孤山川堤型建設(shè)方案與穩(wěn)定性探析

田艷菊,王 彪

(府谷縣水利工作隊(duì)， 陜西 榆林 719499)

1 工程概況

本次規(guī)劃府谷縣重點(diǎn)段防洪工程包括府谷縣城廟溝門鎮(zhèn)沙洼右岸段、廟溝門鎮(zhèn)北草焉左岸段、孤山鎮(zhèn)下申家峁左岸段，治理河道長(zhǎng)度共計(jì)32 000.00 m，工程布置總長(zhǎng)度2164.77 m，均為新修墻式護(hù)岸。具體建設(shè)內(nèi)容均為：沙洼右岸段新修墻式護(hù)岸869.23 m，北草焉左岸段新修墻式堤防516.40 m，下申家峁左岸段新修墻式護(hù)岸779.14 m。工程區(qū)涉及人口約1.6萬(wàn)人[1]，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。

2 堤型方案選擇

2.1 堤型擬定

孤山川堤防型式按照因地制宜、就地取材的原則，結(jié)合各河段致災(zāi)原因及已成堤防斷面型式，對(duì)灘岸較高易于崩塌的河段采用護(hù)坡處理措施，對(duì)于地勢(shì)較低易受水淹的成片灘地采用堤防工程。

(1)廟溝門鎮(zhèn)沙洼段河道較窄，灘岸較高，且河道兩岸狹窄，易于塌岸，為不擠壓河道行洪斷面，滿足上下游堤防平順銜接，盡量減少占地，擬采用墻式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。

(2)廟溝門鎮(zhèn)北草焉段河道距沙洼段較近，河道情況基本相同，河道較窄，灘岸較高，兩岸狹窄，易于塌岸，為不擠壓河道行洪斷面，滿足上下游堤防平順銜接，盡量減少占地，擬采用墻式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。

(3)孤山鎮(zhèn)下申家峁段河道較窄，灘岸較高易于塌岸，為不擠壓河道行洪斷面，滿足上下游堤防平順銜接，盡量減少占地，擬采用墻式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。

2.2 堤型比選

工程涉及的3處河段河道均較窄，河道橫斷面呈倒梯形，河道兩岸存在明顯的變坡點(diǎn)，原河道主要靠河槽兩岸較陡的堤岸阻擋洪水。治理區(qū)段內(nèi)堤岸無(wú)有效的護(hù)岸措施，黃土裸露，抗沖能力差，堤岸防護(hù)需采取坡面較陡、抗沖流速大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的護(hù)岸形式。根據(jù)工程區(qū)段現(xiàn)實(shí)情況，本階段初步擬定采用墻式護(hù)岸進(jìn)行防護(hù)，重點(diǎn)比選仰斜式擋墻、衡重式擋墻及懸臂式擋墻護(hù)岸三種擋墻型式。

仰斜式擋墻是堤岸防護(hù)中常用的一種傳統(tǒng)防護(hù)形式，擋墻材料可采用混凝土或漿砌石，具有抗沖刷性能好、施工方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其特點(diǎn)是土方開(kāi)挖及回填量小；對(duì)原有堤岸或道路影響不大；可針對(duì)原有堤岸坡度靈活調(diào)整墻背坡比，迎水面坡比可調(diào)范圍也較大；只要邊坡不存在深層滑動(dòng)面，仰斜式擋土墻防護(hù)高度可達(dá)到10 m左右。

衡重式擋墻材料可采用混凝土或漿砌石，具有抗沖刷性能好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)斷面變化較多，底部墻背有反坡，墻體施工較為麻煩，墻后回填土壓實(shí)度要求較高。衡重式擋土墻防護(hù)高度可達(dá)到12 m左右。

懸臂式擋土墻構(gòu)造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工方便，能適應(yīng)較松軟的地基[2]，墻高一般在6～9 m之間，高度過(guò)高時(shí)墻背需增加扶助。懸臂式擋土墻對(duì)墻背回填土的壓實(shí)度要求較高。

比選幾種擋墻，結(jié)構(gòu)均比較穩(wěn)定，施工難易程度基本相當(dāng)。重力式擋墻結(jié)構(gòu)受力條件較好，但對(duì)地基處理要求較高；仰斜式擋墻適用于坡度較陡、不宜大開(kāi)挖的河堤，且受力條件較好，土方開(kāi)挖量小；懸臂式擋墻適用于護(hù)坡高度較高，具有大開(kāi)挖條件的河堤。結(jié)合工程區(qū)天然骨料分布和當(dāng)?shù)匾延械谭赖慕ㄖ问剑C合比較，本次3鎮(zhèn)3段防洪工程堤型均采用仰斜式漿砌石式擋墻。

2.3 堤型布置

廟溝門鎮(zhèn)沙洼段治理長(zhǎng)度869.23 m，起于居民區(qū)河岸石崖處，與右岸岸坡連接，止于蓄水池、彩鋼房附近，與石陡坎相連接。最短控制堤距為70 m；廟溝門鎮(zhèn)北草焉段治理長(zhǎng)度516.40 m。最短控制堤距為70 m；孤山鎮(zhèn)下申家峁段治理長(zhǎng)度779.14 m，起于上游石坎，向下游延伸706 m，與左岸石畔連接。最短控制堤距為80 m；三段堤防均采用仰斜式漿砌石重力式擋墻護(hù)坡形式。考慮到一定安全余度及方便施工，工程區(qū)全段堤頂超高統(tǒng)一取1.2 m，各段防洪堤在起終點(diǎn)位置處均與原河堤逐漸過(guò)渡，平順連接。

3 沖刷深度計(jì)算

本次3段堤防治理按20 a一遇洪水流速對(duì)護(hù)岸進(jìn)行沖刷深度計(jì)算。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)中的堤岸沖刷計(jì)算方法[3]，順壩及平順護(hù)岸沖刷深度按式(1)計(jì)算：

(1)

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；Uc為床面上泥沙的啟動(dòng)速度,m/s；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4。

Ucp按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：U為行近流速,m/s；η為水流流速分配不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角確定；堤防工程沖刷相關(guān)參數(shù)取值及深度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 堤防沖刷深度計(jì)算結(jié)果表

由表1可知，沙洼村段河床最大沖刷深度為2.11 m，北草焉村段河床最大沖刷深度為2.34 m，下申家峁村段河床最大沖刷深度為2.55 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，沙洼村段及北草焉段河床大面積基巖出露，抗沖能力強(qiáng)，河道下切速度很慢；下申家峁段平順段河床實(shí)際沖刷深度約0.5～0.8 m，頂沖段沖刷深度約1.2～1.5 m[4]。

根據(jù)堤防設(shè)計(jì)規(guī)范，堤防基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足沖刷深度以下0.5～1.0 m。結(jié)合計(jì)算值及地勘調(diào)查結(jié)果，在滿足沖刷要求的前提下，大部分堤基均能坐落于砂卵石層上，綜合確定，沙洼村段、北草焉村及下申家峁村段堤防基礎(chǔ)埋深不小于1.5 m，斜沖段堤防基礎(chǔ)埋深不小于3.0 m。

4 擋墻穩(wěn)定及計(jì)算分析

本次治理三段堤防相應(yīng)工程等級(jí)為4級(jí)。擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表2，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 擋墻計(jì)算安全系數(shù)

表3 地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4.1 計(jì)算方法

(1)擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算

土質(zhì)地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應(yīng)按式(3)計(jì)算

(3)

式中：Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載,kN；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載,kN。

(2)擋墻抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

擋墻抗傾覆穩(wěn)定按式(4)計(jì)算

(4)

式中：K0為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對(duì)擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對(duì)擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

(3)擋墻應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2007)[5]規(guī)定，擋土墻基底應(yīng)力應(yīng)按照式(5)計(jì)算

(5)

式中：Pmaxmin為擋土墻基底應(yīng)力的最大值或最小值,kPa；∑M為作用在擋土墻上的全部荷載對(duì)于水平面平行前墻方向形心軸的力矩之和(kN·m)；A為擋土墻基底面的面積,m2；W為擋土墻基底面對(duì)于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩,m3。

(4)計(jì)算斷面及結(jié)果

計(jì)算斷面從3個(gè)河段內(nèi)分別選取典型斷面，計(jì)算斷面墻背回填土按設(shè)計(jì)最大高度計(jì)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)表4可知，3段防護(hù)區(qū)擋墻在各種工況下，抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，各種工況下?lián)鯄Φ幕讘?yīng)力均小于地基承載力，擋墻基底應(yīng)力均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.2 滲透及滲流穩(wěn)定性分析

本工程3段防洪堤擋墻均為M7.5漿砌塊石砌筑，墻身布置直徑75 mm排水管，墻后均采用砂礫石回填。沙洼村段、北草焉村段及下申家峁村段堤頂寬度均為4 m。背水堤基本為1∶2反坡與原地面線銜接，局部堤段堤頂與原河岸線相連，擋墻不存在滲透失穩(wěn)問(wèn)題。

正常擋水時(shí)，河道內(nèi)水位較低，擋墻墻后地下水位線與河道水面基本持平，堤防不存在滲透失穩(wěn)問(wèn)題。遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，由于擋墻墻背均為砂礫石回填，屬于強(qiáng)透水料，過(guò)洪時(shí)，墻面水位較高，墻背浸潤(rùn)線會(huì)存在升高現(xiàn)象，但洪水歷時(shí)較短，加之墻背填料透水性好，擋墻墻背地下水位線降落不會(huì)延遲，擋墻穩(wěn)定不會(huì)受到影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于標(biāo)準(zhǔn)不一、堤防不連續(xù)，使得孤山川城廟溝門鎮(zhèn)沙洼右岸段、廟溝門鎮(zhèn)北草焉左岸段、孤山鎮(zhèn)下申家峁左岸段沒(méi)有形成防洪體系，為了確保當(dāng)?shù)胤篮榘踩ㄟ^(guò)堤型選擇和穩(wěn)定性探討，提出三段堤型均采用仰斜式漿砌石重力式擋墻護(hù)坡形式，其抗滑抗傾均滿足規(guī)范要求，不存在滲透失穩(wěn)問(wèn)題，為類似防洪工程建設(shè)提供了參考。