柯爾克夏克河防洪治理方案研究

李仁豪

（第九師聯(lián)拓勘測設(shè)計研究有限公司，新疆 塔城 834601）

1 工程概況

柯爾克夏克河防洪工程位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地邊緣，緊鄰一六八團(tuán)和十連駐地，河流發(fā)源于塔爾巴哈臺山南緣，全長為8.5 km。主要由新疆建設(shè)兵團(tuán)第九師一六八團(tuán)境內(nèi)的柯爾克夏克主河道、烏什水水庫泄洪溝、木夫露溝等諸多小河匯流而成，最終匯入額敏河?？聽柨讼目撕雍拥廓M窄，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，河道寬度在4～10 m 之間，現(xiàn)有防護(hù)工程主要為團(tuán)場群眾修建的臨時土堤，防洪標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過多年洪水侵蝕，已不具備防洪作用，汛期洪水淘刷河岸，導(dǎo)致岸體坍塌，淹沒道路，危及民房。河道內(nèi)雜草叢生，淤積嚴(yán)重，存在大量生活垃圾，嚴(yán)重影響河道行洪。河流兩岸為農(nóng)田和道路，隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展和道路擴(kuò)建，河道逐年被侵占，汛期洪水漫堤，造成嚴(yán)重水土流失。當(dāng)汛期洪水來臨時，會嚴(yán)重影響到周邊居民生命財產(chǎn)安全，亟需通過工程措施來增強(qiáng)防洪能力。

2 水文地質(zhì)

2.1 水文特性

工程所處地區(qū)屬于大陸性中溫帶干旱氣候，氣候干燥，日照時間長，氣溫年、日溫差較大，春季升溫快，秋季降溫迅速，冬季干冷而穩(wěn)定，主要降水也集中在冬季。年平均氣溫為5.8 ℃，最熱的7月平均氣溫為20.6 ℃，最冷的1月最低氣溫為-13.3 ℃。年降雨量為342.1 mm，年均蒸發(fā)量為1 744.0 mm，多年平均最大凍土層深l.45 m。

柯爾克夏克河洪水一般以春季積雪消融洪水、積雪消融水與降水形成的混合洪水及夏季山區(qū)暴雨型洪水為主[1]。洪水來源為木夫露溝匯入洪水。

2.2 地質(zhì)特征

項(xiàng)目區(qū)地層巖性上層以粉土層為主，下層以圓礫層為主，粉土層厚0.50～0.80 m，干強(qiáng)度低，韌性低，圓礫層砂以巖、凝灰?guī)r為主，主要以中粗砂充填空隙，層厚2.20～10.30 m。

3 工程設(shè)計

3.1 工程規(guī)模及主要建設(shè)內(nèi)容

該防洪工程治理長度為4 386 km，樁號4+114～8+500，主要工程任務(wù)為河道加寬、加設(shè)護(hù)岸工程。根據(jù)現(xiàn)狀河道地形、地質(zhì)及寬度等因素，此次工程擬采用3 種斷面襯砌形式：矩形全斷面、梯形全斷面、沿兩岸護(hù)砌。襯砌材料擬采用雷諾護(hù)墊、咬合式花磚護(hù)坡（結(jié)合混凝土板防沖襯砌）和混凝土直墻3 種材料。

柯爾克夏克河防洪治理工程建設(shè)項(xiàng)目沿線為一六八團(tuán)團(tuán)部和十連居民區(qū)，共有人口約3 000人，屬農(nóng)村段，依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]表4.3.1，防護(hù)等級為Ⅳ等、防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～10 年，根據(jù)工程防護(hù)區(qū)人口相對較少，該工程選取防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 年。

3.2 水力計算

1）工程全斷面襯砌段呈均勻順直的標(biāo)準(zhǔn)行洪斷面，水力計算應(yīng)采用均勻流流態(tài)的計算公式：

式中：Q為流量，m3/s；V為流速，m/s；A為過水面積，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；i為水力坡降；n為糙率，取0.03；b為底寬，m；m為邊坡系數(shù)；h為水深，m；X為渠道濕周長，m。

分段推算后，計算結(jié)果見表1。

2）工程兩岸襯砌段多為呈多彎道的河道形式，天然橫斷面不規(guī)整，因此，應(yīng)用《水力計算手冊》[3]中的恒定非均勻流水面曲線計算方法計算，水面曲線從下游向上游逐段試算。河道能量公式：

將上式整理得：E1=E2

式中：Z1，Z2為下游、上游代表斷面水位，m；α1，α2為下游、上游動能修正系數(shù)；Q為洪水流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2；A1，A2為下游、上游過水面積，m2；△S為斷面之間間距，m；K1，K2為上下游代表斷面的流量模數(shù)。最終計算結(jié)果見表2。

表2 兩岸護(hù)砌段水力計算

3.3 沖刷深度計算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[4]中計算公式可得出，工程涉及河段的沖刷深度范圍為0.01～0.44 m，結(jié)合堤基地質(zhì)資料，考慮到安全富余和施工擾動等情況，工程的沖刷深度取1.20 m，即抗沖刷的基礎(chǔ)埋設(shè)深度設(shè)為1.20 m。

3.4 襯砌厚度設(shè)計

工程主要襯砌方式為雷諾護(hù)墊，參考已建類似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，確定雷諾護(hù)墊的填石厚度為23 cm。

3.5 抗凍脹設(shè)計

工程河道沿線表層存在粉土層，河底粒徑小于0.075 mm 的土粒質(zhì)量不大于總質(zhì)量的10%，根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》[5]可判定為非凍脹性土?？紤]到雷諾護(hù)墊具有較好的柔韌性和承受凍脹變形的能力，因此，用雷諾護(hù)墊做河底襯砌的河段只需在護(hù)墊下鋪設(shè)一層無紡布防止沖刷破壞，無需單獨(dú)考慮凍脹設(shè)計。護(hù)岸襯砌為花磚的河段，設(shè)計在花磚下鋪設(shè)15 cm的砂礫石墊層防凍脹。

3.6 護(hù)岸斷面及襯砌比選

根據(jù)以上計算結(jié)果，擬定4 種護(hù)岸形式。

1）方案一：矩形全斷面（雷諾護(hù)墊河底+混凝土直墻）

左右岸為俯斜式重力式混凝土擋墻，擋墻埋深1.20 m，渠深1.30 m，混凝土擋墻底寬0.70 m、頂寬0.30 m，河底鋪設(shè)23 cm 厚雷諾護(hù)墊及400 g/m2無紡布，擋墻后側(cè)鋪設(shè)花磚路面，向臨河側(cè)設(shè)坡，坡度為2%，花磚下鋪設(shè)15 cm 砂礫石墊層防凍脹。

優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，對兩岸已有工程和設(shè)施影響小，已建設(shè)施拆除和樹木砍伐量小。

缺點(diǎn)：混凝土澆筑量大，要求有較高的地基承載力，造價高。

2）方案二：梯形全斷面（雷諾護(hù)墊河底岸坡+花磚岸頂）

渠深1.39 m，左右岸坡及河底用23 cm 厚雷諾護(hù)墊及400 g/m2無紡布進(jìn)行襯砌，岸坡坡比為1∶1.5，坡后鋪設(shè)花磚路面，向臨河側(cè)設(shè)坡，坡度為2%，花磚下鋪設(shè)15 cm 砂礫石墊層防凍脹。

優(yōu)點(diǎn)：對兩岸已有設(shè)施影響小，對河道兩岸和河底有保護(hù)沖刷的作用；一段時間后，雷諾護(hù)墊表面可生長草本植物，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。

缺點(diǎn)：襯砌工程量大，造價高。

3）方案三：梯形全斷面（雷諾護(hù)墊河底+花磚岸坡岸頂）

渠深1.50 m，左右岸坡和岸頂以花磚鋪設(shè)，河底用23 cm 厚雷諾護(hù)底及400 g/m2無紡布進(jìn)行襯砌，岸坡河底交接處設(shè)置0.5 m 寬阻滑墻。

優(yōu)點(diǎn)：既保證河底有沖刷保護(hù)，又能滿足居民休閑娛樂需求，通過花磚鋪設(shè)，增加岸坡設(shè)計感。

缺點(diǎn)：只適用于兩岸有居民區(qū)的河段。

4）方案四：兩岸襯砌（花磚岸坡岸頂）

左右岸以花磚鋪設(shè)，以1∶1.5 坡比沿現(xiàn)有岸坡下挖1.20 m 后，以原河床土回填，非汛期與水面接觸及以下采用現(xiàn)澆混凝土板襯砌，其中混凝土板采用C30、抗凍等級F250 設(shè)計，厚度為10 cm，下方鋪設(shè)20 cm 厚砂礫石墊層，并在岸坡與河底連接處設(shè)置0.50 m 寬阻滑墻。坡后鋪設(shè)花磚路面，向臨河側(cè)設(shè)坡，坡度為2%，花磚下鋪設(shè)15 cm 砂礫石墊層防凍脹。

優(yōu)點(diǎn)：與現(xiàn)狀河道的岸線高度擬合，可以適應(yīng)兩岸現(xiàn)狀不對稱的河道，較寬河道處工程投資較前兩種小。

缺點(diǎn)：對河底沖刷無保護(hù)作用，因需開挖回填，河道斷面狹窄，工程量較全斷面襯砌工作量更大，造價更高。

綜合考慮柯爾克夏克河現(xiàn)狀情況，工程采取4種防護(hù)形式相結(jié)合的施工方案，即：現(xiàn)狀河底大于10.00 m 的河段，選擇方案四形式，包括5+160-5+370，6+160-6+380，7+040-7+220，7+820-8+240，總長度為1.03 km；河底寬度小于10.00 m 的河段，選擇方案二形式，包括4+860-5+160，5+370-5+549，8+240-8+500，總長度為0.74 km；河底寬度小于10.00 m，且有居民區(qū)的河段，選擇方案三形式，包括4+114-4+860，6+016-6+160，7+220-7+820總長度為1.49 km；兩岸設(shè)施多，或有占地限制的河段，選擇方案一形式，包括6+380-7+040，總長度為0.66 km。

3.7 滲流計算

選取護(hù)岸頂高程最高的5+400 斷面作為典型斷面，進(jìn)行滲流和抗滑穩(wěn)定性計算。5+400 處為礫粉土質(zhì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定護(hù)岸堤身土發(fā)生滲透變形的允許水力比降為0.5，具體參數(shù)選擇見表3。

表3 滲流計算參數(shù)選取表

經(jīng)計算，外壩坡水力比降為0.112，單寬滲流量為0.013 91 m3/(d·m)，滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.8 抗滑穩(wěn)定性計算

結(jié)合工程堤身特點(diǎn)，擬堤身整體穩(wěn)定和雷諾護(hù)墊護(hù)坡穩(wěn)定兩種情況進(jìn)行驗(yàn)算。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，工程選取穩(wěn)定滲流期的下游壩坡、河道水位降落期的上游堤坡、正常運(yùn)用遇地震的下游堤坡進(jìn)行穩(wěn)定計算。

抗滑穩(wěn)定計算采用瑞典圓弧滑動法計算抗滑安全系數(shù)K，計算公式：

式中：C′，φ′為圖的抗剪輕度指標(biāo)，kN/m3和（°）；b為土條寬度，m；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，（°）；W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；u為水位降落前堤身的空隙壓力，kPa；z為堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離，m；γW為水的重度，kN/m3。

5+400斷面尺寸：上游壩坡m1為1.5，下游壩坡m2為1.5，壩高H為1.94 m，壩前水深H1為0.80 m。因堤身和地基土質(zhì)相同，因此，采用相同的土質(zhì)物理力學(xué)特性：重度18.3 kN/m3，飽和重度21.6 kN/m3，粘聚力25 kPa，內(nèi)摩擦角24°。

經(jīng)計算，水位降落期，臨水面最小安全系數(shù)為1.20，大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.05；穩(wěn)定滲流期，背水面最小安全系數(shù)為1.36，大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.15；正常運(yùn)用遇地震，背水面最小安全系數(shù)為1.29，大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.15，因此滿足穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語

柯爾克夏克河第九師一六八團(tuán)段，現(xiàn)有防洪工程設(shè)施簡陋，抗洪能力差，且河流沿線高低寬窄無序，生活垃圾和建筑垃圾堆填，不僅無法滿足防洪要求，也嚴(yán)重影響一六八團(tuán)城鎮(zhèn)面貌。采用矩形全斷面+雷諾護(hù)墊河底+混凝土直墻、梯形全斷面+雷諾護(hù)墊河底岸坡+花磚岸頂、梯形全斷面+雷諾護(hù)墊河底+花磚岸坡岸頂、兩岸襯砌+花磚岸坡岸頂4 種斷面形式對現(xiàn)有防洪工程進(jìn)行岸坡整治，并確保設(shè)計滿足滲透和抗滑坡要求，工程綜合整治后將形成河暢、水清、岸綠、景美的水美鄉(xiāng)村，增強(qiáng)廣大人民群眾的安全感、幸福感、獲得感。