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茶阳镇洪涝灾害与防洪提升建设方案分析

2024-12-20 71 上传者：管理员

摘要：以广东省梅州市大浦县茶阳镇为研究对象,针对该地区目前存在的防洪工程标准偏低问题,进行洪水计算,推求该段设计洪峰流量,通过堤线比选、堤防高度、冲刷深度等方面综合设计分析,分别提出汀江和小靖河堤防结构形式,并对设计堤防进行渗透稳定和抗滑稳定计算,可为类似工程设计提供一定的参考。

关键词：
堤防设计
广东省
洪水计算
茶阳镇
防洪提升
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1、工程概况

项目所在地为广东省梅州市大埔县下辖的茶阳镇, 境内有汀江､小靖河两条主要河流 , 河流交汇后经汀江流入三河｡茶阳镇辖区面积 288.81 km2, 目前城区人口 2.26 万人 , 规划至2034 年全镇总人口为 6.55 万人｡目前汀江堤围为土堤 , 经多年运行破损严重 , 小靖河堤围大都为浆砌石挡墙 , 防洪标准均不到 2 年一遇 [1]｡汀江上游建有棉花滩水库 , 距离茶阳镇 23 km, 水库库容 20.35 亿 m3, 主､次汛期分别按固定流量5210 m3/s 和 4400 m3/s 进行调度｡本项目旨在提高汀江干流､小靖河镇区段防洪堤防洪标准 , 按照《防洪标准》和《水利水电工程等级划分及洪水标准》, 本项目工程等别为Ⅳ等 , 防洪标准为 20 年一遇｡工程内容包括新汀江堤防 720.95 m, 新建小靖河堤防 725.6 m｡

2、洪水计算

2.1 代表站选取及径流情况

汀江干流距离茶阳镇6 km 处有溪口水文站 , 该站建于1958 年 , 流域控制面积 9228 km2, 占汀江茶阳镇断面以上集水面积的 99.8%, 水文站资料系列为 1959 年 ~2019 年｡小靖河流域内有古村雨量站 , 建于 1981 年 , 隶属广东省水文局 ,资料收集可靠｡本次选取溪口水文站作为水文计算的参证站 ,古村雨量站作为设计暴雨计算参证站｡根据溪口水文站资料显示 , 多年平均流量为 282.30 m3/s, 年径流总量 89.03 亿 m3｡年径流集中在 4 月 ~9 月｡

2.2 设计洪水

本次以溪口水文站作为水文参证站, 考虑上游棉花滩水库的调蓄影响后 , 计算溪口水文站设计洪水 , 然后采用面积比指数搬家法推求汀江干流各个断面的设计洪水｡小靖河则根据广东省暴雨径流计算手册采用综合单位线法确定控制断面设计洪水｡

天然降水形成洪水:依据《韩江流域综合规划》成果 ,已对溪口水文站设计洪水进行了计算 , 本次计算降溪口水文站 1959 年 ~2019 年的年最大洪峰系列按不连序系列公式排频 , 采用 P-III 曲线确定参数 , 计算成果经与综合规划成果对比显示 , 成果偏小 , 出于安全考虑 , 本项目仍旧采取《韩江流域综合规划》成果｡成果对比见表 1｡

表1 溪口水文站天然设计洪水计算成果对比表

上游水库调蓄后的洪水:洪水共有两种情形 ,A 种是棉花滩水库与溪口水文站发生同频洪水 , 区间发生相应洪水;B 种是水库与水文站区间与水文站发生同频洪水 , 水库发生相应洪水｡其中 A 种情况的设计洪水采用《福建省汀江永定(棉花滩)水电站分期洪水分析报告》的既定成果 , 结合棉花滩水库调洪原则 , 推求出 A 种情形下的设计洪水 , 见表 2｡

B 种情形下 , 水库与水文站区间的同频洪水可根据溪口水文站设计洪水成果采用面积比指数搬家法计算 , 指数取0.67, 计算结果见表 3｡

表2 A 种情形下溪口水文站设计洪水成果表

表3 B 种情形下溪口水文站设计洪水成果表

取两种情形下洪水外包线成果作为溪口水文站设计洪水, 经面积比指数搬家法推求可得汀江干流茶阳镇断面设计洪水及典型桩号断面的设计洪水 , 见表 4｡

小靖河设计洪水采用综合单位线法, 通过查询《广东省暴雨径流查算手册》可得 , 见表 4｡

表4 汀江茶阳镇断面及典型桩号断面设计洪水成果表

3、堤防设计

3.1 堤线比选

3.1.1 汀江堤线比选

方案一:新建堤围 , 距离原堤围 0~180 m, 保证堤防新建后汀江河道宽度在 300 m~350 m 之间｡优点:工程占地小 ,交通顺直 , 对居民影响小 , 堤线长度 721 m｡缺点:遇 20 年一遇洪水时 , 水位增加 0.14 m｡

方案二:沿用原堤线 , 对现有堤防加高培厚｡优点:对汀江水位无影响｡缺点:工程占地比方案一多 20%, 堤顶道路与桥梁衔接处为弯曲线路 , 现有堤防背水侧建筑物密集 ,堤防加高后影响后方居民视线｡堤线长度 776.50 m｡

综上, 选取方案一作为汀江堤线方案｡

3.1.2 小靖河堤线必选

小靖河右岸堤防工程为节制闸的非溢流段, 不进行堤线比选 , 左岸堤防工程拟选择两种方案进行比选｡

方案一:沿原河道左岸向外偏离 7 m 布置 , 河道清淤值52 m, 堤线长度 664.322 m, 优点:距离村民房屋较远 , 保护耕地较多 , 工程投资 1906.5 万元｡缺点:工程占地多 , 堤线长｡

方案二:堤线外延 , 拆除原有土堤 , 堤线长度 344.23 m｡优点:堤线短 , 工程占地少｡缺点:清淤护底工程量较大 ,征用土地多 , 距离居民防护较近 , 工程投资 2623.6 万元｡

综上, 选择方案一作为小靖河堤线方案｡

3.2 堤顶高程

3.2.1 汀江干流堤防

根据实地现状, 汀江新建堤防分为甲､乙两段 , 其中甲段桩号为 TJ0+000~TJ0+200, 该段因施工区域狭窄 , 拟建 U 型混凝土挡墙;乙段为 TJ0+200~TJ0+571, 拟建斜坡式均质土堤 ,临､背水边坡坡比均为 1∶2.0｡

根据《堤防工程设计规范》, 堤防工程高程由设计洪水位加堤顶超高确定｡经计算设计洪水位为 57.10 m 堤顶超高按下列公式计算:

式中:Y 为堤顶超高 ,m;R 为设计波浪爬高 ,m;E 为设计风壅水面高度 ,m;A 为安全加高 , 取 0.6 m｡KΔ 为斜坡的糙率及渗透性系数 , 取 1;KV 为经验系数 , 取 1.02;Kp 为爬高累积频率换算系数 , 取 1.54;m 为斜坡坡率 , 取 2;H 为堤前波浪平均波高 , 取 0.21 m;L 为堤前波浪平均波长 ,m;K 为综合摩阻系数 , 取 3.6×10-6;V 为设计风速 , 取 10 m/s;F 为风区长度 , 取 360 m;d 为水域的平均水深 , 取 15.76 m;β 为风向和堤轴线的法线的夹角 , 取 0°｡

经计算, 堤顶超高为 0.91 m, 实际工程中取 1.0 m｡汀江干流堤防堤顶高程确定为 58.10 m｡

3.2.2 小靖河堤防

小靖河堤防堤顶高程计算公式如上文所示, 其中 F 取100 m,d 取 10 m, 堤防最高挡水位为 58.29 m, 经计算堤顶超高为 0.84 m, 实际工程中取 0.9 m, 堤顶高程设计值为 59.19 m｡根据规范要求 , 堤顶设置防浪墙的 , 堤身顶高程应高于堤防调蓄最高水位 0.5 m, 小靖河堤顶道路顶高程取 58.80 m, 道路临水侧设置挡墙 , 挡墙下部为高 1.05 m 的实体栏杆 , 兼作防浪墙 , 即小靖河上游堤防堤顶防浪墙顶高程为 59.85 m｡

3.3 冲刷深度设计

根据《河道整治设计规范》, 局部冲刷深度计算公式如下:

式中:ΔhB 为局部冲刷深度 ,m;hP 为冲刷处冲刷前的水深 ,m; Vcp 为均流速 ,m/s;V 允为河床面上允许不冲流速 ,m/s;n 为与防护岸坡的平面上的形状有关 , 取 n=1/4｡

经计算, 各段堤防冲刷深度见表 5｡

表5 河段堤防坡脚冲刷深度计算成果表

3.4 堤型设计

(1)汀江干流甲段为 U 型混凝土挡墙 , 挡墙底板高程50.00 m, 顶高程 58.10 m, 底板厚度 1.0 m, 挡墙厚度 0.8 m,d 道路净宽 8.0 m, 路面依次采用水泥搅拌桩 ,5% 干贫混凝土垫层和沥青混凝土浇筑｡

(2)汀江干流乙段为斜坡式均质土堤 , 堤顶道路宽 8.0 m,坡比 1∶2.0, 迎水侧坡脚采用抛石 , 背水侧坡脚设置排水沟｡

(3)小靖河堤防为均质土堤 , 堤防面坡坡比 1∶2.5, 背坡坡比 1∶2, 堤顶宽 5m, 沥青路面 , 其中临水侧 55.0 m 高程设置宽度为 3 m 的人行步道 , 坡面采用生态植草砖护坡 , 背水侧草皮护坡｡堤防底部采用水泥土防渗墙 , 布置在堤防中心线 ,水泥土防渗墙伸入堤身 2 m, 水泥土防渗墙伸入基岩 1 m｡堤顶道路迎水侧布置实体混凝土栏杆,兼作防浪墙,墙高1.05 m｡

4、结构计算

4.1 渗流稳定计算

4.1.1 汀江干流甲段和乙段渗流分析

采用AutoBANK 渗流软件对两段堤防进行渗流分析 , 计算工况均为临水侧以达到设计洪水位 , 背水侧水位 50 m, 经计算 , 在不采取防渗措施的情况下 , 两段堤防均不满足防渗要求 , 因此 , 针对两段堤防拟设置 12 m 长的高压旋喷桩防渗墙 , 桩径 0.6 m, 间距 0.4 m, 桩底板高程为 42.00 m, 设置防渗墙后甲段堤防最大水力坡降为 0.239, 乙段最大水力坡降为0.227, 均小于规范允许值 0.25｡

4.1.2 小靖河渗流分析

同样采用AutoBANK 渗流软件对小靖河堤防进行渗流分析 , 计算工况分为两种 , 工况一为临水侧水位达到最高挡水位;工况二为洪水回落期 , 从最高挡水位降到 52 m 高｡经计算 , 茶阳镇防洪工程小靖河上游新建堤防粘土填筑断面如不设防渗墙 , 则不满足规范要求 , 可能产生渗透破坏 , 因此拟采取 φ600 高压旋喷桩 400 间距布置作为防渗墙 , 防渗墙平均深度 10 m, 有效厚度 0.47 m, 伸入基岩 1 m｡采取措施后在工况一的情况下 , 出逸比降由 0.63 下降到 0.000152, 工况二的情况下 , 出逸比降由 0.16 下降到 0.0000877, 均小于允许比降0.25, 满足规范要求｡

4.2 抗滑稳定性分析

4.2.1 汀江干流

(1)甲段堤防因是挡墙形式 , 因此采用北京理正岩土计算软件(6.0 版本)的挡土墙设计程序进行计算 , 并根据《堤防设计规范》按 4 级堤防进行复核｡选取 2 个典型断面 , 计算工况为:工况一 , 完工建设后;工况二 , 临水侧为设计洪水位时｡计算结果见表 6｡

表6 汀江甲段堤防稳定计算成果

5、结论

茶阳镇境内主要河流汀江､小靖河现状堤防防洪标准均不满足2 年一遇标准 , 严重影响周边居民生产生活 , 因此急需提升现有工程标准 , 减少洪涝灾害隐患｡本文以溪口水文站作为水文计算的参证站 , 古村雨量站作为设计暴雨计算参证站 , 对汀江茶阳镇段､小靖河干流五个典型断面进行设计洪水计算 , 并以此为基础对新建堤防的堤线和断面进行比选和设计｡通过对设计堤防渗透稳定和抗滑稳定分析 , 确定设计方案满足规范要求｡工程完工后会有效提高当地抗洪防涝能力 , 有效保证两岸居民防洪安全｡

参考文献:

[1]张洋.复杂城镇防洪工程设计方案的应用研究 [J]. 中国水运(下半月),2023,(01):82-83+86.

文章来源:吴晓青.茶阳镇洪涝灾害与防洪提升建设方案分析[J].陕西水利,2024,(12):76-78.