柯爾克夏克河防洪治理方案研究

李仁豪

（第九師聯拓勘測設計研究有限公司，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噶爾盆地邊緣，緊鄰一六八團和十連駐地，河流發源于塔爾巴哈臺山南緣，全長為8.5 km。主要由新疆建設兵團第九師一六八團境內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，根據現場實測，河道寬度在4～10 m 之間，現有防護工程主要為團場群眾修建的臨時土堤，防洪標準低，經過多年洪水侵蝕，已不具備防洪作用，汛期洪水淘刷河岸，導致岸體坍塌，淹沒道路，危及民房。河道內雜草叢生，淤積嚴重，存在大量生活垃圾，嚴重影響河道行洪。河流兩岸為農田和道路，隨著農業發展和道路擴建，河道逐年被侵占，汛期洪水漫堤，造成嚴重水土流失。當汛期洪水來臨時，會嚴重影響到周邊居民生命財產安全，亟需通過工程措施來增強防洪能力。

2 水文地質

2.1 水文特性

工程所處地區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 地質特征

項目區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，干強度低，韌性低，圓礫層砂以巖、凝灰巖為主，主要以中粗砂充填空隙，層厚2.20～10.30 m。

3 工程設計

3.1 工程規模及主要建設內容

該防洪工程治理長度為4 386 km，樁號4+114～8+500，主要工程任務為河道加寬、加設護岸工程。根據現狀河道地形、地質及寬度等因素，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、沿兩岸護砌。襯砌材料擬采用雷諾護墊、咬合式花磚護坡（結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項目沿線為一六八團團部和十連居民區，共有人口約3 000人，屬農村段，依據《防洪標準》[2]表4.3.1，防護等級為Ⅳ等、防洪標準為20～10 年，根據工程防護區人口相對較少，該工程選取防洪標準為10 年。

3.2 水力計算

1）工程全斷面襯砌段呈均勻順直的標準行洪斷面，水力計算應采用均勻流流態的計算公式：

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；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；h為水深，m；X為渠道濕周長，m。

分段推算后，計算結果見表1。

2）工程兩岸襯砌段多為呈多彎道的河道形式，天然橫斷面不規整，因此，應用《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；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。最終計算結果見表2。

表2 兩岸護砌段水力計算

3.3 沖刷深度計算

根據《堤防工程設計規范》[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，結合堤基地質資料，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，即抗沖刷的基礎埋設深度設為1.20 m。

3.4 襯砌厚度設計

工程主要襯砌方式為雷諾護墊，參考已建類似工程的建設經驗，確定雷諾護墊的填石厚度為23 cm。

3.5 抗凍脹設計

工程河道沿線表層存在粉土層，河底粒徑小于0.075 mm 的土粒質量不大于總質量的10%，根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》[5]可判定為非凍脹性土?？紤]到雷諾護墊具有較好的柔韌性和承受凍脹變形的能力，因此，用雷諾護墊做河底襯砌的河段只需在護墊下鋪設一層無紡布防止沖刷破壞，無需單獨考慮凍脹設計。護岸襯砌為花磚的河段，設計在花磚下鋪設15 cm的砂礫石墊層防凍脹。

3.6 護岸斷面及襯砌比選

根據以上計算結果，擬定4 種護岸形式。

1）方案一：矩形全斷面（雷諾護墊河底+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23 cm 厚雷諾護墊及400 g/m2無紡布，擋墻后側鋪設花磚路面，向臨河側設坡，坡度為2%，花磚下鋪設15 cm 砂礫石墊層防凍脹。

優點：占地面積小，對兩岸已有工程和設施影響小，已建設施拆除和樹木砍伐量小。

缺點：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 厚雷諾護墊及400 g/m2無紡布進行襯砌，岸坡坡比為1∶1.5，坡后鋪設花磚路面，向臨河側設坡，坡度為2%，花磚下鋪設15 cm 砂礫石墊層防凍脹。

優點：對兩岸已有設施影響小，對河道兩岸和河底有保護沖刷的作用；一段時間后，雷諾護墊表面可生長草本植物，與自然環境相協調。

缺點：襯砌工程量大，造價高。

3）方案三：梯形全斷面（雷諾護墊河底+花磚岸坡岸頂）

渠深1.50 m，左右岸坡和岸頂以花磚鋪設，河底用23 cm 厚雷諾護底及400 g/m2無紡布進行襯砌，岸坡河底交接處設置0.5 m 寬阻滑墻。

優點：既保證河底有沖刷保護，又能滿足居民休閑娛樂需求，通過花磚鋪設，增加岸坡設計感。

缺點：只適用于兩岸有居民區的河段。

4）方案四：兩岸襯砌（花磚岸坡岸頂）

左右岸以花磚鋪設，以1∶1.5 坡比沿現有岸坡下挖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澆混凝土板襯砌，其中混凝土板采用C30、抗凍等級F250 設計，厚度為10 cm，下方鋪設20 cm 厚砂礫石墊層，并在岸坡與河底連接處設置0.50 m 寬阻滑墻。坡后鋪設花磚路面，向臨河側設坡，坡度為2%，花磚下鋪設15 cm 砂礫石墊層防凍脹。

優點：與現狀河道的岸線高度擬合，可以適應兩岸現狀不對稱的河道，較寬河道處工程投資較前兩種小。

缺點：對河底沖刷無保護作用，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狀情況，工程采取4種防護形式相結合的施工方案，即：現狀河底大于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

選取護岸頂高程最高的5+400 斷面作為典型斷面，進行滲流和抗滑穩定性計算。5+400 處為礫粉土質，根據經驗確定護岸堤身土發生滲透變形的允許水力比降為0.5，具體參數選擇見表3。

表3 滲流計算參數選取表

經計算，外壩坡水力比降為0.112，單寬滲流量為0.013 91 m3/(d·m)，滿足滲透穩定要求。

3.8 抗滑穩定性計算

結合工程堤身特點，擬堤身整體穩定和雷諾護墊護坡穩定兩種情況進行驗算。

根據《堤防工程設計規范》，工程選取穩定滲流期的下游壩坡、河道水位降落期的上游堤坡、正常運用遇地震的下游堤坡進行穩定計算。

抗滑穩定計算采用瑞典圓弧滑動法計算抗滑安全系數K，計算公式：

式中：C′，φ′為圖的抗剪輕度指標，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。因堤身和地基土質相同，因此，采用相同的土質物理力學特性：重度18.3 kN/m3，飽和重度21.6 kN/m3，粘聚力25 kPa，內摩擦角24°。

經計算，水位降落期，臨水面最小安全系數為1.20，大于規范允許最小安全系數1.05；穩定滲流期，背水面最小安全系數為1.36，大于規范允許最小安全系數1.15；正常運用遇地震，背水面最小安全系數為1.29，大于規范允許最小安全系數1.15，因此滿足穩定性要求。

4 結語

柯爾克夏克河第九師一六八團段，現有防洪工程設施簡陋，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，也嚴重影響一六八團城鎮面貌。采用矩形全斷面+雷諾護墊河底+混凝土直墻、梯形全斷面+雷諾護墊河底岸坡+花磚岸頂、梯形全斷面+雷諾護墊河底+花磚岸坡岸頂、兩岸襯砌+花磚岸坡岸頂4 種斷面形式對現有防洪工程進行岸坡整治，并確保設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、景美的水美鄉村，增強廣大人民群眾的安全感、幸福感、獲得感。