乌裕尔河干流北安市段堤防设计综述

王晓旭

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150000)

1 工程概况

乌裕尔河是嫩江左岸一级支流，为无尾河，地理位置为E124°53′-127°23′，N46°26′-48°25′之间。乌裕尔河发源于小兴安岭西麓山区，北源称鸡爪河，南源称轱辘滚河，南北二源于北安市境内汇合后称乌裕尔河，是嫩江左岸较长的内陆河流。乌裕尔河流域呈长条形，地势自东北倾向西南。乌裕尔河有大小支流数十条，其中较大支流为轱辘滚沟、红旗沟、闹龙河、折铁河、润津河、群胜沟、敖龙河、泰西河、宝泉河和双阳河等，干流在下游富裕县雅州附近又分为西、南两支，西支又称塔哈河，向西直接汇入嫩江，南支向南经九道沟进入扎龙湿地后河道消失，河道长598km，流域总面积23100km2，其中龙安桥以上流域面积12345km2。

北安市位于黑龙江省北部，黑河市南部，北距黑河市260km,南距哈尔滨市330km，西距齐齐哈尔市230km，地处黑龙江省北部区域中心。东与逊克、绥棱以小兴安岭岭脊分界，西与克东、拜泉接壤，南与海伦隔通肯河相望，北与五大连池相邻，地理坐标在E126°16′-127°53′、N47°53′-48°33′之间，总面积7194 km2。

2 工程布置

北安市规划设计堤防5段，分别为东胜堤防、城镇1号堤防、城镇2号堤防、闹龙河左岸回水堤和闹龙河右岸回水堤。东胜堤防、闹龙河左岸回水堤和闹龙河右岸回水堤为现有堤防加高培厚，城镇1号堤防和城镇2号堤防为新建堤防。北安市规划堤防总长度25.656km，其中新建10.83km，加高培厚7.18km，达标7.646km。建设工程护坡3处，长度12.93km；建设工程护岸2处，长度0.7km。

3 堤防工程设计

3.1 堤顶高程确定

依据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)，根据风速数据，结合本次堤线，堤段位置、堤距及设计标准，分别按近30a(7-9月)最大风速资料，在与堤轴线法线方向成±45°范围内，其中对堤防影响最大的风向为主方向。根据吹程按混凝土护坡、雷诺护垫护坡、草皮护坡等不同护坡型式，分别计算波浪爬高、壅水高度，而后确定堤顶超高，计算结果见表1。

本次设计依据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中第7.3.1条规定，堤防高程按设计洪水位加堤防超高确定。

堤顶在静水位以上的超高值按下式计算：

y=R+e+A

(1)

式中：y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风雍增水高度，m；A为安全加高。

1)风浪要素计算：

波浪的平均波高和平均波周期采用莆田实验站公式计算：

(2)

(3)

(4)

(5)

2)波浪爬高计算：

按下式计算波浪爬高值，对不允许越浪的堤防，宜取累积频率为2%的爬高值R2%进行计算。

(6)

3)风壅水面高度计算：

(7)

式中：e为计算点处的风壅水面高度，m；K为综合摩阻系数，取3.6×10-6；B为计算风向与坝轴线法线的夹角，°。

计算风速值采用汛期多年平均最大风速值的1.5倍，根据风速资料，结合堤线分别按不同吹程及护坡型式计算波浪爬高、壅水高度，以各堤段典型断面为例，计算堤顶超高值见表1。

表1 堤顶高程计算表

本次设计城镇1号堤防超高值为1.9m，城镇2号堤防超高值为2.0m，东胜堤防超高值为1.40m，闹龙河右岸回水堤超高值为1.3m，闹龙河左岸回水堤超高值为1.1m。堤防设计水位及堤顶高程见表2。

表2 设计堤顶高程成果表

3.2 堤防断面

本着节约用地原则，根据料场分布、加培土料的性质、占地、环境影响等因素，合理确定堤防结构断面型式。现有堤防加高培厚原则为：①现有土堤为了充分利用现有堤防的稳定性，在堤防背水侧进行加高培厚；②现有土堤堤后有排水沟、水库等构造物时，在临水侧加高培厚；③砂堤段若有黏土料时，在临水侧加高培厚[1]。

本次规划设计堤防5段，分别为东胜堤防、城镇1号堤防、城镇2号堤防、闹龙河左岸回水堤和闹龙河右岸回水堤。东胜堤防、闹龙河左岸回水堤和闹龙河右岸回水堤为现有堤防加高培厚，城镇1号堤防和城镇2号堤防为新建堤防。北安市规划堤防总长度25.656km，其中新建10.83km，加高培厚7.18km，达标7.646km。

1)东胜堤防：

东胜堤防全长11.446km，全部利用原堤对未达标段在背水侧进行加高培厚。堤防堤基为双层地基和砂基，料场位于东胜段堤防0+000东北、东民村西南部，为集中料场，运距约3km-14km，料场土料岩性为低液限黏土，料场土料质量及储量基本满足设计要求。堤防堤顶宽采用4.0m，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.5。

2)城镇1号堤防：

城镇1号堤防为规划新建堤防，堤防长度4.734km，其建成后堤距>2.0km，满足河道行洪断面要求。堤防堤基为上黏性土下砂性土双层堤基和砂性土堤基，料场位于城镇1号堤防2+000北侧、南山湾村东侧，运距约1km，料场土料岩性为低液限黏土，料场土料质量及储量基本满足设计要求。堤防堤顶宽采用8.0m，上游坡比1∶3，下游坡比1∶3。

3)城镇2号堤防：

城镇2号堤防为规划新建堤防，堤防长度6.096km，其建成后堤距>2.0km，满足河道行洪断面要求。堤防堤基为上黏性土下砂性土双层堤基和砂性土堤基，料场位于城镇2号堤防末端，向阳村南侧，为集中料场，运距约0.5km，料场土料岩性为低液限黏土，料场土料质量及储量基本满足设计要求。堤防堤顶宽采用8.0m，上游坡比1∶3，下游坡比1∶3。

4)闹龙河左岸回水堤：

闹龙河左岸回水堤位于闹龙河入乌裕尔河入河口处左岸，本次加培回水堤长1.28km。堤防防洪标准为10a一遇，堤防级别为5级。堤防堤顶宽采用4.0m，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.5。

5)闹龙河右岸回水堤：

闹龙河右岸回水堤位于闹龙河入乌裕尔河入河口处右岸，本次加培回水堤长2.1km。堤防防洪标准为50a一遇，堤防级别为2级。堤防堤顶宽采用8.0m，上游坡比1∶3，下游坡比1∶3。

3.3 土料设计

1)筑堤土料及控制标准：

乌裕尔河治理工程现有堤防为土堤，本次设计填筑土料为低液限黏土。筑堤料场为集中料场，料场实验指标见地质报告。土料采用低液限黏土，黏粒含量宜为15%-30%，塑性指数宜为10-20，且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂物；填筑土料含水率与最优含水率的允许偏差为±3%。按料场地质勘察成果，土料基本能够满足设计要求[2]。

本工程堤防级别为2级和5级，根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)规定，对于2级堤防，黏性土土堤的填筑标准为压实度≥0.93；对于3级以下及低于6m的3级堤防，黏性土土堤的填筑标准为压实度≥0.91。

设计干密度根据以下公式确定：

γd=m·γmax

(8)

式中∶γd为填筑压实干密度；γmax为料场土最大干密度(由土工试验确定)；m为压实度，2级堤防取0.93，5级堤防取0.91。

2)盖重及压渗土料选择及填筑标准

盖重及压渗土料选砂性土料，压实后的相对密度要求≥0.60。

各段堤防填筑压实干密度见表3。

表3 填筑压实干密度

3.4 护坡工程设计

1)护坡设计原则：①城市堤段采用生态护坡；②迎风顶流，冲刷严重堤段采用工程护坡；③险工段采用工程护坡；④砂堤段采用工程护坡；⑤其他堤段采用草皮护坡。

2)护坡段范围的确定：

依据上述原则，本次设计堤防工程护坡3处，长度12.93km。护坡范围统计情况见表4。

表4 护坡情况统计表

3)护坡型式：

本着就地取材，经济合理，施工方便，能够保证施工质量并尽量降低工程造价及结合城市景观的原则，初步拟定混凝土板、干砌石、雷诺护垫植草三种护坡型式进行方案比较。混凝土板护坡厚15cm，下设砾石垫层10cm，其下铺无纺布一层。干砌石护坡厚30cm，下设砾石垫层10cm，其下铺无纺布一层。雷诺护垫厚30cm，下设砾石垫层10cm，其下铺无纺布一层。

比较结果见表5。

表5 护坡方案比较表

4)护坡型式比较结论：

预制混凝土板护坡具有外形美观、施工便捷、整体性好等优点，对冰推有一定适应能力，护坡板不易破坏，但造价比干砌石略高。

干砌石护坡属于散体结构，适应变形能力较强，与混凝土板护坡相比造价较低。但是干砌石护坡要求石料比较坚硬并耐风化，实践证明在东北地区由于冻胀、冰推力和风浪的作用，干砌石护坡常遭到严重破坏。

雷诺护垫护坡施工方便，做护坡可有效防止石头垮塌，增加结构的抗冲刷能力，坡上植绿可增添景观、绿化效果。缺点是与干砌石、混凝土板护坡相比造价较高。

结合城市景观需求，本次设计采用雷诺护垫护坡，雷诺护垫上植草绿化。

5)雷诺护垫厚度计算：

石笼护坡厚度计算一般是根据波浪、水流冲击下的稳定性确定，根据《堤防工程手册》中推荐的皮拉斯克(Pilarczyk，1990)公式计算：

(9)

计算结果雷诺护垫厚度δ=0.11m。

根据本地区以往类似工程经验结合本次计算，本次设计取雷诺护垫厚度厚度为0.3m。

6)结构型式：

雷诺护垫厚度30cm，下设砂砾石垫层10cm及400g/m2无纺布一层。固脚采用格宾石笼固脚，矩形断面，宽0.6m，高1.0m。雷诺护垫上部铺设10cm腐殖土，播撒草籽绿化。

4 结 语

目前该项目尚未实施完成，待项目按照设计实施完成后将大大提高乌裕尔河堤防建设标准，加固工程存在的很多薄弱段，对现有防洪工程进行合理布局，完善防洪体系，达到规划标准。