沁河下游險(xiǎn)工改建加固設(shè)計(jì)

胡俊玲，趙廣運(yùn)

（河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州450003）

沁河下游險(xiǎn)工改建加固設(shè)計(jì)

胡俊玲，趙廣運(yùn)

（河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州450003）

沁河下游險(xiǎn)工現(xiàn)狀存在坦石坡度陡、根石薄弱、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，針對(duì)存在問(wèn)題作者提出了險(xiǎn)工改建壩型，采用退坦放緩邊坡、土工布防滲保護(hù)土體、預(yù)設(shè)備塌體加固根石的結(jié)構(gòu)型式，以增強(qiáng)工程的穩(wěn)定性。經(jīng)典型工程分析實(shí)踐證明，這種壩型提高了險(xiǎn)工的抗洪能力，保障了堤防安全。

沁河下游；險(xiǎn)工；坦石；根石；穩(wěn)定

沁河是黃河的一級(jí)支流，發(fā)源于山西省沁源縣二朗神溝中花坡鄉(xiāng)河底村，流經(jīng)山西省的沁源、安澤、沁水、澤州縣，穿太行山于河南省濟(jì)源市的五龍口出山谷進(jìn)入下游平原，經(jīng)濟(jì)源、沁陽(yáng)、博愛(ài)、溫縣、武陟五縣（市），于武陟縣的方陵村匯入黃河，河道全長(zhǎng)485km。五龍口以下為下游，河道長(zhǎng)90km。

沁河下游險(xiǎn)工作為防洪工程體系的重要組成部分，大多是歷史上在搶險(xiǎn)過(guò)程中依托于堤防修筑而成，具有挑流的作用，防守大堤免受主流頂沖和水流淘刷，保護(hù)堤防工程安全。

1 沁河險(xiǎn)工現(xiàn)狀

根據(jù)史料記載，最早的沁河險(xiǎn)工距今已有400余年的歷史，均系堤防受大溜頂沖后，在臨堤筑埽搶護(hù)或決溢后復(fù)堵所形成的防守型工程，多沿堤線布設(shè)，由壩、垛、護(hù)岸組成。歷史上遺留下來(lái)的這些老險(xiǎn)工，絕大多數(shù)為秸料埽體修筑，僅個(gè)別險(xiǎn)工有磚石裹護(hù)。人民治黃以來(lái)，險(xiǎn)工歷經(jīng)三次改建、續(xù)建，秸埽工程逐步石化。目前，沁河下游共有險(xiǎn)工49處（含防洪壩2處），共計(jì)799座工程，其中壩112道，垛398座，護(hù)岸289段，工程長(zhǎng)度52.583km。

沁河險(xiǎn)工加高改建始于上世紀(jì)60、70年代，系戴帽加高，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)用，破損、殘缺問(wèn)題突出，工程“老化”日趨明顯，除近年來(lái)安排的改建壩垛外，多數(shù)壩垛仍存在以下問(wèn)題。

（1）坦石坡度陡、穩(wěn)定性差

目前，沁河大部分險(xiǎn)工坦石坡度為1：0.8～ 1：1.1，其穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)整體滑塌險(xiǎn)情；坦石石料經(jīng)過(guò)多年的風(fēng)雨侵蝕出現(xiàn)不同程度的破壞；坦石頂高低不平，寬度不夠，部分坦石頂寬只有0.3～0.4m，土石結(jié)合部不牢，加之坦石坡度較陡，工程強(qiáng)度不足，垛間無(wú)裹護(hù)，回流淘刷嚴(yán)重。

（2）土石結(jié)合部土體流失，坦石蟄陷

沁河險(xiǎn)工現(xiàn)狀均為土石結(jié)構(gòu)，多為搶險(xiǎn)所修的工程，土石結(jié)合部無(wú)反濾措施，長(zhǎng)期受到雨水、河水的浸蝕，土體流失嚴(yán)重，土石結(jié)合部出現(xiàn)空洞，坦石處于架空狀態(tài)，造成坦石下蟄，工程面貌不整。雨后或大水過(guò)后易出現(xiàn)塌陷，一旦靠河易出現(xiàn)坦石土體整體蟄陷險(xiǎn)情，將給搶險(xiǎn)帶來(lái)極大困難。

（3）根石深淺不一，抗沖能力弱

沁河下游河床為沖積土層，地層巖性以粉質(zhì)粘土、壤土和砂壤土為主。根據(jù)險(xiǎn)工根石探測(cè)成果，壩垛各處的沖刷深度不一，在靠主溜的壩頭部位，沖刷深度一般為5～10m，其他部位沖刷較淺。根石外坡一般為1：1～1：1.5。對(duì)于根石深度不足、邊坡陡的工程，受水流沖刷易出現(xiàn)根石走失、坍塌現(xiàn)象，影響工程安全穩(wěn)定性。

針對(duì)沁河險(xiǎn)工目前存在問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)不合理、穩(wěn)定性差的險(xiǎn)工進(jìn)行改建加固，使其基本達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以保證工程抗洪能力是十分必要的。根據(jù)實(shí)際情況，本次沁河下游險(xiǎn)工改建共安排34處險(xiǎn)工（防護(hù)壩），共431道壩、垛、護(hù)岸。

2 險(xiǎn)工改建壩型選擇

沁河下游險(xiǎn)工壩岸一般由土壩體、坦石、根石三部分組成，其中根石是險(xiǎn)工壩岸的根基，最容易受到水流的沖刷，是壩岸最重要的組成部分，也是最容易出險(xiǎn)的部位。

險(xiǎn)工壩垛按護(hù)坡的型式不同現(xiàn)有三種結(jié)構(gòu)：重力式砌石壩、護(hù)坡式扣石壩及亂石壩。亂石壩、扣石壩均屬緩坡壩，外坡1∶1.0～1∶1.5，主要區(qū)別在于護(hù)面石砌壘方式不同。亂石壩護(hù)面石一般用亂石粗排或散拋撿平而成，扣石壩護(hù)面石則用經(jīng)過(guò)一定程度加工的料石或大塊石砌壘而成。砌石壩屬陡坡壩，外坡1：0.35～1：0.4，護(hù)面石亦用經(jīng)過(guò)一定程度加工的料石或大塊石砌壘而成，與扣石壩的主要區(qū)別在于護(hù)面石的砌筑方式為平砌。

亂石壩主要優(yōu)點(diǎn)是坡度緩，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，能適應(yīng)根石下蟄變形而隨時(shí)加固，險(xiǎn)情易于發(fā)現(xiàn)和搶護(hù)，因此是險(xiǎn)工壩垛的主要結(jié)構(gòu)型式。缺點(diǎn)是護(hù)坡透水性大，壩體土易于流失，維修量大，管理不便。

扣石壩護(hù)面石長(zhǎng)軸垂直于壩面，坡面平滑，主要優(yōu)點(diǎn)是壩坦坡度平緩，穩(wěn)定性好，水泥砂漿勾縫后外形美觀，壩體土不易被河水淘刷，管理方便。缺點(diǎn)是對(duì)基礎(chǔ)變形的適應(yīng)性差，拆坦改建投資較大。

砌石壩護(hù)面石為水平方向砌筑，壩面呈階梯狀。因受石料長(zhǎng)度的限制坡度較陡，屬重力式，分漿砌、干砌兩種。漿砌石壩護(hù)面石一般用石灰砂漿砌壘，水泥砂漿勾縫，腹石不灌漿。砌石壩的主要優(yōu)點(diǎn)是壩身封閉較嚴(yán)，外形美觀，壩體土不易被河水淘刷，管理方便，加高后對(duì)壩頂面縮窄較少。缺點(diǎn)是壩坡陡，穩(wěn)定差，易出現(xiàn)突然滑塌險(xiǎn)情，不易搶護(hù)。

經(jīng)綜合分析，本次險(xiǎn)工改建采用亂石壩。

3 險(xiǎn)工改建加固設(shè)計(jì)

3.1 建筑物級(jí)別

險(xiǎn)工為沿堤防修建并依附于大堤的主要建筑物，險(xiǎn)工建筑物級(jí)別同相應(yīng)堤防級(jí)別［1］［2］。

沁河干流左岸丹河口以下堤防為1級(jí)；丹河口以上堤防為4級(jí)；右岸堤防為2級(jí)。

3.2 斷面設(shè)計(jì)

3.2.1壩頂高程

險(xiǎn)工改建設(shè)計(jì)壩垛頂高程低于所在大堤設(shè)計(jì)堤頂高程0.2m，若壩垛現(xiàn)狀頂高程大于設(shè)計(jì)高程或保持現(xiàn)狀高程。

3.2.2坦石

考慮了風(fēng)浪、浮冰的作用力以及高水位時(shí)水流對(duì)壩體土的沖刷，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，坦石頂寬采用水平寬度1.0m，坦石外坡1：1.3～1：1.5，散拋石結(jié)構(gòu)。坦石面層采用粗排塊石，厚0.3m。

險(xiǎn)工改建工程坦石采用順坡或退坦加高。如改建壩垛的坦石質(zhì)量較好，坡度為1：1.3～1：1.5，根石達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可順坡加高；否則，應(yīng)退坦加高并將外邊坡放緩至1：1.5，內(nèi)坡按1：1.3。

3.2.3土壩體

土壩體和坦石之間依次鋪設(shè)土工布、碎石墊層厚度10c m，防止水流對(duì)壩垛土體的淘刷及防止塊石劃破土工布，土工布頂部低于壩頂0.5m，并進(jìn)行錨固，土工布頂（底）部水平錨固寬度均為1.0m。

3.2.4根石

結(jié)合沁河實(shí)際情況，本次險(xiǎn)工改建設(shè)計(jì)沖刷深度取10m，對(duì)于根石深度不足、邊坡陡的工程，結(jié)合灘岸地形護(hù)腳采用挖槽拋石或?yàn)┌斗雷o(hù)的型式，預(yù)設(shè)備塌體按照設(shè)計(jì)沖刷深度補(bǔ)充所需石料。根石臺(tái)頂高程平灘面或與上下游壩垛根石臺(tái)高程平，寬度1.5m。

3.3 材料設(shè)計(jì)及填筑標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1土料

按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（G B 50286-2013）要求，“均質(zhì)土堤的土料宜選用粘粒含量為10%～35%、塑性指數(shù)為7～20的黏性土，且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜質(zhì)；填筑土料含水率與最優(yōu)含水率的允許偏差為±3%”。根據(jù)本次土料場(chǎng)勘察結(jié)果，大部分料場(chǎng)平均粘粒含量介于10.1%～26.7%之間，且土料場(chǎng)儲(chǔ)量豐富，大部分粘粒含量不小于15%。

土壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)：1級(jí)堤防土料壓實(shí)度不小于0.95；2級(jí)堤防和堤身高度不小于6m的3級(jí)堤防土料壓實(shí)度不小于0.93，3級(jí)以下及低于6m的堤防不應(yīng)小于0.91。

3.3.2石料

本次設(shè)計(jì)采用亂石壩結(jié)構(gòu)，石料主要為塊石和毛石，必須采用抗風(fēng)化性能好的石料，其比重應(yīng)大于2.6，風(fēng)化的山皮石和有裂紋的石料禁止使用；石料的抗壓強(qiáng)度不低于40MP a；石料的軟化系數(shù)不低于0.70。

塊石主要用于坦石的砌筑，根據(jù)計(jì)算其重量應(yīng)為25～50kg，要求上下兩面平行且大致平整，無(wú)尖角，薄邊，邊厚宜大于20c m。毛石主要用于根石的填筑，根據(jù)計(jì)算其重量應(yīng)為25～75kg，且中厚不少于15c m。施工中，坦坡內(nèi)層塊石應(yīng)采用人工砌筑排放，以避免破壞土工布及墊層。

3.3.3土工布

土工織物材料須符合反濾準(zhǔn)則，具有保土性、透水性、防堵性［3］。復(fù)合土工布性能及特性指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合土工布性能及特性指標(biāo)

3.3.4墊層

墊層應(yīng)采用一定級(jí)配且未風(fēng)化的礫石或碎石，無(wú)尖角，其最大粒徑宜小于40m m，細(xì)粒含量不大于10%。墊層材料應(yīng)不含草根、垃圾等雜質(zhì)。

4 典型工程分析

本次選取武陟大樊險(xiǎn)工進(jìn)行典型工程分析。大樊險(xiǎn)工位于沁河下游左岸，屬于武陟一局管轄，相應(yīng)大堤樁號(hào)為59+309～60+639，始建于1888年，共有工程44座，其中垛25道，護(hù)岸19段，工程長(zhǎng)度1330m。該工程1955年改建1次，1957年改建了6護(hù)岸、7垛、8護(hù)、9垛，1963年改建了42護(hù)岸，經(jīng)過(guò)50余年的運(yùn)行，工程隱患較多，一是該險(xiǎn)工為扣石勾縫結(jié)構(gòu)，坦石坡度多在0.9～1.4之間，坡度較陡、穩(wěn)定性較差；二是坦坡面石老化，勾縫脫落嚴(yán)重；三是石坦坡凹凸不平、塊石風(fēng)化。為確保防洪工程安全，增強(qiáng)坦石邊坡穩(wěn)定性，增加坦石厚度和反濾材料，以減少雨水、洪水造成各種隱患和險(xiǎn)情，提高工程強(qiáng)度，本次安排對(duì)該處險(xiǎn)工44處垛（護(hù)岸）全部進(jìn)行改建加固。

本次大樊險(xiǎn)工改建設(shè)計(jì)不改變現(xiàn)有平面布局，基本保持原平面布置型式，采用退坦改建。以各改建壩垛的現(xiàn)狀壩頂高程為設(shè)計(jì)壩頂高程。改建后坦石外坡1：1.5，內(nèi)坡1：1.3，坦石頂寬1m。根石臺(tái)頂寬度1.5m。根據(jù)近期根石探測(cè)情況，壩垛各處的沖刷深度不一，在靠主溜的壩頭部位，沖刷深度一般為5～10m，其他部位沖刷較淺，結(jié)合沖刷計(jì)算分析，本次設(shè)計(jì)沖刷深度取10m，作為驗(yàn)算穩(wěn)定的深度。該險(xiǎn)工目前不靠河，沿現(xiàn)狀根石臺(tái)外側(cè)灘地開(kāi)挖深度1.5m，邊坡1：1，預(yù)拋根石備塌體，以補(bǔ)充未達(dá)到設(shè)計(jì)沖刷深度的石料。以后經(jīng)過(guò)水流不斷沖刷，根石下蟄、基礎(chǔ)扎深，工程逐步趨于穩(wěn)定。武陟大樊險(xiǎn)工改建典型斷面，見(jiàn)圖1。

圖1 武陟大樊險(xiǎn)工改建典型斷面圖（單位：c m）（注：a→d為土工布鋪設(shè)范圍）

5 結(jié)論

沁河下游險(xiǎn)工歷史悠久，多因堤防出險(xiǎn)搶修而成，其結(jié)構(gòu)型式由起初的秸埽工程逐步演變?yōu)橥潦瘔味猓?jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，如何保證工程抵御洪水沖刷的穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)人員面臨的關(guān)鍵性技術(shù)難題。通過(guò)對(duì)以往工程實(shí)踐的歸納總結(jié)，在現(xiàn)狀工程基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步探索安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的工程結(jié)構(gòu)型式，對(duì)于工程經(jīng)久耐用、堤防穩(wěn)固是至關(guān)重要的。

［1］溫小國(guó).沁河水利輯要［M］.黃河水利出版社，2001.

［2］G B 50286-2013.堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］G B 50201-94.防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］SL/T 225-98.水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

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：1672-2469（2015）09-0091-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.029

胡俊玲（1969年—），女，教授級(jí)高級(jí)工程師。