淺論堆石混凝土在山區河道整治工程堤防建設中的應用

邵守義

（廣東鴻土規劃設計有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

本文結合陜西省“引漢濟渭”工程秦嶺隧洞0-1號勘探試驗洞棄渣場土地復墾工程中配套建設的蒲河河堤防護工程，探討把堆石混凝土技術應用在山區河道堤防建設中，一是就地利用山區河道中的卵石或石質棄渣，減少投資；二是提高河道防洪標準，保護河道兩側村鎮、農田安全。堆石混凝土的施工方法，首先是將隧洞廢棄塊石（河道卵石）堆積有空隙的堆石體（1.5m/層），然后從堆石體上部澆入堆石混凝土專用的自密實混凝土，依靠自重完全填充堆石體空隙，形成完整、密實、有較高強度的混凝土。

1 工程簡介

“引漢濟渭”工程是將漢江水引入渭河以補充西安、寶雞、咸陽等 5個大中城市的給水量。中鐵十七局集團公司中標越嶺段0-1號勘探試驗洞工程，工程主要建設內容為：3.05km主洞和1.5km支洞。工程至2015年底隧洞開挖工程基本結束，棄渣場已到服務期末，不再進行棄渣，按土地管理部門的要求，對棄渣場進行土地復墾。本工程是陜西省“引漢濟渭”工程秦嶺隧洞 0-1號勘探試驗洞棄渣場在土地復墾過程中配套建設的蒲河河堤防護工程，工程所在漢中市佛坪縣郭家壩村。

2 工程區自然概況

2.1 地貌

項目區地形地貌由高、中、低山與河谷川道構成。山地高程1100m以上，河谷川道高程在500～800m之間。河溝及支溝出口因沖積、洪積作用，形成許多串珠狀的坪壩和階地，成為奇特的秦嶺山地農業景觀。

2.2 氣候

工程地處北亞熱帶邊緣季風氣候區。由于本流域高低懸殊，地貌差異較大，因而兼有暖濕帶和中濕帶山地氣候特征。項目區氣候溫和，雨量充沛。多年平均氣溫11.4℃，多年平均降水量922.8mm，全年無霜期218天。

2.3 水文

工程建設地屬子蒲河水系，蒲河由北向南流入汶水河，最后流入子午河，匯入漢江。項目區所處河段切割較淺，耕地由坪壩和河谷階地構成，全部為壩、坪地貌。沿河兩岸的農耕地土壤大部分屬沖積—坡積型，高程在800m以下，耕地平均高出河床2～5m。蒲河流域地面由北向南傾斜，總體地形北高南低，山勢開闊，為典型的“U”型河谷。地下水類型為基巖裂隙潛水和第四系孔隙潛水。

2.4 地質

工程區出露地層由老至新主要為下元古界西鄉群（Pt1x3）的片麻巖、震旦系下統耀河嶺組（Zay）的夾石英巖、寒武系（∈）的灰色云母石英片巖、奧陶系～志留系（O～S）的淺灰黑色黑云母石英片巖、泥盆系中統（D2）的灰色結晶灰巖、石炭系（C）及二迭系（P）的灰色灰巖、下第三系（E）的紫紅色細砂巖和第四系（Q）的砂卵（礫）石、砂、砂壤土、壤土、黃土等。

3 工程設計

本項目農田位于公路外側近河床岸邊，易受洪水威脅，沿河需修建防護堤。按照土地開發整理及水利部門的有關標準，各種水工建筑物均屬五級，依據《佛坪縣陳家壩鎮防洪工程規劃報告》本項目區蒲河河堤為20年一遇防洪標準。

3.1 設計標準

①工程級別采用5級；

②防洪標準，蒲河河堤為20年一遇防洪標準進行設計；

③穩定安全系數，在正常運用條件時，5級工程的堤防土基抗滑穩定安全系數Kc≥1.15；抗傾穩定安全系數Ky≥1.4；

④基底應力，河堤在各種荷載組合的情況下，基底的最大壓應力應小于地基的允許承載力，河堤基底的壓應力最大值與最小值之比的允許值：粘土宜取1.5～2.0；砂土宜取2.0～3.0；巖基上的防洪墻基底不應出現拉應力；

⑤臨河護岸沿長度方向設置變形縫，分縫間距為15m，縫寬可采用2～2.5cm,采用聚乙烯閉孔泡沫板填充。

3.2 洪水流量復核計算

蒲河在工程區即郭家壩村段的洪水流量，參考引用陜西省水利廳關于佛坪縣蒲河（大河壩、石墩河、陳家壩鎮）防洪工程初步設計的批復內的數據（20年一遇洪峰洪量為1137m3/s）。

3.3 河道行洪斷面校核

蒲河洪水流量及過水斷面復核表

經驗算蒲河現狀排水能力均滿足排洪要求。

①沖刷深度計算

依據《堤防工程設計規范》（GB50286—2013）附錄 D，對水流沖刷深度進行計算，由于本項目中新修河堤基本在河道順流段，故僅對水流平行岸坡情況進行沖刷深度計算，（水流水深、流量均采用設計護岸高度減去安全超高 0.5m進行計算）如下：

水流平行岸坡產生的沖刷可按下式計算：

式中：hB—局部沖刷深度（m），從水面起算；

hp—沖刷處的水深（m），以近似設計水位最大深度代替；

Ucp—進岸垂線平均流速（m/s）；

UC—泥沙啟動流速（m/s），對于黏性與砂質河床可采用張瑾公式計算。

ro、r—泥沙與水的容重(KN/m3)；

H0—行近水流水深(m)；

d50—床砂的中值粒徑(mm)；

g—重力加速度(m/s2)

n—與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n=1/4—1/6。

η—水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α確定；

水流流速不均勻系數

河道沖刷深度計算表

②基礎埋深確定

蒲河平順段凸岸采用沖刷深度加上安全深度（0.5m）之和作為基礎深度，即自斷面深泓高程往下2.0m的高程為基礎底面高程。

3.4 洪水位及堤頂高程復核計算

洪水位的復核計算按各片河床高程加洪水水深，即洪水水位線；堤頂高程為洪水水位線加堤的安全超高，安全超高為復核出的原計算結果，蒲河郭家壩段洪水量以原規劃報告中的洪水量進行計算。以此來計算各河（溝）道的設計堤頂高程。

3.5 臨河堤身斷面設計

依據水利部門設計的二十年一遇洪水水位高程為蒲河河堤的設計高程。參照臨近已成河堤及當地群眾意見，臨河護岸采用重力擋土墻形式，堆石砼結構，根據河流及其溝道的行洪斷面、洪峰高度確定。河堤河道深泓以上高為8m，河道深泓以下埋深為2m，河堤頂寬為80cm，設計臨河邊坡為1：0.2背水坡邊坡為1：0.55。

3.6 新建河堤擋墻穩定計算

本次選擇新建蒲河河堤進行擋土墻穩定安全系數計算，計算工況為施工完建期，背水側地下水位與蒲河水位齊平，臨水側無水。

①抗滑穩定計算

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-98)中附錄F中公式F.0.4計算：

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-98)表2.2.5規定5級堤防正常運行條件下抗滑穩定安全系數土基應不小于 1.15，巖基應不小 1.00。經計算斷面設計抗滑穩定安全系數滿足規范要求。

②抗傾覆計算

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-98)中附錄F中公式F.0.5計算：

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-98)表2.2.6規定，5級堤防正常運行條件下抗傾穩定安全系數應不小于 1.40。經計算斷面設計抗傾覆安全系數滿足規范要求。

③擋土墻基底壓應力為：

σmax，min=ΣG/A±ΣM/ΣW

經計算，新建計算斷面的基底最大壓應力均小于砂礫石堤基的允許承載力，符合規范要求。

4 工程施工

1）分層分塊：根據堆石混凝土施工技術要求及設計圖紙，分層高度為1.5m，分縫長度為15m。

2）堆石料選取：堆石料取料棄渣場內（或利用河道內卵石），利用挖掘機選取粒徑大于30cm、新鮮完整、質地堅硬且無剝落層和裂紋的塊石，沖洗掉表面附著的泥土，堆存備用。

3）模板安裝：鋼模板用于河堤兩側部位，木模板用于鋼模板拼接不到的各邊角部位補縫。模板安裝前先測量放線，按照放線位置進行模板安裝。

4）堆石：大尺寸塊石堆放在河堤橫斷面中心部位，粒徑小的塊石堆在模板附近，堆石體與模板之間應保留不小于10cm的空隙作為保護層。堆石前，先在河堤基礎底面澆筑一層 15cm厚的常規混凝土，并在混凝土初凝前將堆石埋入混凝土中，確保堆石混凝土與基礎結合良好。

5）混凝土澆筑：順序應做到由下到上、分層進行，在堆石下方密實后，混凝土到達層面時，控制澆筑高度，一般情況下混凝土面低于堆石面10cm，以便于下個層面的粘結。

5 工程優點

1） 就地取材、降低水泥用量

堆石砼河堤利用了大量的原隧洞開挖時產生的廢棄塊石（部分河道卵石）作為建筑材料；混凝土使用了大量的塊石（約 60%）作為主要建筑材料，只需要使用 40%的自密實混凝土進行空隙的充填，其單方水泥用量與常規混凝土相比減少了65%左右。

2） 結構穩定提高了河道防洪標準

堆石混凝土施工所使用的機械設備均為常規設備，利用了隧洞開挖施工中的機械，免除了混凝土澆注的振搗工序，減少了溫控措施，施工工藝簡單。建成后河堤橫斷面穩定性較高，提高了河道防洪標準，經受了當地2015年6月29日暴雨（注：為近60年夏初同期少見，僅次于2002年“6.9”暴雨）考驗。