漆輝駿 劉阿隆

(四川大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610044)

1 工程背景

根據(jù)我國最新出臺(tái)的“十四五”水利規(guī)劃，我國需要大量開展河道的防洪治理工程建設(shè)，顯著提高河流防洪能力水平，從而達(dá)到減少山洪災(zāi)害威脅的目的[1-3]。某流域?qū)僦衼啛釒貪櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，暴雨發(fā)生次數(shù)較多，暴雨歷時(shí)長、強(qiáng)度大。洪水過程線以單峰為主，復(fù)峰較少，受區(qū)域年際氣候變化，洪水年際變化較大。該河道流域夏秋多雨，暴雨集中，每年都有不同程度的洪澇災(zāi)害，每到汛期，交通因暴雨洪水而中斷,基礎(chǔ)設(shè)施、工礦企業(yè)、居民點(diǎn)等不同程度受損。頻繁發(fā)生的洪澇災(zāi)害直接制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，如何合理提升當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)水平顯得尤為重要。鑒于此，有必要及時(shí)開展該河道的防洪治理工程建設(shè)，從而保障當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓?cái)產(chǎn)安全。

該河道防洪治理工程位于A縣城河道下游，主要保護(hù)縣城某鎮(zhèn)場鎮(zhèn)建筑物及部分郊區(qū)農(nóng)田。根據(jù)設(shè)計(jì)方案顯示，該工程堤防均布置在河道左右兩岸。由于當(dāng)?shù)睾拥赖匦渭鞍哆吔ㄖ锏南拗?，同時(shí)考慮到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，擬建防洪堤的堤身采用了當(dāng)?shù)啬雺菏逼率降谭篮秃庵負(fù)鯄?fù)合式堤防2種類型，堤高一般在6～8m，水利工程水工建筑物級(jí)別為5級(jí)。

2 工程基本水文條件

本次設(shè)計(jì)收集到水文站1974—2010年共37a的水位流量觀測資料，該站水尺設(shè)置正規(guī)，水尺零點(diǎn)高程引測、校核均符合《水文測驗(yàn)規(guī)范》，經(jīng)復(fù)核，測站的測驗(yàn)設(shè)備和測驗(yàn)精度均較好，所觀測的水文流量，資料可靠、系列精度高，資料經(jīng)多次水利工程設(shè)計(jì)引用，能滿足本工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算要求。

工程控制流域?qū)偾鹆陞^(qū)。流域內(nèi)洪水主要由暴雨形成。流域?qū)僦衼啛釒貪櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)水文站實(shí)測資料分析，洪峰持續(xù)時(shí)間1～2h，洪水過程線以單峰為主，復(fù)峰較少，受區(qū)域年際氣候變化，洪水年際變化較大。記載有1893年、1933年和1956年的調(diào)查歷史洪水資料，洪峰流量分別為2070m3·s-1、1730m3·s-1、2660m3·s-1；水文實(shí)測有1974年和1981年2次特大洪水。該地區(qū)歷史洪水調(diào)查成果見表1。

表1 水文站歷史洪水整編成果表

鑒于本流域歷史洪水資料缺乏，歷史洪水考證期到1893年，但可靠程度一般，因此本次從1956算起，至2010年，考證期為54a。經(jīng)分析，按不連續(xù)系列公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，求得該站年最大洪峰流量，見表2。

表2 水文站年最大流量頻率計(jì)算成果表

水文站控制斷面以上集水面積為2740km2，工程河段以上集水面積761km2，將水文站設(shè)計(jì)洪水成果以面積比的2/3次方移用至工程河段。通過采用水文比擬法和推理公式法對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行比較，推求防洪治理工程設(shè)計(jì)洪水成果見表3。

表3 防洪治理工程設(shè)計(jì)洪水成果比較表

從表3可以看出，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下推理公式法所推求設(shè)計(jì)洪水值較水文比擬法所求設(shè)計(jì)洪水值相差較大，2a一遇洪水時(shí)成果基本一致，分別為421m3·s-1和443m3·s-1。如，當(dāng)P=2%時(shí)，水文比擬法計(jì)算的洪水值為1107m3·s-1，而推理公式法計(jì)算的洪水值為2160m3·s-1，相差了接近1倍。

經(jīng)分析，水文站洪水不能反映工程斷面設(shè)計(jì)洪水。同時(shí)，結(jié)合小流域產(chǎn)匯流條件和降雨特征，推理公式法能更好地反映小流域的產(chǎn)流特征，其結(jié)果比水文類比法更可靠。從工程安全角度考慮，本工程采用推理公式法計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)值。

3 堤基沖刷深度計(jì)算分析

結(jié)合以上工程水文條件，設(shè)計(jì)本堤防工程背坡填筑坡比1∶1.75，坡腳處設(shè)置沿堤線方向的縱向排水溝匯集保護(hù)區(qū)內(nèi)的坡面雨水，排水溝采用矩形橫斷面。根據(jù)工程河段水文、地質(zhì)條件，結(jié)合堤防的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防洪堤以及護(hù)岸基礎(chǔ)的埋置深度主要取決于堤岸沖刷深度和地基承載力等因素[4]。本工程部分河段為順?biāo)鞫?，部分河段為水流頂沖或斜沖河段。堤岸沖刷深度計(jì)算公式[5-7]：

(1)

(2)

式中，hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處水深，m；Ucp為近岸平均流速，m·s-1；Uc為泥沙啟動(dòng)流速，m·s-1；n=1/6；η為不均勻系數(shù)。

工程河段為黏性與砂質(zhì)河床，啟動(dòng)流速Uc采用張瑞瑾公式計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(3)

式中，d50為床沙的中值粒徑，m，根據(jù)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)成果本次取0.026m；γs、γ為泥沙與水的容重，kN·m-3。

經(jīng)過上述公式進(jìn)行沖刷計(jì)算，發(fā)現(xiàn)堤防興建后，各計(jì)算斷面的沖刷深度介于1.75～3.38m。而且大部分沖刷深度在2m以上，小于2m的斷面較少。其中，沖刷深度最大處出現(xiàn)在斷面JCS06處，最大沖刷深度為3.38m；沖刷深度最小處出現(xiàn)在斷面MCS02處，最小沖刷深度為1.75m。具體計(jì)算結(jié)果見表4，計(jì)算成果包括行進(jìn)流速、近岸平均流速以及沖刷深度和沖刷處的水深。

進(jìn)一步分析表4可以看出，沖刷深度最大處出現(xiàn)在斷面JCS06處，此處的近岸平均流速達(dá)到3.51m·s-1，對(duì)應(yīng)的最大沖刷深度為3.38m。根據(jù)本工程各斷面的沖刷深度，建議所有建基面均置于沖刷線以下0.5～1m，能夠滿足防沖要求。此外，本工程現(xiàn)澆砼面板碾壓石渣料斜坡式的齒墻和復(fù)合式堤的衡重式擋墻基礎(chǔ)均需置于強(qiáng)風(fēng)化層基巖上，堤防修建時(shí)必須清除其表層腐殖土及淤泥部分。其中復(fù)合式堤的衡重式擋墻基礎(chǔ)地基承載力應(yīng)大于0.3MPa?，F(xiàn)澆砼面板碾壓石渣料斜坡式齒墻以上采用大塊石回填至原河床高程。衡重式擋墻基坑臨河側(cè)要求回填至原河床高程，采用碾壓石渣料回填和大塊石護(hù)腳。

表4 防洪治理工程沖刷深度計(jì)算成果表

4 堤防堤身滲流計(jì)算分析

本工程為中強(qiáng)透水地基，根據(jù)堤身斷面設(shè)計(jì)，堤基滲漏是影響該段堤滲流穩(wěn)定的主要問題。因此，有必要復(fù)核計(jì)算該防洪堤堤身的滲漏量，從而保證堤身達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，選取該防洪治理工程右岸堤防典型斷面做為滲流計(jì)算的控制斷面。根據(jù)GB50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，采用附錄E《滲流計(jì)算》方法進(jìn)行滲流計(jì)算[8]。本次滲流計(jì)算采用計(jì)算公式如下[9-12]：

(4)

(5)

(6)

式中，q為單位寬度滲流量，m3·s-1·m-1；k為堤身滲透系數(shù)，m·s-1；H1為上游水位，m；H2為下游水位，m；h0為下游出逸點(diǎn)高度，m；m1為上游坡坡率；m2為下游坡坡率；L為上游水位與上游堤坡交點(diǎn)距下游堤腳或排水體上游端部的水平距離，m；ΔL為上游水位與堤身浸潤線延長線交點(diǎn)距上游水位與上游堤坡交點(diǎn)的水平距離，m；L1為滲流總長度，m；y為浸潤線上任意一點(diǎn)距下游堤腳的垂直高度，m；x為浸潤線上任意一點(diǎn)距出逸點(diǎn)的水平距離，m。

防洪堤堤身滲流計(jì)算參數(shù)：堤身回填的石渣推薦的滲透系數(shù)k=2.0×10-4cm·s-1；堤基粉質(zhì)壤土推薦的滲透系數(shù)：k=3.2×10-5cm·s-1。計(jì)算工況選取臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位和臨水側(cè)洪水降落時(shí)2種工況。參照同類工程，碾壓石渣堤身滲透系數(shù)取2.0×10-4cm·s-1，堤基土層滲透系數(shù)取3.2×10-5cm·s-1。經(jīng)計(jì)算，石渣堤身的最大滲透比降為0.07，小于石渣料的允許比降0.15，最大單寬滲流量為1.02×10-4m3·s-1·m-1，說明滲漏問題基本不存在。

由上述計(jì)算成果可以看出，雖然該防洪堤堤身滲透系數(shù)k≤10-3cm·s-1。由《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50286-2013)》附錄E.6，計(jì)算得0.1

5 結(jié)論

本文首先對(duì)A縣某防洪治理工程的基本水文條件進(jìn)行了闡述，并經(jīng)過方案比較，推薦采用推理公式法計(jì)算成果作為堤防設(shè)計(jì)的使用值，之后分別對(duì)設(shè)計(jì)方案中防洪堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沖刷深度計(jì)算和堤防滲流計(jì)算分析，結(jié)合計(jì)算結(jié)果和綜合分析比較得到以下結(jié)論。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下推理公式法所推求設(shè)計(jì)洪水值較水文比擬法所求設(shè)計(jì)洪水值相差較大，從工程安全角度考慮，本工程采用推理公式法計(jì)算成果作為設(shè)計(jì)使用值。

堤防興建后，各計(jì)算斷面沖刷深度為1.75～3.38m，其中沖刷深度最大處出現(xiàn)在斷面JCS06處，最大沖刷深度為3.38m。建議所有建基面均置于沖刷線以下0.5～1m，從而滿足防沖要求。此外，建議復(fù)合式堤的衡重式擋墻基礎(chǔ)地基承載力應(yīng)大于0.3MPa，衡重式擋墻基坑臨河側(cè)要求回填至原河床高程，采用碾壓石渣料回填和大塊石護(hù)腳。

該堤防工程典型斷面滲流計(jì)算結(jié)果顯示，石渣堤身滲透比降僅為0.07，遠(yuǎn)小于石渣料的允許比降0.15，而單寬滲流量為1.02×10-4m3·s-1·m-1，說明滲漏問題不明顯。

以上相關(guān)計(jì)算結(jié)果及結(jié)論驗(yàn)證了本堤防結(jié)構(gòu)的堤基防沖設(shè)計(jì)和堤身抗?jié)B設(shè)計(jì)是合理可行的。