大西海子水庫(kù)應(yīng)急防洪工程建設(shè)方案探析

孫 健

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒841000）

大西海子水庫(kù)泄洪閘后引水河道輸水渠已多次發(fā)生漫堤和垮堤，每年防洪搶險(xiǎn)任務(wù)較重。同時(shí)，該段輸水堤漫堤或垮堤后，水量無(wú)法回歸二庫(kù)，如不及時(shí)搶險(xiǎn)封堵，還會(huì)危及附近農(nóng)牧民生命財(cái)產(chǎn)安全和218國(guó)道安全。為保證大西海水庫(kù)安全度汛，需對(duì)大西海水庫(kù)一庫(kù)泄洪閘后左岸0+000～2+933段輸水堤進(jìn)行改建。

1 現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題

1.1 輸水堤現(xiàn)狀

目前，該河段左岸已經(jīng)修建有輸水堤，但是由于堤頂高程較低，多年來(lái)，在洪水季節(jié)有決口和漫溢的地方由塔里木水管處組織人力臨時(shí)填筑的堤防進(jìn)行防護(hù)。但臨時(shí)填筑的堤防沒(méi)有經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，沒(méi)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，往往是打補(bǔ)丁的方式，不能從根本上解決問(wèn)題。

1.2 存在的主要問(wèn)題

岸頂超高不足，沿線大部分高程不能滿足一庫(kù)泄洪閘的最大設(shè)計(jì)流量，容易產(chǎn)生決口，造成潰堤；修建多年的堤防堤身容易產(chǎn)生滲透、在彎道處沖刷和受洪水頂沖嚴(yán)重，影響堤身安全。

2 項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地處塔里盆地東南部，區(qū)域上由北至南依次可分為孔雀河斜坡、英蘇坳陷、沙漠低隆、塔南隆起、民豐－若羌坳陷等次級(jí)構(gòu)造單元。項(xiàng)目區(qū)出露地層主要為第四系沖洪積物和風(fēng)積物，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)主要由粉砂、粉細(xì)砂組成，地表2 m～4 m范圍內(nèi)夾0.2 m～1.2 m薄層湖沼沉積物，以淤泥質(zhì)為主，呈帶狀（東西向）透鏡體分布，不連續(xù)，局部地表至4 m范圍內(nèi)夾0.5 m～1.0 m厚的壤土，呈透境體狀，部分地段可起到一定的防滲作用。滲透系數(shù)K=2.34×10-3cm/s～8.45×10-3cm/s。

項(xiàng)目區(qū)表層0.5 m～2.5 m以砂壤土為主，局部為壤土及細(xì)砂，滲透系數(shù)K=1.68×10-3cm/s左右，庫(kù)區(qū)2.5 m～15.0 m范圍內(nèi)以粉細(xì)砂為主，局部夾有壤土透鏡體，滲透系數(shù)K=8.04×10-3cm/s左右，屬中等透水層。

3 工程總體布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和防護(hù)對(duì)象確定，輸水堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計(jì)洪水洪峰流量100 m3/s，設(shè)計(jì)堤段長(zhǎng)度2943 m堤頂寬4 m。

（1）方案一：在原輸水堤后空地上新建輸水堤

堤防采用土料填筑，新建輸水堤長(zhǎng)度2933 m，輸水堤橫斷面為梯形斷面，頂寬4 m，輸水堤迎水面邊坡為1∶2、背水面邊坡達(dá)到1∶1.5，滿足邊坡穩(wěn)定要求，輸水堤填高約為2 m，堤頂高程為852.0 m，而大西海子水庫(kù)庫(kù)容9857萬(wàn)m3時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為849.57 m，因此新建輸水堤防堤頂高程可以滿足防洪要求，同時(shí)為滿足防汛、管理等要求，設(shè)計(jì)輸水堤堤頂可以兼做管理道路，道路寬度為4 m。方案一橫斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 方案一（原防洪堤后空地上新建防洪堤）橫斷面圖

方案一工程量及估算見(jiàn)表1。

表1 方案一工程量估算表

（2）方案二：在原輸水堤后等高線為850.0處新建輸水堤

堤防采用土料填筑，新建輸水堤長(zhǎng)度3150 m，輸水堤橫斷面為梯形斷面，頂寬4 m，輸水堤迎水面邊坡為1∶2、背水面邊坡達(dá)到1∶1.5，滿足邊坡穩(wěn)定要求，輸水堤高度2.0 m，輸水堤高程達(dá)到852.0 m，滿足防汛要求，同時(shí)為滿足防汛、管理等要求，設(shè)計(jì)輸水堤堤頂可以兼做管理道路，道路寬度為4 m。方案二橫斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 方案二（在原防洪堤后等高線約為850.0處新建防洪堤）橫斷面圖

方案二工程量及估算見(jiàn)表2。

表2 方案二工程量估算表

（3）方案三：對(duì)原輸水堤加高+護(hù)岸防護(hù)

堤防采用土料填筑，加高輸水堤長(zhǎng)度3008 m，輸水堤橫斷面為梯形斷面，頂寬為現(xiàn)狀堤頂寬度，輸水堤迎水面、背水面邊坡與現(xiàn)狀坡度齊平，滿足邊坡穩(wěn)定要求，輸水堤加高1 m左右。由于現(xiàn)狀輸水堤上有幾處淘刷嚴(yán)重，內(nèi)邊坡垮塌，對(duì)輸水堤的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，故需要對(duì)這幾處進(jìn)行護(hù)岸加固，加固長(zhǎng)度約為200 m，護(hù)岸防護(hù)主要采取拋石+格賓籠護(hù)砌，水下部分為拋石，水上部分為格賓籠護(hù)砌。同時(shí)為滿足防汛、管理等要求，設(shè)計(jì)輸水堤堤頂可以兼做管理道路，道路寬度為4 m。方案三橫斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 方案三（對(duì)原防洪堤加高+護(hù)岸防護(hù)）橫斷面圖

方案三工程量及估算見(jiàn)表3。

表3 方案三工程量估算表

（4）方案四：對(duì)原有老河道進(jìn)行清淤疏浚

首先把現(xiàn)狀出水口進(jìn)行封堵，以免洪水來(lái)時(shí)對(duì)一庫(kù)泄洪閘的安全與穩(wěn)定造成威脅，其次在二庫(kù)老河道進(jìn)水口的位置重新開(kāi)挖出水口，并且對(duì)老河道下游進(jìn)行清淤疏浚，清淤疏浚長(zhǎng)度約為1450 m，具體位置見(jiàn)平面布置圖。清淤疏浚老河道的橫斷面要滿足過(guò)流能力，斷面為梯形斷面，內(nèi)邊坡系數(shù)為1∶2.0。方案四橫斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 方案四（對(duì)原有老河道進(jìn)行清淤疏浚）橫斷面圖

方案四工程量及估算見(jiàn)表4。

表4 方案四工程量估算表

通過(guò)方案比較，方案四不確定性較大，由于塔里木河泥沙含量較多，淤積的風(fēng)險(xiǎn)較大，而且目前河道里面有水，施工難度大。方案二、方案三投資相當(dāng)，差距不是很大，而方案二新建輸水堤選線較為困難，而且是曲線，如果堤頂作為管理道路時(shí)，不順直，行車不方便。方案三由于下段過(guò)水?dāng)嗝孑^小，加上洪水在彎道處對(duì)堤頂?shù)捻敍_較大，洪水對(duì)岸坡的沖刷嚴(yán)重，很容易導(dǎo)致輸水堤邊坡垮塌，而方案一在老輸水堤后面新建輸水堤，擴(kuò)寬了過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，保證了足夠的過(guò)水流量，同時(shí)輸水堤選線較為平直，且投資最少，因此本項(xiàng)目推薦選擇方案一，即為在原輸水堤后空地上新建輸水堤。

4 主要建筑物設(shè)計(jì)

4.1 輸水堤堤頂超高計(jì)算

護(hù)岸頂超高計(jì)算：

式中：Y為護(hù)岸頂超高，m；R為設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度，m；A為安全加高，m，按5級(jí)堤防取0.5 m；K為綜合摩阻系數(shù)，可取K=3.6×10-6；V為計(jì)算風(fēng)速，m/s，根據(jù)水文氣象資料，項(xiàng)目區(qū)多年平均最大風(fēng)速為28 m/s。項(xiàng)目區(qū)兩岸狹窄，風(fēng)對(duì)水面影響不大，因此直接采用風(fēng)速28 m/s。F為由計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離，m，取河道的寬度300 m；d為河道的平均水深，m；β為風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角，（°），項(xiàng)目區(qū)主要為東北風(fēng)，部分北風(fēng)，風(fēng)向夾角取45°；g為重力加速度，9.8 m/s2；Rp為累積頻率為P的波浪爬高，m；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型確定，取KΔ=0.78；KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)風(fēng)速V（m/s）、堤前水深d（m）、重力加速度g（m/s2）組成的無(wú)維量，取KV=1.3；Kp為爬高累積頻率換算系數(shù)；對(duì)不允許越浪的堤防，爬高累積頻率宜取2%，對(duì)允許越浪的堤防，爬高累積頻率宜取13%，本工程爬高累積頻率宜取2%；Kp取2.07。m為斜坡坡率，m=ctgα，α為斜坡坡角（°），m=1.75；H為堤前波浪的平均波高，m；L為堤前波浪的波長(zhǎng)，m。有關(guān)參數(shù)及堤頂超高計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，大西海水庫(kù)一庫(kù)泄洪閘后左岸堤防0+000～2+933段堤頂超高取為852-849.57=2.43 m。

4.2 沖刷深度計(jì)算

現(xiàn)采用兩種方法對(duì)設(shè)計(jì)沖刷深度進(jìn)行計(jì)算：

（1）水流平行于堤防堤防沖刷深度計(jì)算［1］：

式中相關(guān)參數(shù)取值和意義及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

（2）水流斜沖堤防沖刷深度采用下式計(jì)算［2］：

式中：Δhp為從河底算起的局部沖深，m；α為水流流向與堤防交角，（°）；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，m；Vj為水流的局部沖刷流速，m/s。

式中相關(guān)參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表5 輸水堤超高計(jì)算結(jié)果表

表6 水流平行于堤防時(shí)堤防沖刷深度

表7 水流斜沖堤防腳深度計(jì)算表

根據(jù)水流平行沖刷和斜沖刷計(jì)算的結(jié)果，防護(hù)段內(nèi)沖刷深度忽略不計(jì)。因此，本設(shè)計(jì)不考慮防沖設(shè)計(jì)。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，本堤防工程級(jí)別為5級(jí)，要求對(duì)應(yīng)的土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10，根據(jù)理正軟件計(jì)算穩(wěn)定，見(jiàn)圖5。

圖5 理正軟件穩(wěn)定計(jì)算圖

計(jì)算過(guò)程：堤壩設(shè)計(jì)高度：2.000 m，堤壩設(shè)計(jì)頂寬4.000 m，加載與堤壩竣工的間隔時(shí)間為1個(gè)月，穩(wěn)定計(jì)算不考慮地震力，穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)：給定圓心、半徑計(jì)算安全系數(shù)，圓心X坐標(biāo)：-2.000 m，圓心Y坐標(biāo)4.000 m，半徑2.000 m，條分法的土條寬度1.000 m，將相關(guān)參數(shù)輸入理正軟件，得出結(jié)果：滑動(dòng)安全系數(shù)為1.457，大于規(guī)范規(guī)定的1.10，所以堤防邊坡是穩(wěn)定的。

5 結(jié)語(yǔ)

大西海子水庫(kù)一庫(kù)泄洪閘后引水河道輸水堤多次發(fā)生漫堤和垮堤，項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)狀況復(fù)雜，河道泥沙多，易淤積，本文結(jié)合存在問(wèn)題和項(xiàng)目區(qū)實(shí)際，從經(jīng)濟(jì)科學(xué)和施工便捷的角度對(duì)堤防建設(shè)、測(cè)流斷面建設(shè)方案進(jìn)行探討，并對(duì)其穩(wěn)定性等進(jìn)行探討，可為工程安全順利實(shí)施提供科學(xué)支撐。