布爾庫斯臺河防洪治理工程設(shè)計淺析

王 貝

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

1 概 況

布爾庫斯臺河位于新疆北部準噶爾盆地，屬兵團第九師一七〇團中心連隊廟爾溝境內(nèi)[1]。布爾庫斯臺河發(fā)源于瑪依勒山南坡，屬季節(jié)性河流，無明顯河溝，最終消失于出山口沖積平原，徑流補給主要是季節(jié)性融雪水、降雨和地下水[2]。布爾庫斯臺河集水面積168 km2，河道全長49.3 km。

本次擬治理河段位于廟爾溝，起始位置為中心連隊西1.53 km處，終點位于規(guī)劃小區(qū)下游0.30 km處，治理長度2460 m。主要建設(shè)任務(wù)是新建堤防、護岸，保護項目團場3098人的生命財產(chǎn)安全，保障兵團交通、通訊系統(tǒng)安全。項目區(qū)防洪標準為10 a一遇，治理工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為小(2)型，建筑物級別為5級。

2 工程設(shè)計

新建兩岸堤防1828 m，新建護岸1844 m，其中樁號24+246～24+280、24+430～24+700河床底有飲水管線穿過，設(shè)計中采用混凝土蓋板做防沖保護。新建堤高1.2～2.1 m，堤頂寬3.0 m，邊坡為1∶1.75[2]。

2.1 河道整治寬度

設(shè)置護岸后，穩(wěn)定河段水面寬度一般不應(yīng)小于阿爾圖寧穩(wěn)定河寬計算值。阿爾圖寧穩(wěn)定河寬公式如式(1)：

(1)

式中：B為穩(wěn)定河段水面寬，m；Q為造床流量，m3/s；J為河床比降。根據(jù)實測河道縱斷面；A為經(jīng)驗系數(shù)，本工程根據(jù)本地區(qū)河道情況取A=1.0。穩(wěn)定河寬計算成果如表1所示[3]。

表1 布爾庫斯臺河穩(wěn)定河寬計算

經(jīng)計算，本項目擬治理河段的穩(wěn)定河寬為8.74～12.18 m，本著因地制宜、合理規(guī)劃的原則，河道整治寬度要力求接近河道穩(wěn)定河寬，河道現(xiàn)狀寬度為6.90～30.80 m，河道寬度不規(guī)則。在河道治理中，河道寬度要接近穩(wěn)定寬度和實際寬度，不對河道大幅束窄或拓寬，利用原河寬及原有護岸作為治導線，進行整治加固，保證設(shè)計洪水通暢通過。

2.2 治導線設(shè)計

擬治理河段多年來為上游洪水匯流后的主要泄洪通道，河道走向相對固定。本次設(shè)計河道治理總體沿現(xiàn)狀布置，樁號23+800～24+136段因左岸為山體，故采用右岸單側(cè)護砌，以現(xiàn)狀河岸為依靠，治理后的河寬與原河道底寬相接近；樁號24+136～24+759、24+860～25+905段采用兩岸沿主河槽布置，現(xiàn)狀寬度不足處進行適當加寬處理，局部裁彎取直，基本與整治河道現(xiàn)狀接近[1-2]。

2.3 設(shè)計流量及縱坡

通過水文比擬法、洪峰模數(shù)法、推理公式法三種方法計算比對，布爾庫斯臺河斷面設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計洪峰流量成果 m3·s-1

根據(jù)水文分析論證結(jié)果，本工程防洪標準重現(xiàn)期為10 a，考慮運行安全性要求及河道現(xiàn)狀實際情況，該河道平均縱坡取18‰。

2.4 護砌方案比選

2.4.1 材料比選

根據(jù)本地區(qū)已有工程經(jīng)驗，可采用現(xiàn)澆混凝土板、漿砌石、雷諾護墊三種襯砌材料?？紤]到雷諾護墊對石料粒徑要求嚴格，爆破成本過高，本項目對現(xiàn)澆混凝土板、漿砌石兩種結(jié)構(gòu)進行比選[3]。

(1)現(xiàn)澆混凝土板護坡。根據(jù)規(guī)范，斜坡混凝土板護坡的護面厚度按式(2)計算：

(2)

式中：t為現(xiàn)澆混凝土板護坡厚度 m；η為系數(shù)，取0.01；γb為混凝土板的容重，24 kN/m3；γ為水的容重，10 kN/m3；H為計算波高，m，取H1%；L為計算波長，m；B為沿斜坡方向的護面長度，m；m為斜坡坡率，1.75。經(jīng)計算，現(xiàn)澆混凝土板護坡厚度為6.5 cm；由于該治理河段冬季水深約為0.2～0.3 m，考慮嚴寒地區(qū)冰拔對混凝土板破壞問題，參考已建工程經(jīng)驗，確定現(xiàn)澆混凝土板的襯砌厚度為15.0 cm。

(2)漿砌石護坡。斜坡坡率為1.5～5.0時，護坡厚度按式(3)計算：

(3)

式中：t為斜坡漿砌石護坡厚度 m；K1為系數(shù)，取0.266；γb為塊石的容重，22.5 kN/m3；當d/L>0.125時，H取H4%。經(jīng)計算，漿砌石護坡厚度為10.5 cm；同樣考慮冰凍等因素，確定漿砌石板的襯砌厚度為40.0 cm。

從適用性來看，現(xiàn)澆混凝土、漿砌石作為護岸材料在本地區(qū)工程應(yīng)用較多，都可行；從施工條件來看，混凝土板護坡以機械化施工為主，相關(guān)材料可以直接購買，漿砌石護坡以人工施工為主，所需石料需要爆破；從投資來看，選用相應(yīng)高度每延米的護岸工程量進行投資比較，其比較結(jié)果見表3。

表3 每延米護岸投資比較表

可以看到，從經(jīng)濟性上兩者相差不大，考慮到新疆地區(qū)炸藥管控和審批非常嚴格，如采用漿砌石方案還需新建彈藥庫，增加工程建設(shè)投資，也可能因不可控因素影響工程施工進度，因此本項目采用混凝土襯砌。

2.4.2 護砌斷面比選

由于現(xiàn)狀河道寬度差異大，結(jié)合現(xiàn)狀河道情況采用不同河道底寬的梯形斷面護砌方式，按混凝土板埋深護砌和混凝土板全斷面護砌兩種形式進行經(jīng)濟技術(shù)比選，選取不同河段的最經(jīng)濟護砌方式。本項目設(shè)計底寬6.9～30.8 m，以24+759斷面進行方案比選，底寬6.9 m，堤高1.8 m，兩種方式造價分析如表4所示[4]。

表4 24+759斷面按單位長進行造價分析

由分析可知，底寬為6.9 m的防洪堤護岸采用兩岸混凝土襯砌比全斷面混凝土襯砌更經(jīng)濟，當?shù)讓捲黾訒r，全斷面護砌造價更高，本項目采用兩岸襯砌方式。

2.5 護砌方案設(shè)計

根據(jù)河段特點，給出各典型斷面護砌方案如下。

2.5.1 右岸單岸護砌

以樁號23+800～24+136段為例，該段左岸為山體，沒有防護對象，該段護岸類型為右岸護砌，結(jié)構(gòu)形式為混凝土斜墻厚15 cm，底寬為7.9～24.6 m，臨水側(cè)邊坡1∶1.75，背水側(cè)邊坡1∶1.50，堤高1.5 m，堤頂寬3.0 m。

2.5.2 兩岸防洪墻護砌

以樁號24+890～25+260為例，受兩岸房屋位置的限制，采用混凝土防洪墻護砌兩岸，底寬為8.0～30.8 m，堤高1.6～2.1 m；樁號24+890～24+978段右岸防洪堤現(xiàn)狀完好，但堤頂高度不能滿足設(shè)計要求，需加高處理。

2.5.3 兩岸混凝土護砌

樁號24+136～24+471,24+580～24+759，24+860～24+890，25+260～25+905，底寬為8.0～30.8 m，堤高1.2～1.8 m，堤頂寬3.0 m，臨水側(cè)邊坡1∶1.75，背水側(cè)邊坡1∶1.50。

2.6 水面線

治理河段呈多彎道的河道平面形式，天然河道橫斷面在多年洪水水流的影響下也很不規(guī)整，參考河道恒定非均勻流水面曲線計算方法，采用逐段試算法進行能量試算，從水流下游斷面向上游斷面逐段推算[5]，計算成果見圖1。

2.7 堤頂高程

根據(jù)護砌段堤防和護岸性質(zhì)的不同，得到防洪堤(護岸)頂高程計算成果如表5所示。

圖1 水面線計算成果

樁號河底高程水位高程計算超高堤(護岸)頂高程實取超高備注23+80023+85023+92024+02024+13624+26024+36024+4711467.951466.641464.801462.701461.181459.551458.241455.991468.321467.181465.501463.261461.731460.381458.931456.810.7880.8030.8090.8040.8030.7950.8090.8111469.251468.141466.301464.201462.781461.151459.841457.290.930.960.800.941.050.770.910.48堤防24+52024+5801454.801453.341455.301454.080.5000.6561456.101455.140.801.06護岸24+75924+86024+89024+97825+02025+06025+08325+18025+2601448.991445.761445.281443.881443.221442.581442.221440.731439.571449.941446.911446.281444.881444.331444.041443.671441.631440.010.6560.8140.6570.6570.6570.6570.6570.6560.6531450.791447.561447.081445.681445.321444.681444.321442.331440.770.850.650.800.800.990.640.650.700.76堤防25+36025+44525+50025+60025+70025+80025+9051438.121436.891436.091434.641433.191431.741430.221438.801437.921436.641435.541433.991432.521431.250.5000.5000.5000.5000.5000.5000.5001439.621438.391437.591436.141434.691433.241431.720.820.470.950.600.700.720.47護岸

2.8 抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB 50286—2013，本工程級別為5級，要求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常運行情況K=1.10；非常運行情況K=1.05。本階段選取堤高最大段樁號24+600作為坡式護岸典型斷面來進行岸坡抗滑穩(wěn)定分析。驗算公式為

(4)

式中：W為土條重量，kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力，kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；b為土條寬度，m；c′為土條底面的有效凝聚力,kN/m2；φ′土條底面的有效內(nèi)摩擦角，°；MC為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

計算結(jié)果見表6。計算結(jié)果表明，防護堤在各種狀態(tài)下，堤坡的最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的要求值。

表6 抗滑穩(wěn)定計算成果

3 結(jié) 語

本次布爾庫斯臺河防洪治理工程防洪標準10 a一遇，工程等別為Ⅴ等，設(shè)計洪峰流量17.8～28.29 m3/s，治理河長2460 m，共修建混凝土直立式、坡式堤防1828 m，修建混凝土坡式護岸1844 m。項目的實施可將治理段防洪標準提高到10 a一遇，提高當?shù)氐姆篮闃藴?，保護項目團場3098人的生命財產(chǎn)安全，保障兵團交通、通訊系統(tǒng)安全，同時對加快當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、促進社會和諧具有明顯效果。工程建成后一段時間的運行情況，表明工程形式和設(shè)計是合理的。