 防洪堤渗流抗滑稳定性分析

（1）渗流浸湿距离

本项目防洪堤渗流计算采用“迎水面为设计洪水、背水面无水工况”为标准。根据地质勘查，白杨河防洪堤坝体材料为粉质粘土，渗透系数k=12.96 m·d-1；坝基为细砂岩，透水性较强，渗透系数k=14.68 m·d-1，因此本项目按照透水地基进行计算，t时刻的浸透距离l计算公式见下式。结合相关统计数据，得到白杨河堤防断面含水量w流线分布图（见图3）。

式中：D为坝基深度，m；t为渗流浸湿时间，h；α为补给系数；ne为有效孔隙率；k1为坝基渗透系数。

图3 堤防断面含水量流线分布图

表3 白杨河堤防抗滑计算结果

（2）抗滑稳定计算

本项目采用瑞典圆弧滑动法计算堤防抗滑稳定性，计算结果见表3。由表中数据可得在正常运行条件下，白杨河干渠段堤防安全系数均大于规定值1.0，抗滑稳定性满足要求。之后通过利用ANSYS有限元软件，模拟出白杨河干渠段堤防累积下沉量范围在0.15~0.20 m，堤顶高程满足要求，不影响防洪能力。

4 结语

经过实际考察和方案比选，确定出引水干渠防洪工程的具体结构，防洪堤堤线沿现有堤线布置，冲刷严重河段护坡形式为“23 cm厚度雷诺垫+无纺布”；伸缩缝主要以L-600型聚乙烯高压闭孔塑料板填充。经计算，白杨河堤防的渗流抗滑稳定性满足要求。总体来看，本项目堤防结构做到了经济性和实用性，取得了较好应用效果。

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