線溝河堤堤防設計探析

李日芳

(遼寧省江河流域管理局，沈陽 110003)

線溝河堤堤防設計探析

李日芳

(遼寧省江河流域管理局，沈陽 110003)

線溝河為穿越開發區的一條山洪溝，地形條件復雜，沿岸村落多，人口多，汛期山地坡度大，流程短，來勢兇猛，洪水峰急量大，下游地勢平坦，受潮水頂托，山洪往往不得以宣泄，對開發區的防洪造成較大威脅。目前該流域下游入海口至高速公路橋段已進行了綜合整治，設計防洪標準為50a一遇，文章計劃對高速公路橋以上河段進行防洪治理，以保證該流域防洪能力有效提升，形成比較完整的防洪體系。

線溝河堤；堤防設計；滲流穩定；抗滑穩定

0 引 言

線溝河為穿越開發區的一條山洪溝，主流流經遼寧鲅魚圈蘆屯鎮、紅旗鎮兩個重鎮，地形條件復雜，汛期山地坡度大，流程短，來勢兇猛，洪水峰急量大，下游地勢平坦，受潮水頂托，山洪往往不得以宣泄，對開發區的防洪造成較大威脅。急需整治。

1 堤防橫斷面設計

根據治理河段特點及現場實測地形條件進行護岸工程橫斷面設計，護岸斷面采用漿砌石擋土墻結構型式，護岸設計頂高程為10a一遇洪水位加0.5m超高，設計頂寬4.0m，背水坡坡比1:2，堤頂路面結構為瀝青路面，路面以下設C10混凝土墊層厚100mm，水泥砂礫穩定層200mm，山皮石層厚200mm。沿墻背設直徑0.1mPVC排水管，間距2.0m，排水管后包無紡布并通常設置中粗砂替代反濾料。擋土墻頂設置欄桿，欄桿柱間距3.0m。

2 堤防頂高程的確定

線溝河堤所在區域汛期盛行西北風，即主風向為SW，根據規范要求，本次計算以主風向SW進行堤防波浪爬高計算。

按照《堤防工程設計規范》的要求，根據實際情況，采用不允許越浪式堤防工程。

線溝河堤防等級為5級，堤頂高程采用10a一遇設計水面線加超高確定。依據《堤防工程設計規范》(GB50286)有關規定，堤頂超高應為風浪爬高加安全加高再加風壅增水高度。計算公式如下：

堤防超高計算公式：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為堤頂超高，m；e為設計風壅增水高度，m；A為安全加高，m，按規范5級堤防工程：不允許越浪為0.5m；R為設計波浪爬高，m。

其中風浪計算要素按下式確定：

(2)

設計風壅增水高度由以下公式確定：

(3)

式中：e為風壅增水高度，m；K為綜合摩阻系數，可取K=3.6×10-6；β為風向與垂直于堤軸線的法線的夾角；其余符號意義同前。

波浪爬高按下式計算：

(4)

式中：Rp為累積頻率為p的波浪爬高，m；K△為斜坡的糙率及滲透性系數；KV為經驗系數；Kp爬高累積頻率換處系數，對不允許越浪的堤防爬高累積頻率取2%。

該工程堤防波浪爬高計算參數及成果見表1。

表1 堤頂超高計算成果表(P=10%)

本次堤頂高程取0.70m。

堤頂高程確定

Z=H+Y

(5)

式中：Z為堤頂高程，m；H為設計洪水位，m，10a一遇；Y為設計堤頂超高，m。

因此堤頂高程采用設計水面線以上加0.70m超高確定。

3 護岸滲流穩定計算

3.1 滲流計算

根據河道沿線工程布置情況，選擇最不利斷面進行滲流穩定計算，根據工程的筑堤材料和堤基情況，堤防按不透水地基均質土堤計算浸潤線是偏于安全的，所以本工程按下游無水穩定滲流計算浸潤線。計算如下：

(6)

式中：q為單位寬度滲流量，m3/s·m；k為堤身滲透系數，m/s；H1為上游水位，m；H2為下游水位，m；h0為下游出逸點高度，m；m1為上游坡坡率，m1=2.5；m2為下游坡坡率，m2=2.0。

聯立解上面兩方程，得q/k=0.336；h0=0.84

得浸潤線計算式為：

(7)

3.2 滲透穩定計算

1)堤防背水坡滲透坡降J0：

滲出點A點：

(8)

堤坡與不透水面交點B點：

(9)

式中：m2=2.0為背水坡坡率。

2)臨界水力坡降：

(10)

式中：G為土的比重，取G=2.74；e為土的孔隙比；比照勘察試驗資料平均最大干容重為1.64g/cm3，5級堤防壓實度按規范取0.91,由此推算e=0.671。

代入公式得ic=1.04，取安全系數為2.0，則允許水力坡降為：i允=ic/2.0=0.52。

因J0

4 堤防抗滑穩定計算

采用土壩穩定分析(圓弧滑動條分法)計算程序，計算公式如下：

(11)

式中：b為條塊寬度，m；W1為堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為堤坡外水位以下的條塊重力,kN；Z為堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m；u為穩定滲流期間堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；在本次計算中，令此項為零而將孔隙水壓力包含在土體重量的計算之中；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，°；γW為水的重度，kN/m3；C′、φ′為土的抗剪強度指標，kN/m3、°。

堤身采用河道內開挖土方進行堤身填筑，填筑料計算指標見表2。

表2 物理力學指標統計表

穩定計算中對堤兩側不同水位進行組合，臨水側水位從無水至設計水位高程，背水側水位按無水計算，分別對臨水側和背水側進行穩定分析。穩定分析計算結果如表3。

表3 堤防(單式斜坡)段抗滑穩定計算成果表

從表3計算結果可知：抗滑穩定計算結果滿足規范對5級堤防的要求。

5 擋土墻抗滑穩定計算

主槽采用重力式漿砌石擋土墻結構型式，墻頂高程為3.50m，頂寬0.6m，底寬3.20m，背水面坡比為1∶0.4，迎水面坡比為1∶0.4，前后趾寬均為0.3m，下設插石墊層灌漿0.2m厚。

5.1 擋土墻運用工況

擋土墻運用工況按完建期、正常運用期、墻前水位驟降1.0m三種運用工況考慮。

5.2 擋土墻穩定計算

重力式擋土墻結構，墻后填土為黏土，應采用等值內摩擦角計算作用于墻被的主動土壓力，地基土承載力特征值fak=90kPa。

擋土墻的抗滑穩定按下式計算：

(12)

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；∑G為作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和，kN；f為底板與土基之間的摩擦系數，取0.35。

擋土墻抗傾穩定按下式計算：

(13)

式中：K0為抗傾穩定安全系數；MV為抗傾覆力矩，kN·m；MH為傾覆力矩，kN·m。

擋土墻基底壓應力按下式計算：

(14)

表4 擋土墻穩定分析計算成果表

由上表計算成果可以看出，擋土墻的抗滑穩定、抭傾穩定及基底應力不均勻系數均滿足規范要求。

6 結 語

對鲅魚圈線溝河重點山洪溝進行防洪治理及堤防設計是非常必要的，目前該流域下游入海口至高速公路橋段已進行了綜合整治，設計防洪標準為50a一遇，本次計劃對高速公路橋以上河段進行防洪治理，以保證該流域防洪能力有效提升，形成比較完整的防洪體系。

[1]朱三華,黎開志,劉飛.生態堤防設計[J].中國農村水利水電，2005 (06)：76-77.

[2]梅金煥,王府義.長江中下游干流堤防設計洪水位分析[J].人民長江，2001(12)：12-14，29.

1007-7596(2017)07-0068-03

2017-06-18

李日芳(1983-)，男，遼寧沈陽人，工程師，從事水利管理工作。

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