小凌河羊山段防洪工程設計與有限元復核

劉柱

小凌河羊山段防洪工程設計與有限元復核

劉柱

（遼寧江河水利水電新技術設計研究院，遼寧沈陽110003）

小凌河上游段洪、旱災害頻繁，水土流失嚴重，嚴重影響和制約當地經濟社會的發展，開展防洪工程建設勢在必行。以小凌河羊山鎮段河段治理為例，確定堤防工程的工程等級以及堤線布置方案，通過計算得到堤防護腳埋深與堤頂高程，結合工程實際提出堤防斷面形式為：羊山橋上游拆除混凝土極護坡，對堤防迎水側進行培厚；下游保留混凝土板護坡，在迎水坡堤肩處增設防浪墻。采用有限元軟件對堤防進行滲流與抗滑穩定分析，計算結果均滿足規范要求，但局部堤段存在滲透穩定風險，建議培厚堤身。

河流治理；堤防設計；滲流計算；穩定分析

1 工程概況

小凌河發源于建昌縣和朝陽縣交界的柏山山脈，自西北向東南流經建昌、朝陽、南票、凌海、錦州等市、縣（區），于凌海市娘娘宮鄉南注入遼東灣，干流河長206 km，流域面積5153 km2。長期以來，小凌河上游段洪、旱災害頻繁，水土流失嚴重，生態環境退化，已經嚴重影響和制約當地經濟社會的發展，開展防洪建設勢在必行。

羊山鎮作為小凌河流域的第一批重點建設城鎮，隨著近幾年的運行和河勢演變，羊山鎮河段現狀工程存在不同程度的安全隱患，問題逐漸顯現，存在洪水沖刷兌岸嚴重、已建工程防洪標準低、斷面尺寸不滿足規范要求、工程不連續以及部分已建防洪工程因年久失修失去防洪功能等問題，因此亟需開展小凌河羊山鎮段河段治理工作。

2 工程等別與工程布置

2.1 工程等別

根據《防洪標準》（GB50201-94）、《水利水電工程等級劃分及防洪標準》（SL252-2000）及《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）的規定[1-3]，結合保護區保護人口及社會經濟發展情況、失事后遭受洪災損失的程度，本次設計確定羊山鎮城鎮段防洪標準為20年一遇，農村段的防洪標準為10年一遇，小凌河羊山段防洪工程的防洪標準為10年一遇，工程級別為5級。場地抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度值0.10 g，設計特征周期0.35 s。本區場地最大凍土深度1.35 m。

2.2 工程布置

本次設計主要是對原有堤防進行維修加固，對干砌石堆石壩進行拆除并新建堤防，防洪工程的軸線基本保持原有舊堤堤線不變。根據城鎮發展需要及現狀地形情況，擬定堤線沿現有堤線布置，范圍從羊山橋下游1.19 km處至大四家子河匯合口處，干流治理河長2.71 km。防洪工程段總長度2736 m，全部布置在河道左岸，工程布置詳見表1。圖1為小凌河羊山段防洪工程平面布置示意圖。

圖1 小凌河羊山段防洪工程平面布置示意圖

3 防洪堤斷面設計

3.1 設計水面線計算

根據錦凌水庫庫區干流回水的計算成果和缸窖口水文站水位～流量關系反算河段糙率為0.028，本工程河段河槽組成以卵石為主，河漫灘主要為砂礫石，邊灘糙率取0.03。小凌河比降較陡，本次設計采用單斷面比降法計算起始斷面X57水位流量關系，以確定水面線計算起點水位。

水位流量關系曲線采用曼寧公式計算。計算斷面為本次測量實測斷面；河床糙率與水面線計算一致，取0.03；水面坡降取本區段河底平均比降2.0‰。水面線推算起點水位（X57斷面）為130.12 m。

河道和橋梁處均采用能量方程法，能量方程的基本形式為：

式中：Z1,Z2為上下游斷面的河底高程（m）；Y1,Y2為上下游斷面的水深（m）；V1,V2為上下游斷面的水流平均流速（m/s）；he為能量水頭損失（m）；a1a2為修正系數；L為上下游斷面之間的河道長度（m）；Sf為上下游斷面的摩擦比降；C為河道的擴散或收縮損失系數；g為重力加速度（m/s2）[4]。

計算各設計頻率下洪水水面線，計算成果見表1。

3.2 堤防斷面設計

堤防頂高程采用設計洪水位加超高確定。依據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）有關規定，堤頂超高應為風浪爬高加安全加高再加風壅水面高度，其中安全加高按規范要求，5級堤防采用0.5 m。

堤頂超高計算公式：Y＝R+e+A

式中：Y為堤頂超高（m）；R為設計波浪爬高（m）；e為設計風壅水面高度（m）；A為安全加高（m）。防洪工程堤頂超高計算成果見表2。

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）計算局部沖刷深度，順壩及平順護岸沖刷深度可按下列公式計算：式中：hs為局部沖刷深度（m）；H0為沖刷處的水深（m）；Ucp為近岸垂線平均流速（m/s）；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取；n=1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α查規范附表D.2.2采用。

對于砂礫及卵石的起動流速，采用規范附錄D中公式D. 2.1-6計算。

式中：Uc為泥沙起動流速（m/s）；d50為床沙的中值粒徑（m）；H0為行近水流水深（m）；γs、γ為泥沙與水的容重（kN/m3）；g為重力加速度（m/s2）。

表1 水面線計算成果表

表2 防洪工程堤頂超高計算成果表

計算得到的各斷面局部沖刷深度在0.75 m～1.19 m之間，本次設計防洪工程護腳埋深均為1.0 m，河道防護工程護腳埋深1.0 m～1.5 m，埋深滿足要求[4-5]。

經過上述計算，羊山橋下游段，現狀堤身結構滿足要求，僅堤頂高程不達標。鑒于堤防兩側綠化較為完善，且迎水側混凝土板護坡工程2006年以后建成，現狀完好，本次基本保留原有混凝土板護坡，僅在堤防迎水坡堤肩處增設防浪墻滿足防洪要求，并延長堤防至玄羊寺附近山腳，使堤防連貫封閉。堤防斷面見圖2。

羊山橋以上1233 m堤段是舊堤段，現狀存在問題是堤身瘦小，堤頂寬度不足3 m，局部堤段迎水坡坡比小于1∶1.5，原有混凝土板護坡凹凸不平，破損嚴重，本次設計拆除原有混凝土板護坡，對堤防迎水側進行培厚，使堤頂寬度達到3 m，并對堤坡、堤腳進行工程防護，采用鍍鋅格賓石籠網墊及石籠網箱進行防護，設計護坡頂高程為設計洪水位加0.5 m超高，堤防斷面見圖3。

4 堤防滲流及抗滑穩定復核

4.1 堤防滲流計算

按照《堤防工程設計規范》（GB50286－2013）要求，堤防的滲流應按穩定滲流計算。采用有限元法進行數值計算，求解拉普拉斯方程，用有限單元法作滲流場離散，引用三節點的三角形單元和線性插值函數。本次設計采用《理正滲流分析軟件》進行滲流分析計算[6]。

滲流計算選取LK0+338、LK0+858、LK1+346、LK1+879四處堤防斷面作為典型斷面。選取斷面在設計洪水工況下堤前水深相對較高，可以作為最不利斷面進行滲流及邊坡穩定計算。

地基土持力層基本為砂礫層，根據地勘資料及土的滲透變形判別方法，地基土的滲透破壞類型屬于管涌型。對于管涌型的臨界水力比降采用下列公式計算：

圖2 羊山橋下游段防洪工程典型斷面圖

圖3 羊山橋上游段防洪工程典型斷面圖

圖4 滲流計算典型斷面圖

表3 堤身、堤基滲流計算成果表

表4 邊坡穩定計算成果表

式中：Jcr為臨界水力比降；Gs為為土的比重；n為孔隙率。

本工程試驗Gs=2.66，n=32.7%，經計算地基土層的臨界水力比降為0.36，安全系數取1.5時，允許水力比降為0.24。堤身、堤基滲透系數表見表4。

從圖4與表3可以看出，計算斷面堤身、堤腳滲透穩定均滿足要求，但局部堤段存在滲透穩定風險，建議培厚堤身。

4.2 堤防抗滑計算

根據本區段堤防斷面的特點及滲流計算成果，按《堤防工程設計規范》（GB50286－2013）的要求，本堤防的穩定計算考慮以下三種工況：

（1）設計洪水位下穩定滲流時背水側堤坡抗滑穩定（設計洪水位）；

（2）設計水位驟降時的臨水側堤坡抗滑穩定（設計洪水位驟降至堤腳無水）；

（3）地震工況下背水側堤坡抗滑穩定（設計洪水位+地震）。

對應滲流計算成果，選取滲流計算斷面進行穩定分析。穩定計算，采用《理正邊坡穩定分析軟件》進行穩定分析計算。計算采用有限元邊坡穩定分析理論，運用瑞典圓弧法計算堤防邊坡穩定的安全系數，計算結果見表4。可以看出堤防邊坡抗滑計算結果滿足規范要求。

5 結論

本文結合小凌河羊山鎮段河段治理工程，確定了堤防工程的工程等級，通過計算設計水面線，堤頂高程與坡腳局部沖刷深度，結合筑堤材料選取與上下游情況，分別給出了羊山鎮段堤防斷面形式。并對該堤防進行了滲透穩定與抗滑計算分析，計算結果滿足規范要求。

[1]SL252-2000水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].

[2]GB50201-94防洪標準[S].

[3]GB50286-2013堤防工程設計規范[S].

[4]李佳純.堤防設計問題及其設計原則探討[J].科技創新與應用,2015, (02):227-229.

[5]張家發,曹星,李思慎.堤防加固設計中的若干技術問題[J].人民長江, 2000,(01):10-11+57.

[6]盧玉民,徐澤平.堤防滲流計算的基本方法與滲流控制措施[J].中國水利水電科學研究院學報,2007,(04):291-295.

TV85

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1673-9000（2017）02-0081-03

2017-01-02

劉柱（1981—）男，遼寧新民人，工程師，主要從事河道整治規劃設計。