香泉河堤防水毁修复工程设计要旨

张志鹏

（河南省水利第二工程局集团有限公司，河南 郑州 450003）

1 项目概况

1.1 地形地貌

香泉河属于海河流域卫河水系。河道全长29 km，深山区5.50 km，总流域面积208.80 km2，流域内总体上地貌分山丘区、山前冲洪积倾斜平原和黄河冲积平原。山区最高峰位于辉县市凤凰岭海拔1 655 m，一般在200～1 000 m。丘陵地带一般海拔95～200 m，地面坡降1/90～1/400。山前倾斜平原一般高程95～75 m，地面坡降一般1/1 500～1/4 000。黄河冲积平原地面高程一般90～60 m，地面坡降一般约1/3 000 ，总体上地势南、西、北三面高而东部低。

1.2 气象

该区域属暖温带大陆性季风气候，季节分明，干湿悬殊较大。冬春两季雨水稀少，风多干冷，蒸发量大；夏秋两季水汽充沛，雨量集中，降雨量占全年的70% 左右。多年平均降雨量658 mm，年际变化大，最大年降雨量（2021 年）达1 817 mm，最小年降雨量（1920 年）287 mm。多年平均气温13.90 ℃，最高气温42.50 ℃，最低温度-18.40 ℃。最大风力8 级，风向偏北或偏南，一般夏秋多偏南风，冬春偏北风。冰冻期12-2 月，无霜期4-10 月。

1.3 水毁情况

2021 年7 月中旬以来，香泉河流域降雨超历史极值，连续经受2 次强降水过程，累计降雨量达903.30 mm。香泉水库最大泄洪流量达到281 m3/s，洪水下泄冲刷，造成河床、护岸损毁，多座桥梁损毁，交通中断，下游河水满溢，个别村庄被淹，损失严重。

2 堤防工程设计要旨

2.1 香泉河水毁修复工程任务

卫辉市香泉河水毁修复工程任务为：对田湾村、来湾村、塔岗渡槽、西南庄等4 处水毁较严重且影响防洪安全的护岸和堤防进行恢复，修复护岸846 m，重建堤防600 m。防洪标准为5 年一遇，主要建筑物为5 级，次要建筑物为5 级。

2.2 堤防工程设计

堤防工程设计为重建堤防工程，位于香泉河西南庄西北，设计堤线按现状进行原址恢复重建，堤顶宽6 m，迎水坡1:2.50 ，背水坡1:2.00 。堤顶高程79.00～81.00 m。根据《堤防工程设计规范》，工程水毁恢复河道堤防等级为5 级，填筑土料宜采用黏性土。堤防在满足防汛和管理要求的同时，堤身结构应经济实用，就地取材，便于施工，设计堤防回填土优先选用堤防开挖土方。堤防填筑前应进行相关的试验工作，要求土料黏粒含量在15%～30% 之间，塑性指数10～20 ，不得含有植物根茎、砖瓦垃圾等杂质，填筑土料含水率与最优含水率的允许偏差为±3%。分层碾压铺料厚度不大于300 mm ，土块限制直径不大于50 mm ，堤防填筑压实度不小于0.91。

2.2.1 土堤滑动稳定计算

根据《堤防工程设计规范》规定，香泉河堤防为5 级建筑物，采用瑞典圆弧法计算，所筑堤防按基础已清基或处理考虑，抗滑稳定安全系数：正常运用条件1.10，非常运用条件Ⅰ为1.05，非常运用条件Ⅱ为1。

2.2.1.1 正常情况

2.2.1.1.1 有效应力法计算

设计洪水位下的稳定渗流期背水坡抗滑稳定安全系数：（W=W1+W2；W1应为外水位以上条块实重，浸润线以上为湿重，浸润线和外水位之间应为饱和重；W2应为外水位以下条块浮重。计算公司见式（1），字母含义如规范：

2.2.1.1.2 总应力法计算

总应力法计算见式（2），字母含义如规范。

2.2.1.2 非常情况

2.2.1.2.1 总应力法计算

施工期临水坡抗滑稳定安全系数：W=W1+W2；W1应为外水位以上条块湿重；W2应为外水位以下条块浮重，计算公式见式（3），字母含义如规范。

2.2.1.2.2 多年平均水位时+地震的临水坡抗滑稳定安全系数

根据多年实测水文资料，香泉河多年平均水位不漫上滩地，故为无水+地震工况。计算公式采用《土坝设计》中式5-159，字母含义如规范。

土堤抗滑稳定安全计算：①计算断面：计算断面为西南庄堤防设计桩号0+400，河槽距离堤防近，采用5 年一遇的除涝水位。②计算工况：根据《堤防工程设计规范》的要求，选择以下3 种工况进行岸坡稳定计算。

正常运用条件工况I：设计洪水位下稳定渗流期的背水侧边坡，设计洪水位骤降期的临水侧边坡。非常运用条件工况Ⅱ：施工期的临水侧边坡。非常运用条件工况Ⅲ：多年平均水位时遭遇地震。

2.2.1.2.3 计算成果

按《堤防工程设计规范》采用瑞典条分法进行岸坡稳定计算，采用的5 年一遇的除涝水位，标准断面岸坡稳定计算成果见表1。

表1 0+400 （除涝水位）断面岸坡稳定计算成果表

从计算结果可知，正常工况与非常工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

2.2.2 渗流稳定计算

计算断面为西南庄堤防设计桩号0+400，河槽距离堤防近，采用的5 年一遇的除涝水位，采用渗流问题有限元分析。背水坡渗流出口比降：渗出点A 点：J0=0.15＜0.35 满足要求，水位参数2.30。其中，J0为下游背水坡渗流出口比降；对比参数0.35 为工程地质勘察报告给出的该处堤防土质允许的渗流水力坡降。水位降落时土堤的浸润线、上游坡稳定性：根据《规范》，当k/μV≤1/10 时，堤身内渗流自由面在水位降落后仍保持有总水头的90% 左右，故可近似认为堤身浸润线基本保持原位置不变，这种情况对上游堤坡的稳定最为不利，为了偏于安全，可以按照水位开始降落前的浸润线位置进行堤坡稳定分析。当k/μV＞60 时为缓慢下降，此时堤身渗流自由面保持总水头10% 以下，不影响堤坡稳定，因此，一般不需要进行上游坡的水位降落稳定计算。即在1/10

3 结语

香泉河下游有南水北调中线总干渠、京广铁路、107国道、京珠高速公路等国家重要基础设施和卫辉市市区。香泉河堤防水毁修复工程实施后，对下游太公泉镇、安都乡、顿坊店乡等乡镇2万多人和0.33万hm2耕地及国家重要基础设施的防洪安全起着十分重要作用，此次设计至关重要。