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        柯爾克夏克河防洪治理方案研究

        2024-02-26 02:49:24李仁豪
        東北水利水電 2024年2期
        關(guān)鍵詞:工程

        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。

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