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        燈塔市渾河段堤防維修養(yǎng)護工程設(shè)計分析

        2022-10-13 01:06:42
        黑龍江水利科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:工程設(shè)計

        趙 勇

        (遼寧省燈塔市防汛抗旱河務(wù)服務(wù)中心,遼寧 燈塔 111300)

        1 渾河河道現(xiàn)狀

        燈塔市境內(nèi)有渾河、太子河及其支流等20條河流,總長310.54km2,甜水嶺、古樹子、銀匠、葠窩水庫分布其間。渾河發(fā)源于撫順市東部,自東向西流經(jīng)清原、新賓、撫順、沈陽、遼中、燈塔、遼陽縣、臺安、海城、大洼、大石橋、營口等縣市后注入遼東灣,河流全長415km,既是水資源最豐富的的內(nèi)河又是獨立入海河流。渾河流域面積2.5萬km2,屬于不對稱水系,東側(cè)支流密集而西側(cè)支流較少,年徑流量50~70億m3。

        近年來,隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快及人口規(guī)模的擴大,境內(nèi)具有滯洪與儲存功能的池塘、濕地、湖泊逐漸消失,河道被侵占問題突出,加之熱島效應(yīng)、環(huán)境破壞大大增強了區(qū)域降水強度和頻度。境內(nèi)河流大多具有河床窄、坡降大、流速快、洪峰持續(xù)時間短、洪水暴漲暴落、洪枯水位變差大等特征,河道防洪標(biāo)準低,普遍缺乏全流域的水土保持和全河道的生態(tài)保護、河湖治理、防洪規(guī)劃,洪澇災(zāi)害嚴重。此外,地表硬化和植被減少加速了雨洪匯流,使得河道水流和流量的不可控性顯著增大,河水沖刷侵蝕河床、河岸作用明顯增強,城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)。

        本次以燈塔市渾河一段8.58km的堤防工程為例,該河段行洪斷面狹窄、河內(nèi)泥沙淤積、河岸雜草叢生;由于沒有防護措施現(xiàn)有部分堤段受水流沖刷形成片坡、陡坎,堤防安全受到潛在威脅,汛期來臨時,在高洪水位和強降雨沖刷作用下堤防管涌、內(nèi)外坡滑坡甚至潰堤等現(xiàn)象時有發(fā)生,對沿岸良田、果樹、民房等造成沖擊,給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和群眾生命財產(chǎn)安全帶來巨大損失。因此,為保障沿岸群眾、耕地和民房安全,必須對壩炕、堤防、河道等實行綠化修復(fù)、防護和清淤疏浚,不斷增強流域防洪能力,為區(qū)域防洪安全和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展提供可靠保障[1-2]。

        2 堤防維修養(yǎng)護工程設(shè)計

        2.1 堤頂高程設(shè)計

        依據(jù)設(shè)計洪水位加堤頂超高和設(shè)計規(guī)范有關(guān)要求合理[3],合理計算堤頂高程,合理確定堤頂設(shè)計高程,以風(fēng)壅水面高加風(fēng)浪爬高加安全超高作為堤頂超高Y,其計算公式為:

        Y=A+e+R

        (1)

        式中:A、e為設(shè)計風(fēng)壅增高(m)和風(fēng)浪爬高(m),一般不考慮A值;R代表安全超高(m),不允許越浪條件下取0.5m。其中,風(fēng)浪因素的計算公式如下:

        (2)

        (3)

        波長L利用平均波周期按以下流程計算確定:依據(jù)工程級別查《堤防工程設(shè)計規(guī)范》確定安全加高A,該堤防工程設(shè)計等級為5級,在不允許越浪的條件下安全加高A取0.5m,并利用下式計算波浪爬高[4],即:

        (4)

        結(jié)合設(shè)計規(guī)范,單一斜坡上的正向波受風(fēng)直接作用條件下,可以利用下式計算波浪爬高Rp,具體如下[5]:

        (5)

        表1 各河段堤頂高程設(shè)計表 m

        2.2 護砌厚度與塊石粒徑

        1)護砌厚度。堤防護坡設(shè)計選用干砌石,干砌石護坡厚度t利用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》推薦的公式計算確定[6],即:

        (6)

        式中:K1為干砌石護坡系數(shù),文中取0.266;γ為水的容重,10.0kN/m3;γb為石頭的容重,26.5kN/m3;H為計算波高(m),d/L≥0.125時應(yīng)取H4%,d/L<0.125時則取H13%,其中d為岸坡前或堤前水深,m;l為波長,m。

        2)塊石粒徑。采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》推薦的公式計算塊石粒徑,其表達式為:

        (7)

        式中:d為塊石折算直徑,m;V為水流速度,m/s;g為加速度,m/s2;C為塊石運動穩(wěn)定系數(shù),傾斜坡底取0.9;γ為水的重率,1.0g/cm3;γs為石塊的重率,2.65g/cm3。

        2.3 無紡布規(guī)格

        無紡布的規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)在很大程度上決定了干砌石護坡的耐久性、穩(wěn)定性,因此護坡反濾層設(shè)計時必須選用質(zhì)量優(yōu)異的無紡布[7-8]。結(jié)合設(shè)計資料和工程實際,本工程擬選用聚酯長絲紡粘針刺無紡布作為反濾層,其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

        表2 無紡布技術(shù)指標(biāo)

        2.4 沖刷深度計算

        1)平行向沖刷。平行于岸坡水流所引起的沖刷深度利用規(guī)范推薦的公式確定,即:

        hs=H0×[(Ucp/Uc)n-1]

        (8)

        2)垂直向沖刷。垂直于岸坡水流所引起的沖刷深度利用規(guī)范推薦的公式確定,即:

        hB=hp×[(Vcp/V允)n-1]

        (9)

        式中:hB為沖刷深度,m;hp為該處水深,m,其中hp取設(shè)計水位最大深度;Vcp為近岸垂線平均流速,m/s;V允為允許不沖流速,m/s,其中Vcp=V×2η/1+η,V為行進流速,η為流速不均勻系數(shù),按岸坡與水流流向的夾角α查表取1.0;n代表系數(shù),取0.25。

        3)設(shè)計最大沖刷深度。將各項沖刷深度按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》分別進行計算,設(shè)計要求取值范圍處于0.70-1.15m。通過與沿線村屯居民、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站和河道管理處的溝通,該河段歷年沖刷深度平均值均在1.2m以下[9-10]。綜合考慮實際情況和設(shè)計要求,確定最終的沖刷深度為1.0m和1.2m,將綠格網(wǎng)箱護腳埋深分別取1.0m和1.2m。

        2.5 擋墻穩(wěn)定計算

        采用北京理正水工擋土墻穩(wěn)定計算公式確定抗滑穩(wěn)定系數(shù),經(jīng)計算該堤防工程的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.42,符合>1.20的規(guī)范規(guī)定要求。因此,可以認為燈塔市渾河段漿砌石擋墻能夠達到穩(wěn)定安全要求,其計算式為:

        (10)

        式中:μ為地基與擋墻基底面的摩擦系數(shù),文中取0.4;∑G為作用于擋墻上的所有垂直荷載值;Pw代表基底面平行的滑動力。

        2.6 綠格網(wǎng)箱設(shè)計

        1)網(wǎng)箱材料。采用廠家生產(chǎn)的成品網(wǎng)箱現(xiàn)場組合而成的綠格網(wǎng)箱,經(jīng)防腐處理制成矽膠涂塑鍍鋅鋼絲,將水、空氣與金屬隔絕以防止其氧化生銹。

        2)網(wǎng)箱規(guī)格。護岸綠格網(wǎng)箱的長為4.0m,寬1.0m-2.0m,高0.7m-1.0m,干砌石護腳網(wǎng)箱的長4.0m,寬0.8m或1.0m,高1.0m或1.2m。

        3)網(wǎng)絲規(guī)格。矽膠涂塑后網(wǎng)絲轉(zhuǎn)變成Φ3.5mm,網(wǎng)孔尺寸120mm×100mm,原Φ3.2mm邊絲轉(zhuǎn)變成Φ4.2mm。

        4)力學(xué)性能。矽膠涂塑鋼絲的斷裂伸長率>10%,抗拉強度>400MPa,其外覆聚酯膜的斷裂延伸率>180%,抗拉強度>220MPa。

        2.7 橋涵維修工程

        1)工程標(biāo)準。橋涵維修工程主要是村級道路跨河建筑物,涵洞和車橋設(shè)計洪水頻率為10a一遇,設(shè)計荷載滿足Ⅱ級公路要求。

        2)結(jié)構(gòu)設(shè)計。依據(jù)《小橋涵標(biāo)準圖集》確定橋涵工程結(jié)構(gòu),驗算不考慮。

        3)主要材料。臺帽、橋墩混凝土等級為C25,防撞墻、行車道板混凝土等級為C30;護底、護坡、墻體水泥砂漿選用M10;直徑Φ≥10mm和直徑Φ<10mm的選用HRB335、HRB235級鋼,相關(guān)技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范要求。

        4)橋涵過流能力驗算。新建橋涵5座,由暴雨形成流域洪水,采用經(jīng)驗公式計算匯水面積不超過10km2的設(shè)計洪水Q(m3/s),即:Q=KFn,其中K為徑流系數(shù);F為匯水面積,km2;n為地區(qū)指數(shù),F(xiàn)<1.0km2時n取1.0,1.0km2≤F<10.0km2時n取1.0。

        3 結(jié) 論

        防洪工程不僅關(guān)系著區(qū)域防洪安全和農(nóng)田灌溉用水,而且涉及環(huán)境保護與經(jīng)濟社會穩(wěn)定,在保證防洪安全的情況下充分發(fā)揮堤防工程效益,可為促進經(jīng)濟、資源和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展提供可靠保障。燈塔市渾河段堤防工程面臨著復(fù)雜的形勢,本次維修養(yǎng)護與沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪安全、生態(tài)環(huán)境保護及生產(chǎn)生活密切相關(guān),加強堤防維修養(yǎng)護,對于提高流域防洪標(biāo)準具有重要意義,這也符合水利工程“強監(jiān)管、補短板”的總基調(diào)。

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