雄安新區南拒馬河防洪治理工程新建及改線段右堤設計分析

崔少英

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

1 工程概況

南拒馬河是大清河北支的主要行洪通道，在南拒馬河防洪治理工程中，絕大部分右堤堤線布置原則為原堤線基礎上加高配厚。為確保大清河北支洪水不向南支串流，閉合起步區北部防線，需新建5.8 km中易水河右堤，防洪標準200年一遇。南拒馬河右堤上游及老里村五一閘彎道段如在原堤線基礎上實施加高培厚方案，占遷費用較高、水流條件不好，故南拒馬河右堤上游及老里村五一閘彎道段均按新建堤防設計，堤型與中易水河右堤一致。

2 新建堤防型式

考慮就近取材、便于施工、能適應堤基變形、便于維護以及便于新舊堤銜接和便于拒馬河生態廊道建設等因素，新建堤防型式考慮3種堤防形式：壤土均質堤、河道開挖料筑堤壤土斜墻、砂壤土筑堤壤土斜墻。

2.1 方案一：壤土均質堤

該方案全部采用堤外料場壤土筑堤，堤頂寬10 m，兩側邊坡1∶3.0。見圖1。

圖1 新堤方案一示意圖

2.2 方案二：河道開挖料筑堤壤土斜墻

為降低筑堤土料成本，減少堤外料場土用量、減少臨時征地、復耕等，以河槽開挖料為主筑堤，迎水側設置壤土斜墻。開挖料為細砂、砂壤土等混合料，控制允許出逸比降為0.2；考慮料場土雖然滲透系數較小，但黏粒含量偏低，僅略高于均質堤下限，同時考慮施工機械化等因素，斜墻頂寬參照土石壩防滲體分區要求取3.0 m、底寬5.0 m、下設防滲齒槽；堤防主體采用河槽開挖料填筑，結合穩定計算，確定堤身迎水側邊坡為1∶3.0、背水側邊坡為1∶5.0。見圖2。

圖2 新堤方案二示意圖

2.3 方案三：砂壤土筑堤壤土斜墻

為減小新堤占地寬度，該方案主要采用砂壤土筑堤。經調查，中易水河右岸灘地及南拒馬河主槽卡口疏浚段的土料存在一定厚度且可區分的砂壤土，且壓實后滲透系數較小，為3×10-5cm/s，允許出逸比降0.3，黏粒含量6.8%～7.2%。堤身兩側邊坡均采用1∶3.0，考慮留有一定安全余量，斜墻頂部寬度調整為4 m。見圖3。

以新建中易水河右堤為例，平均堤高5.7 m，延米堤防填筑量及占地面積對比見表1。

圖3 新堤方案三示意圖

表1 新堤方案填筑及占地情況對比表

綜合考慮投資、占地、開挖料利用等，本次推薦方案三，即砂壤土筑堤壤土斜墻方案。

3 堤防穩定計算

筑堤土c、φ、γ值采用料場擊實試驗成果。現狀堤身、堤基巖性及c、φ、γ根據地質勘察成果取值，堤防滲流穩定及抗滑穩定計算參數見表2。

表2 土體物理力學指標

3.1 滲流穩定計算

3.1.1 出逸坡降計算

滲流采用有限元數值分析方法計算，應用河海大學工程力學研究所研制的《水工結構有限元分析系統》程序Autobank7.7進行計算。

上述程序假定滲透介質不可壓縮，滲流符合達西定律，計算域內沒有源密度的情況，各向異性連續介質二維穩定滲流場的控制方程為：

式中：H為滲流場的水頭；kx、ky為主滲透方向的滲透系數。邊界條件有3種，分別是：

已知水頭邊界：H(x,y)|Γ1=Φ(x,y)

滲流逸邊界：H=Z

根據泛函與變分原理，將計算區域劃分為有限個單元，單元任意點水頭由單元結點水頭插值確定，通過對單元集成，建立代數方程組。求解方程組可得到滲流場的數值解即各結點的水頭值，進而可進行滲透比降和滲流量的計算。

3.1.2 計算工況

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)關于滲流及滲透穩定計算的相關規定，擬定右堤滲透穩定計算工況如下：

工況一：穩定滲流計算，迎水側為200年一遇設計水位，背水側無水時，復核堤防背水坡出逸比降。

工況二：非穩定滲流計算，迎水側由200年一遇設計水位經歷水位下降較快時段時，對迎水側堤坡穩定的不利影響，復核堤防臨水坡滲透出逸比降。

3.1.3 計算結果

計算結果見表3及圖4。

表3 滲流穩定計算成果表

圖4 滲流穩定計算結果示意圖

根據地質報告，允許水力比降建議值為砂壤土0.30、粉細砂0.12。由于新建中易水河右堤及南拒馬河上游改線段大部分堤段堤基存在中細砂層，且除南拒馬河上游改線段頂部相對不透水層較厚為7 m左右外，其余砂基以上相對不透水層較薄約3 m。經計算，砂基且頂部相對不透水層較薄堤段出逸比降均大于允許滲流坡降，可能發生滲透破壞，應采取堤基處理措施。

3.2 邊坡抗滑穩定計算

3.2.1 代表斷面選取和土巖物理力學指標選用

抗滑穩定計算選取的斷面采用滲透穩定計算選取的斷面，共11個斷面。浸潤線采用滲透穩定中計算結果。

3.2.2 地 震

防洪右堤地震烈度按Ⅷ度設防，地震動峰值加速度為0.2 g。根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)，堤防進行抗震設計。

3.2.3 公路荷載

因堤頂路面有交通要求，在邊坡穩定分析中將堤頂路面荷載按土的容重簡化為分布荷載作用在路面上。堤頂荷載按公路-Ⅰ級考慮。

3.2.4 計算方法

邊坡穩定分析采用簡化畢肖普圓弧滑動法計算，公式如下：

式中：K為某滑弧的安全系數；R為滑弧半徑；Ci、φi分別為土條的凝聚力和內摩擦角；θi為土條底面中點切線與水平線的夾角；γi為土條的濕容重；γw為水的容重；hi為土條滑弧至分層線的高度；hiw為土條滑弧至浸潤線的高度；bi為土條寬度；CsWiai為地震力作用；Wi為土條重。

具體計算采用河海大學工程力學研究所研制《水工結構有限元分析系統》程序Autobank7.7軟件計算。

3.2.5 計算工況

正常工況Ⅰ：堤內設計洪水位，堤外無水，計算堤防背水坡穩定

正常工況Ⅱ：堤內設計洪水位驟降期，計算堤防迎水坡穩定

非常工況Ⅰ：施工期，大堤內外均無水，計算堤防迎水坡、背水坡穩定

非常工況Ⅱ：多年平均水位(景觀水位)時遭遇地震，計算堤防迎水坡、背水坡穩定

3.2.6 安全系數

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)，1級堤防邊坡允許最小安全系數(簡化畢肖普法)如下：

正常運用條件：1.50

非常運用條件Ⅰ：1.30

非常運用條件Ⅱ：1.20

3.2.7 邊坡抗滑穩定計算

計算結果見表4及圖5。

根據計算結果，各斷面邊坡穩定均滿足穩定要求。

表4 邊坡穩定計算成果表

圖5 邊坡穩定計算結果示意圖

3.3 堤基處理

由于新堤大部分堤段堤基均有粉細砂、中砂層，出逸比降高于允許比降，外堤地面易發生流土破壞。根據勘察地層條件，新堤及改線段采用水泥土攪拌樁防滲墻措施進行堤基處理，處理范圍為樁號X0+000～X0+743及X1+400～X5+800。水泥土深層攪拌樁適用于處理正常固結的粉土、淤泥與淤泥質土以及黏性土等，施工工藝較簡單，工程造價較低。樁徑取0.7 m，樁打入相對不透水層1 m，平均樁長約7 m，采用套打法施工，攪拌樁中心距0.5 m。經處理后的出逸比降滿足規范要求。滲流穩定計算見表5和圖6。

表5 打樁后滲流穩定計算成果表

圖6 滲流穩定計算結果示意圖

4 結 語

1) 新建中易水河右堤5.8 km、南拒馬河右堤上游改線及老里村五一閘彎道段改線必不可少。

2) 綜合考慮投資、占地、開挖料利用等，新堤及改線段采用砂壤土筑堤壤土斜墻方案為最優方案。