莫呼查汗防洪工程設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

張 懌

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒841000)

1 工程概況

莫呼查汗河位于天山南坡焉耆盆地北緣和靜縣西北部，全長66.6 km，集水面積411.60 km2。本次設(shè)計(jì)防洪工程位于和靜縣莫呼查汗河下游段，該段河段總長為11.6 km(55 +000—66 +600)。

2 河道與堤防現(xiàn)狀分析

2.1 河道過洪能力現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)屬莫呼查汗河下游河段(55 +000—66 +600)，該河段河床縱坡1/120 ～1/419，河床寬度在20 ～300 m，項(xiàng)目區(qū)兩岸現(xiàn)有和靜縣哈爾莫墩鎮(zhèn)及扶貧農(nóng)場，人口約2.78 萬人，耕地4 933 hm2，主要從事農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)。因目前部分河段泥沙淤積，河堤過低，河段過洪能力明顯不足，造成洪水期洪水漫溢，淹沒河道兩岸的居民點(diǎn)及基本農(nóng)田，本次將河道55 +000～66 +600 段作為重點(diǎn)防洪區(qū)。對于河道55 +000～62 +005 段進(jìn)行堤防加高、加寬及護(hù)砌，對于河道62 +005—66 +600 段部分河段進(jìn)行清淤、清障等，以保證其行洪安全［1］。

2.2 建筑物現(xiàn)狀

項(xiàng)目工程區(qū)現(xiàn)有建筑物二座，沙子河渡槽和過水路面(扶貧農(nóng)場):

1)沙子河渡槽(60 +065):該渡槽建于上世紀(jì)80年代，設(shè)計(jì)引水流量1.5 m3/s，渡槽共六跨，每跨長16 m，全長96.0 m，主要灌溉哈爾莫墩鎮(zhèn)的夏爾莫墩村，灌溉面積800 hm2，該渡槽兩端下部為漿砌石基礎(chǔ)，洪水發(fā)生時(shí)，將部分漿砌卵石沖毀，現(xiàn)狀沖毀部分用干砌石堆砌進(jìn)行臨時(shí)性防護(hù)，洪水期渡槽基礎(chǔ)將受到垮塌的危脅，影響下游灌區(qū)的農(nóng)田灌溉，因此在該處必須加固基礎(chǔ)，以保證渡槽洪水期的安全。

2)過水路面(61 +340);該過水路面是哈爾莫墩鎮(zhèn)通往扶貧農(nóng)場的路，該過水路面兩端現(xiàn)狀未建防洪堤壩，洪水期河水淹沒路面，淘刷基礎(chǔ)，洪水過后，路面堆積泥沙嚴(yán)重，使得扶貧農(nóng)場對外交通中斷，嚴(yán)重影響了居民出行，路面現(xiàn)狀破損嚴(yán)重，需重新修筑該過水路面，以保證過水路面的安全通行［2］。

3 防洪工程設(shè)計(jì)布置分析

3.1 防洪工程布置思路

依照《和靜縣莫呼查汗河防洪規(guī)劃報(bào)告》及《和靜縣莫呼查汗河近期治理建設(shè)規(guī)劃》報(bào)告統(tǒng)一部署，依河勢對各河段進(jìn)行不同的防護(hù)，且由于項(xiàng)目區(qū)位于莫呼查汗河下游河段，人口眾多，因此根據(jù)實(shí)際情況布置，最大限度地控制河道寬度。擬建堤防軸線根據(jù)現(xiàn)有堤防和沿河兩岸臨河房屋等各種設(shè)施現(xiàn)狀情況以及遵循《莫呼查汗河防洪規(guī)劃》報(bào)告已確定的整治方案綜合考慮，因地制宜、采取局部裁彎取直、對現(xiàn)有部分堤防進(jìn)行加高加寬、局部改建和完善等措施。本次規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目區(qū)堤防基本上以現(xiàn)有堤防為基礎(chǔ)進(jìn)行擬建堤防軸線布置及設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

本次堤防設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)P =5%，相應(yīng)洪水流量72.1 m3/s，防洪堤工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5 級(jí)。

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286—98 和《莫呼查汗河防洪規(guī)劃》報(bào)告對莫呼查汗河治理河段河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)河道堤防工程的級(jí)別及防洪設(shè)計(jì)要素確定成果見表1。

表1 莫呼查汗河堤防工程級(jí)別及防洪設(shè)計(jì)要素一覽表

3.3 防洪工程總體平面設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)防洪工程位于和靜縣莫呼查汗河下游地區(qū)，具體位置:55 +000 ～66 +600 段，河道全長11.6 km。工程設(shè)計(jì)修建混凝土堤防總長11.97 km:其中沙子河渡槽60 + 065 處(上、下游)堤防長160 m，過水路面(61 +340)處(上、下游)導(dǎo)流堤長100 m，河道右岸修筑堤防1 處，長7.005 km(55 +000 ～62 + 005 段)，河道左岸修筑堤防2 處，長4.705 km，分 別 位 于55 + 000 ～57 + 560 段 長2.56 km，59 +676 ～61 +821 段長2.145 km。河道62 +005 ～66 +600 段部分區(qū)域需清障、清淤保證行洪安全，見圖1。

圖1 和靜縣莫呼查汗河堤防工程堤防平面布置示意圖

3.4 堤身和防凍結(jié)構(gòu)長度的確定

1)堤身設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)中結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)情況和現(xiàn)有防洪堤現(xiàn)狀，堤防基礎(chǔ)橫斷面采用防沖斜墻(重力式)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)堤防堤頂寬度根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》堤防要求，堤頂寬度≥3 m，本次設(shè)計(jì)堤頂寬度取為4 m。

2)防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):根據(jù)《和靜縣莫呼查汗河防洪工程地質(zhì)勘察報(bào)告》工程區(qū)大部分堤防地下水位埋深較深且區(qū)域地質(zhì)土屬非凍脹土，只是在右岸59 +200 －61 +170 段長1.97 km和左岸60 +850 －61 +150 段長0.3 km的粉質(zhì)黏土透鏡體具有凍脹性，需采取相應(yīng)的抗凍脹措施，本次設(shè)計(jì)采取換填砂礫石墊層抗凍脹措施。

3.5 堤防沖刷深度計(jì)算

水流斜沖堤防沖刷深度采用下式計(jì)算公式:

式中:△hp為從河底算起的局部沖深，m;α 為水流流向與岸坡交角，°;m 為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù);d 為坡腳處土壤計(jì)算粒徑，cm;vj為水流的局部沖刷流速，m/s。

根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算以及現(xiàn)場河道深槽測量資料等，結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)洪水72.10 m3/s，(55 +000 ～62 +000)段堤防基礎(chǔ)的沖刷深度為0.72 ～1.89 m，考慮一定安全因素，堤防基礎(chǔ)的深度設(shè)計(jì)為2.0 ～2.5 m。河道右岸(55 +000 ～62 +005):修建堤防長7.005km，防洪堤基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)深度取為2.0 ～2.5 m。其中(55 +000 ～60 +065)防洪堤基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)深度2.0 m，(60 +065 ～62 +005)防洪堤基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)深度2.5 m。河道左岸修筑堤防2 處，長4.705 km，分別位于(55 +000 ～57 +560)段長2.56 km，防洪堤基礎(chǔ)深度取為2.0 m。(59 + 676 ～61 + 821)段長2.145 km，(59 +676 ～60 +065)段長0.389 km，防洪堤基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)深度2.0 m，(60 +065 ～61 +821)段長1.756 km，防洪堤基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)深度2.5 m。參照上述計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)洪水72.1 m3/s，建筑物各處沖刷深度為1.03 ～1.89 m，考慮一定安全因素，堤防基礎(chǔ)的深度:沙子河渡槽基礎(chǔ)深度設(shè)計(jì)為2.0 m、過水路面基礎(chǔ)深度設(shè)計(jì)為1.5 m。

4 防洪堤護(hù)坡斷面型式與堤防基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

4.1 護(hù)坡設(shè)計(jì)

堤防護(hù)坡可采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡及漿砌卵石護(hù)坡2 種結(jié)構(gòu)型式，兩方案主要設(shè)計(jì)情況如下:①混凝土板護(hù)坡。堤防護(hù)坡采用現(xiàn)澆混凝土板，厚度為12 cm，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，順?biāo)鞣较蛎? m設(shè)一橫縫。估算采用混凝土護(hù)坡工程投資為276.74 萬元;②漿砌卵石護(hù)坡。堤防護(hù)坡采用漿砌卵石，厚度為30 cm，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡度1∶1.5，順?biāo)鞣较蛎?0 m設(shè)一伸縮縫。估算采用漿砌石護(hù)坡工程投資為385.96 萬元;③護(hù)坡型式方案比較。對兩種護(hù)坡型式的投資、外觀、施工條件進(jìn)行比較，兩方案主要指標(biāo)比選見表2。

表2 護(hù)坡方案比較表

根據(jù)近年本州已修建的防洪堤防來看，現(xiàn)澆混凝土板堤防護(hù)坡，經(jīng)多年運(yùn)行，效果較好。綜合考慮投資、施工等條件，本次設(shè)計(jì)堤防斷面采用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡型式。

4.2 基礎(chǔ)防護(hù)方案

4.2.1 方案一:重力式擋土墻基礎(chǔ)方案

堤防基礎(chǔ)防護(hù)是在堤腳處設(shè)置重力式防沖擋土墻基礎(chǔ)，擋土墻高度根據(jù)沖刷深度計(jì)算取2.5 m，堤防重力式擋土墻基礎(chǔ)頂部寬度為0.5 m，底部寬度為1.8 m，墻高為2.5 m。采用M15 漿砌卵石，每隔10 m設(shè)一道沉降縫，縫用苯板和聚氨酯填充，縫寬2 cm。詳見圖2。

圖2 重力式擋土墻基礎(chǔ)方案橫斷面圖

4.2.2 方案二:防沖斜墻基礎(chǔ)方案

根據(jù)沖刷深度計(jì)算，在堤腳處設(shè)置砌石防沖斜墻，斜墻迎水面邊坡系數(shù)0.64，背水面邊坡系數(shù)為0.5，斜墻高度根據(jù)沖刷深度計(jì)算取2.5 m，防沖斜墻頂部寬度為0.5 m，底部寬度為0.8 m，深度為2.5 m。防沖斜墻采用C20 毛石混凝土，詳見圖3。

圖3 防沖斜墻基礎(chǔ)方案橫斷面圖

4.2.3 計(jì)算內(nèi)容和工況比較

計(jì)算條件:在洪水期，擋土墻基礎(chǔ)墻前無土。將數(shù)據(jù)代入進(jìn)行穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果詳見表3:

表3 擋土墻穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算表

4.2.4 基礎(chǔ)防護(hù)方案比較

堤防基礎(chǔ)防護(hù)型式方案投資、施工技術(shù)、穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)比較詳見下表4。

表4 基礎(chǔ)型式方案比較表

4.2.5 推薦方案

通過以上綜合比較，方案二在施工條件、工程技術(shù)條件等方面要求要高于方案一，但方案一投資高于方案二，本著安全經(jīng)濟(jì)的原則，本工程基礎(chǔ)防護(hù)推薦選用方案二，即采用C20 毛石混凝土防沖斜墻基礎(chǔ)型式。

［1］許士國，高永敏，劉盈斐. 現(xiàn)代河道規(guī)劃設(shè)計(jì)與治理［M］.中國水利水電出版社，2006:135 －139.

［2］康震，王佐權(quán). 關(guān)于河道堤防除險(xiǎn)加固工程的安全管理［J］. 黑龍江水利科技，2014，42(11):286 －288.