高列波

（陽泉市水務局，山西 陽泉 045000）

1 項目概況

平定縣冶西鎮(zhèn)葦池村位于原坪水庫大壩上游，南川河橫穿葦池村，河道右岸為耕地，左岸堤防緊鄰聶潘線公路。目前河道右岸的耕地，無任何保護措施，一旦發(fā)生大洪水，將淹沒沖毀耕地及農作物。

故河道工程為新建葦池村南川河右岸河道堤壩、疏浚河道，以保護葦池村河道右岸的耕地。南川河葦池段河道治理工程起點位于葦池1號橋（樁號0+000），終點位于聶潘線大橋（樁號0+800），治理段全長800 m。主要建設內容，新建堤防累計單線長690 m，河道清淤長度800 m。

根據《防洪標準》（GB 50201-2014）規(guī)定，治理段為鄉(xiāng)村段，且考慮到兩岸保護范圍、對象的實際情況，確定本工程防洪標準為10年一遇洪水標準。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）規(guī)定，相應堤防等級為Ⅴ等5級。

2 水文情況

2.1 河段洪水特性

河段以上的流域面積是24.3 km2，年均降雨量為500 mm左右，洪水主要由暴雨形成，具有雨時短、強度大、時空分布不均等特點。暴雨多出現(xiàn)在汛期6～9月份，洪水主要集中在7月至9月上旬。洪水過程具有上漲快、歷時短、流量變幅大的特點。

2.2 設計洪水

工程位于原坪水庫上游葦池村河段，水庫壩的上、下游均未設置水文測站，無實測洪水資料，本次設計洪水計算主要依據《山西省水文計算手冊》（2011年3月版）（下簡稱《手冊》），按無資料地區(qū)考慮。

工程段主河道長7.67 km，控制流域面積24.3 km2，流域縱坡28.5‰。

河道洪水計算采用《手冊》中“綜合瞬時單位線法”進行。設計洪水計算主要有設計暴雨，產流計算和匯流計算三部分。經計算，本次治理河段10年一遇洪水標準的設計洪峰流量為128.3 m3/s。

3 工程布置及建筑物設計

3.1 堤線布置及斷面方案選擇

南川河葦池段右岸堤防新建工程,從葦池1號橋（0+000）開始至聶潘線大橋（0+800）止，其間0+040到0+150因為現(xiàn)有山體不需防護，故新建堤防全長690 m，河道清淤疏浚800 m。堤防盡量順河勢而建，因上游河道寬度為15 m，新建段堤防堤距基本維持原寬度，堤距仍為15 m。新建堤壩要與現(xiàn)有的漿砌石堤防匹配，故決定本次治理的新建堤防采用漿砌石重力式堤防。

3.2 堤防設計

3.2.1 設計河段洪水水面線推算

南川河葦池段河道治理工程段全長800 m，比降為13‰。本次計算的橫斷面共有9個，河道寬度為15 m。參考《水力計算手冊》中天然河道洪水糙率系數擬定河道的糙率為0.03。由于南川河葦池段河底為砂礫和卵石組成，底坡尚均勻，床面不平整，所以本工程選定河床糙率為0.03。

根據治理段的實測河道縱、橫斷面和河道設計洪峰流量及選定的河道糙率，運用明渠非均勻漸變流公式對治理段河道水面線進行了推算。實測河底高程為808~818.60 m，經計算，治理段內水面線對應結果為809.99~820.31 m。

3.2.2 堤防高度設計

設計堤頂高程按《堤防工程設計規(guī)范》（GB 50286-2013）的要求確定，堤頂高程為設計洪水位加堤頂超高。

堤頂超高計算。

堤頂超高由波浪爬高、風壅高度和安全加高三部分構成：

式中：R——設計波浪爬高，m；

Y——堤頂超高，m；

e——計算風壅高度，m；

A——安全加高，m。

根據《堤防工程設計規(guī)范》查得5級堤防A取0.5 m。經計算堤頂超高為0.640 48 m，綜合考慮確定重力式堤防堤頂超高為0.7 m，見表1。

表1 護岸超高計算表

河道水流計算。

由于治理段有河道彎道，因此需對河道凹凸岸水位差進行計算。計算公式采用《水力計算手冊》（第二版）中的相關公式：

式中:Δh——彎道橫斷面水位差；

v——斷面平均速度；

B——彎道水面寬度，B=r2—r1，；

r1、r2——彎道凸岸和凹岸的曲率半徑；

r0——彎道水流軸線曲率半徑；

g——重力加速度，m/s2；

α0——流速分布系數

C——謝才系數。

經計算得，彎道段單側水位差均小于0.2 m，由于本工程漿砌石堤防安全超高取0.7 m，故堤頂高度不考慮橫向水位差影響。

根據計算可知10年一遇的設計洪水位加堤頂超高0.7 m來確定設計堤頂高程。

沖刷深度計算。

葦池村所處南川河河段雖然河勢比較穩(wěn)定，但隨著河道流量的變化，沿岸頂沖位置亦在變動，對平順河段影響更明顯。因此，不但要重視頂沖護段堤腳工程的深度和寬度，也要重視平順河段的堤腳工程設計。

考慮水流平行于岸坡的沖刷深度計算，引用《堤防工程設計規(guī)范》（GB 50286-2013）中公式：

式中：hs——沖刷深度，m；

H0——沖刷處水深，m；

Ucp——近岸垂線平均流速，m/s；

UC——泥沙起動流速，m/s；

n——指數與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n＝1/4~1/6。

近岸垂線平均流速Ucp計算公式：

式中：U——形近流速，m/s；

η——水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡夾角α查表求得。

泥沙起動流速Uc計算公式：

式中：g——重力加速度，m/s2；

d50——床沙的中值粒徑，m；

γs、γ——泥沙與水的容重，kN/m3。

經計算，治理段沖刷深度為0.885~1.026 m之間，見表2。

表2 沖刷計算成果表

根據《水工擋土墻設計規(guī)范》（SL 379-2007），擋土墻墻趾埋深宜為計算沖刷深度以下0.5~1.0 m。結合實地查勘時洪水沖刷的痕跡，本段沖刷較為嚴重，為安全起見，本段堤防埋深為1.5 m。

3.2.3 堤防結構設計

新建重力式堤防斷面采用梯形斷面，頂寬0.5 m，迎水面邊坡為1∶0.3，背水面邊坡為1∶0.1，基底放大腳寬0.5 m，基底水平，基礎埋置深度1.5 m，堤頂采用C20素混凝土壓頂，厚0.1 m。堤防每隔15 m設一道橫向伸縮縫，縫內填塞2 cm厚高密度聚乙烯閉孔泡沫板（120 kg/m3），用M12.5水泥砂漿封口，墻體設一排排水孔，孔距2.0 m，高出設計河底1.0 m，在排水孔進口處外包無紡布（300 g/m2）并設置砂礫料反濾體，沿墻后通長布置。

3.2.4 穩(wěn)定分析計算

堤防形式均采用漿砌石重力式堤防，堤防穩(wěn)定計算取最大斷面作計算單元。堤防工程級別為5級，在正常運用條件下，堤防在土基上的抗滑穩(wěn)定安全系數的允許值為1.20，抗傾覆安全系數的允許值為1.40。本工程處于7度地震區(qū)，所以需要進行抗震設計；地基性質為土堤，擋土墻底面與地基之間的摩擦系數取f=0.4。

漿砌石堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數計算，采用公式：

式中：kC——抗滑穩(wěn)定安全系數;

∑ω——作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN；

∑p——作用于墻體上的全部水平力的總和，kN；

f——底板與堤基之間的摩擦系數。

漿砌石堤防的抗傾安全系數計算，采用公式：

式中：k0——抗傾安全系數;

∑MV——抗傾覆力矩，kN·m；

∑MH——傾覆力矩，kN·m。

漿砌石堤防基底壓應力計算，采用公式：

式中：σmin·nax——基底的最大最小應壓力，kPa；

∑G——垂直載荷，kN；

A——底板面積，m2；

∑M——荷載對底板形心軸的力矩，kN；

∑W——底板截面系數。

計算結果。

取在最不利狀況下堤防的最大斷面計算，根據計算結果可知，堤防穩(wěn)定計算系數均滿足規(guī)范要求。

4 結論

河道多年未進行清淤，淤積嚴重，河道行洪斷面嚴重不足。疏浚工程將河道內200 m3建筑、生活垃圾全部外運，綜合考慮選定棄渣場，土方外運距離2 km；河道疏浚產生土方主要用于堤后回填，多余的運至棄渣場。工程建設后將徹底解決當地防洪安全問題，同時，可切實改善沿線居民的生產、生活條件，提升整體形象和改善投資環(huán)境，社會效益良好，環(huán)保效益明顯。