基于周流河、飲馬河入海口海防堤工程結構計算探析

石 剛

(沈陽市水電土木工程建設監理有限公司，沈陽 110000)

1 工程建設方案概述

周流河、飲馬河均發源于連山區老官堡鎮境內的落石山, 流域總面積分別為36.32km2、56.86km2，河道全長分別為18.54km、16.72km，根據總體布局和自然條件的原則，并結合葫蘆島經濟開發區現有的海岸線資源，將在原有主河道的基礎上拓寬新河道[1]。周流河兩側路堤的規劃距離為80m，主河道寬度為45m，飲馬河兩側路堤的規劃距離為165×120m，主河道寬度為140×85m，防護類型為原來的原干砌石護坡，

此次設計加強了原有的干砌石護坡保護，在項目開始時，加固樁號為K0+000-K1+000，建議擬建兩處海防堤，飲馬河東側中心線長1450m，周流河中心線長2030m，中心線總長3480m，兩側堤防總長度是6960m。其中漿砌石擋土墻防護長度為5260m，柵欄板防護長度為700m，干砌石護坡加固長度為1000m，砂石路面長度為5960m，周流河、飲馬河防護標準為50a一遇[1]。

2 結構計算

2.1 建筑物結構型式

周流河河口段左、右岸(樁號ZLZ0+000-ZLZ0+200及樁號ZLY0+00記0-ZLY0+200段)、飲馬河右岸(YMY0 + 000×YMY0 + 300斷面)使用了帶平臺的復式斜坡均質土路堤，海防堤的頂部為8.0m寬，黏土填充為4.5m寬，礫石寬度為3.5m，中間設置有6.0m寬的碎石路面，兩側設置了1.0m寬的綠化帶堤頂，堤防的上坡與后坡的坡度比均為1∶2.5，在迎水坡高程的平均潮水位設置了3.0m寬的抑波平臺。地坪磚鋪設在波浪抑制平臺上，地坪磚的厚度為0.12m，普通混凝土墊層的厚度為0.1m，在消浪平臺上方，面向迎水坡的路堤采用了寬邊菱形混凝土框格草皮護坡，消浪平臺迎水側配備了1.0m高的混凝土欄桿，在消波平臺下方，采用柵欄板用于護坡，坡腳采用預制混凝土支撐塊體和拋石頭水平腳。

護坡混凝土框架的厚度為0.3m，框格內回填了種植土壤和草皮保護層，護坡欄柵板厚為0.35m，石塊厚0.5m，礫石墊層厚0.1m，預制混凝土支撐塊體長度為1.2m，厚度為0.5m，支撐塊替外側的拋石水平護腳板長為6.0m，厚為1.0m，在堤防的背水坡面上鋪設了0.3m的種植土壤并種植草皮保護[2]。周流河河口段左、右岸(樁號ZLZ0+200-ZLZ2+030及樁號ZLY0+200-ZLY2+030段)、飲馬河左、右岸(樁號YMZ1+000- YMZ1+450及樁號YMY0+300-YMY1+450段)

使用帶平臺的復式斜坡混合土路堤，海防堤的頂部寬度為8.0m寬，黏土填充為4.5m寬，礫石寬度為3.5m寬，中間設置一條6.0m寬的碎石路，在路堤頂部的兩側設置1.0m寬的綠化帶。

堤壩的迎水坡和背水坡的坡度比均為1：2.5，在迎水坡高程的平均潮汐高度設置了一個3.0m寬的平臺，地坪磚鋪在平臺上，地坪磚的厚度為0.12m，下面設置了厚度為0.1m的普通混凝土墊層[2]。平臺以上堤防迎水坡由大邊菱形混凝土框格草皮護坡，消浪平臺的迎水側設置1.0m高的混凝土欄桿， 護坡混凝土框格的厚度為0.3m， 砂漿擋土墻頂部寬度為0.5m，基礎埋深為1.2m，下方設有厚度為0.1m的普通混凝土墊層，迎水側垂直排列，護腳石籠的水平長度為6.0m，厚度為0.5m，下面設有反向過濾土工布，在堤防的背水坡面上鋪設了0.3m的種植土壤和草皮保護[3]。周流河、飲馬河防護柵欄板段標準斷面及防護漿砌石擋土墻標準斷面分圖1及圖2。

圖1 周流河、飲馬河防護柵欄板段標準斷面圖

圖2 周流河、飲馬河防護漿砌石擋土墻標準斷面圖

2.2 堤防滲透穩定分析

周流河、飲馬河河流域降水多集中在汛期，大暴雨持續時間為1-2d，最短為數小時，洪水歷時短，急漲急落，根據典型洪水過程線可以查出，洪水自設計洪水位降落至堤基地面高程僅4h。穩定滲流浸潤線計算簡圖見圖3。

(1)

n0=n(1-Sw%)

(2)

式中：[T]為滲流在背水坡腳出現的時間；[k]為堤身滲透系數；[n0]為土的有效孔隙率；[n]為土的孔隙率；[SW%]為飽和度；

根據本次地勘成果并結合本次整治后實際情況進行綜合分析，確定堤身土料計算參數選取周流河堤防左岸ZLH1+000及右岸ZLH1+200斷面，飲馬堤防左岸YMH 1+200及右岸YMH 0+800斷面。根據《堤防工程設計規范》中公式計算浸潤線鋒面距迎水坡坡腳距離。

(3)

2.3 堤防邊坡抗滑穩定計算

根據地勘成果并結合本次整治后實際情況進行綜合分析，對應浸潤線計算成果，選取周流河堤防ZLZ1+000及ZLY1+200斷面，飲馬堤防YMZ 1+200及YMY 0+800斷面共計4個典型斷面進行穩定計算，計算結果見表1。

表1 堤防邊坡穩定計算成果表

由表1可知，各工況堤防的抗滑穩定均滿足設計要求。

2.4 沉降量計算

堤基的最終沉陷量計算按《海堤工程設計規范》計算。其計算公式如下：

(4)

式中：S為最終沉降量，mm；n為壓縮層范圍的土層數；e1i為第i土層在平均自重應力作用下的空隙比；e2i為第i土層在平均自重應力和平均附加應力共同作用下的空隙比；hi為第i土層的厚度，mm；m為修正系數，本次海堤設計取1.4。

堤防最終沉降量計算結果見表2。

從計算結果可知，新建堤防的典型斷面沉降量在293mm至354mm之間，本次設計新建堤防預留沉降量為400mm。

表2 堤防最終沉降量計算成果表

2.5 干砌石護坡穩定性

坡比按最陡處考慮為1∶2.0，坡角為27°，則塊石護坡沿堤坡滑動的安全系數為：

K=(W1×cosα×tgφ+W2×tgφ)/(W1×sinα)

(5)

式中：K為穩定安全系數；W1、W2為土體重量；α為迎水坡坡角，27°；φ為干砌石與回填土摩擦角，27°。

代入上式：K=1.38

干砌石滿足堤坡抗滑要求。

2.6 沖刷計算

堤岸沖刷深度計算采用《堤防工程設計規范-2013》中的計算公式，公式如下：

hp=ph

(6)

hB=hp((vp/vh)n-1)

(7)

t=hp-h+hB

(8)

式中：hB為局部沖刷深度，m；n為與岸坡形狀有關的系數(n=1/4)；v為河床允許不沖流速，m/s；vp為河槽平均流速，m/s；hp為河床沖刷后水深，m；h為河床沖刷前水深，m；t為河床沖刷深度，m。

經計算，周流河、飲馬河干流堤防沖刷深度為1.32-1.80m，選擇擋墻外采取水平防護，防護長度為3倍沖刷深度，取6.0m[4]。

2.7 漿砌石擋墻穩定計算

本次設計周流河、飲馬河入海口段海防堤護岸擋墻最高1.97m，擋墻結構尺寸：擋墻墻身高1.97m，墻底寬2.48m，底板厚1.20m，頂寬0.50m，前趾懸挑長0.5m，后趾懸挑長0.50m。擋墻各工況土壓力計算結果見表3。

表3 擋墻土壓力計算成果表

翼墻基底面與地基之間的摩擦系數f值，取0.40。擋墻抗滑穩定計算結果見表4。

表4 擋墻抗滑穩定計算成果表

從計算結果可以看出，擋土墻墻抗滑穩定滿足要求。擋墻各工況抗傾穩定計算結果見表5。

表5 擋墻抗傾穩定計算成果表

從計算結果可以看出，擋土墻抗傾穩定滿足規范要求。擋墻各工況基底應力計算結果見表6。

表6 擋墻基底應力計算成果表

經計算擋土墻基底應力滿足規范要求。

2.8 海防堤園區內排水處理

海防堤外側為工業區新能源鋁業基地，園區規劃堤外側排水布置由產業園區配套的綜合管網銜接，新能源鋁業基地排水干管平行園區道路鋪設，最終由泵站提水到河道排入大海[5]。雨水共分5個出口排入河道，其中周流河3處，飲馬河2處，排水管道為φ800mm-φ1200mm鋼筋混凝土管，排水處設雨水閘門井，管底標高與排水系統產業區配套綜合管網吻合，排水管出口設計雙絞格網石籠消能方式，石籠尺寸為長6000mm×寬4000mm×厚500mm。

2.9 臺階

周流河、飲馬河結合河道景觀建設，方便游人親水，在新建堤防處迎水坡的堤坡處修建臺階，每200m設定一處[6]。周流河兩側新建堤防4060m，設臺階20處，飲馬河新建堤防1900m，設臺階10處。臺階為漿砌條料石結構，下設100mmC25混凝土，300mm漿砌石，200mm砂礫料墊層，臺階漿砌條料石規格選定 150mm×300mm×1000mm。

2.10 堤基處理

根據地質勘察報告本工程區域地層主要由素填土、淤泥質砂土、細粒土質砂、低液限粉土等等組成。可采用拋石擠淤法或挖除淤泥做為基礎持力層[7]。

飲馬河K0+000-K0+950段、周流河K0+000-K0+500段河道內土體多數土壤大多為粉質土，不能作為路堤材料，應根據設計斷面的底部標高挖出河道中的泥土。本次設計考慮選定拋石擠淤法施工，結合地勘淤泥層資料最終確定拋石擠淤法處理到細粒土質砂層，平均深度為2.5m，根據地基計算系統對海防堤斷面進行地基沉降分析，斷面最終沉降在0.1m以內，對海防堤的施工不會造成明顯影響，所以可以正常進行施工，不用采取其他特殊措施。

3 結 語

本工程建設為上述兩河海防堤的防洪及防潮標準為50a一遇，海防堤工程級別為2級，穿堤建筑物級別亦為2級[8]。工程建設范圍根據周流河、飲馬河受海潮影響范圍，周流河海防堤建設涉及河長為2030m，飲馬河建設涉及河長1450m。新建海防堤總長5960m，其中：周流河左、右岸各2030m，飲馬河左岸450m、右岸1450m；加固飲馬河左岸海防堤1000m；新建穿堤排水管涵5座，其中：周流河3座，飲馬河2座，設坡面踏步臺階周流河20處，飲馬河10處。通過上述工程結構計算,均滿足的《堤防工程設計規范》設計要求。