潭江河某段治理工程堤型選擇與穩定性計算

沈志平

(江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 工程概況

江門市潭江河流治理工程是納入《全國中小河流治理和病險水庫除險加固、山洪地質災害防御和綜合治理總體規劃》的江河主要支流及獨流入海河流治理項目，治理范圍為潭江上游恩城至下游銀洲湖出海口，包括恩平、開平、臺山、新會4段。臺山市地處北回歸線以南，屬亞熱帶季風性氣候，夏季以東南季候風為主，冬季以東北季候風為主；據臺山氣象站51年資料統計，臺山市多年平均氣溫22℃，歷史最高氣溫38.3℃(2005年7月19日)，最低氣溫-0.1℃(1957年2月11日)；多年平均日照時間1841.7h，多年平均相對濕度80%。臺山市多年平均蒸發量1080.4mm，干旱指數為0.56。此外，臺山市境內年徑流也具有年際變化較大和年內分配不均的特點。臺山市境內堤段普遍存在防洪(潮)標準低、堤身低矮單薄、穿堤水閘及涵閘結構老化、設備殘舊等問題，同時本河段由于深槽迫岸，堤防迎流頂沖等多次出現險情，急需治理，本文主要討論4段中的臺山段治理工程。

2 防洪堤線布置

2.1 布置原則

防洪堤堤線布置的優劣，直接關系到整個工程的合理性和建成后所發揮的功用，尤其對工程投資大小影響重大[1]。堤線布置時，應根據防洪規劃，以及地形、地勢、地貌和地質條件，結合現有及擬建建筑物的位置、型式、施工條件和河流歷史演變，充分估計下伏層地質狀況，經過技術和經濟比評后綜合分析確定[2- 4]。本次潭江河流治理工程(臺山段)堤線布置原則如下：

(1)維持原潭江河勢流向，并與大洪水的主流線大致平行，修整局部不順暢之處，以利行洪。

(2)堤線力求平順，各堤段平緩連接，并盡可能利用現有堤防。

(3)堤線盡量布置在占地及拆遷房屋少的地帶，以利于防汛搶險和工程管理，同時降低工程投資，減少施工難度。

2.2 堤線布置

經過對工程進行現場查勘，并結合當地水利行政主管部門對本工程建設的建議和要求，確定潭江河流治理工程臺山段的治理范圍為大江段、水步段及白沙段，全長23165m。其中大江段治理長度14190m，水步段治理長度4285m，白沙段治理長度4690m，共保護耕地12.64萬畝，保護人口16.14萬人。

(1)大江段

該段堤防位于潭江右岸，起于林沖口水閘(潭江臺山段與新會段分界處)，止于漁業水閘(大江段與水步段分界處)。林沖口水閘至公益自來水廠段沿岸多為工廠、碼頭、學校及居民房等建筑，沿岸險工險段較多，曾多次出現險情；公益自來水廠至拆船廠段沿岸多為魚塘及農田，現有堤防堤身低矮單薄，堤坡較陡，堤身填土欠壓實，質量差；拆船廠段至漁業水閘段沿岸多為農田，分布有少量魚塘，堤頂路面大部分為綠道，但損壞較嚴重。經過工程布置，本段堤防治理堤線樁號為0+000～14+190，治理長度14190m。其中0+233～0+455及1+921～2+000段已進行了加固，采用的直墻+平臺混合式的均質土堤結構。根據堤防沿岸現狀，0+000～0+233段采用直墻+平臺混合式的均質土堤結構，以便與已加固堤段平順連接。1+426～1+500、1+634.3～1+921、4+350～4+500、5+394.8～5+477、11+665～12+300及12+395～12+957段采用斜坡式結構。3+834～3+934及12+300～12+395段為造船廠，考慮到船廠的運行管理需求，本段采用防洪墻結構，并預留旱閘。4+500～5+100段為公益港及中國石化臺山油庫，本段外江側建有圍墻，考慮到占地及施工期的影響，本階段暫不處理。

5+477～6+227段外江側已建有防洪墻，且較為完好，路面均已硬化，排水條件通暢，本次僅局部加高防洪墻，并進行防護欄桿改造，使其滿足本工程的防洪要求。其余堤段均采用直墻+斜坡混合式的均質土堤結構，并根據實際情況調整石墻與斜坡之間的平臺寬度，以使堤軸線順直。

(2)水步段

該段堤防位于潭江右岸，大江段上游，起于漁業水閘，止于岡寧村，沿岸多為農田及魚塘。堤外坡度陡，石墻質量較差，大部分堤頂路面為已建的綠道，但路面損壞較為嚴重，且寬度不足3.0m，兩側為綠化樹木。經工程布置，本段堤防治理堤線樁號為14+190～18+475，堤軸線長度4285m，其中17+820～17+880段為岡寧碉樓，不處理，故本段治理長度為4225m。堤防基本沿已有舊堤位置進行布置，主要采用直墻+斜坡混合式的均質土堤結構。

(3)白沙段

該段堤防位于潭江右岸，水步段上游，起于良新水閘，止于高咀村，沿岸多為農田、連片魚塘或排水溝，“兩水夾一堤”；堤外坡度陡，絕大部分堤身矮小單薄，堤身填土質量差，堤頂長滿雜樹，無法通行。經工程布置，本段堤防治理堤線樁號為白0+000～白4+690，治理長度4690m，堤防基本沿已有舊堤位置進行布置。白2+990～白3+185段外江灘地上有漁民居住，本次設計采用防洪墻加固；其余堤段主要采用直墻+斜坡混合式的均質土堤結構。

3 堤型選擇

工程防洪堤斷面型式一般可選擇直墻式斷面型式、斜坡式梯形斷面型式以及直墻+斜坡混合式斷面型式等[5]。表1展示了其優缺點。

表1 堤防型式對比表

本工程治理堤線較長，堤防型式選擇應根據潭江沿岸現有防洪堤的實際情況，從控制工程投資、減少工程占地及房屋拆遷、降低工程施工難度、生態及美觀效果好等方面綜合考慮確定[6- 8]。結合本工程實際，堤防斷面型式通過不同基礎形式組合從而形成復合式斷面堤防型式，如圖1所示，具有綜合優勢以更大程度減少洪澇災害。各分段加固堤型形式見表2，由于河段太長，此處只選取其中典型的斷面作為展示。

圖1 各斷面堤型大樣圖(單位：mm)

表2 堤防分段堤型(提取部分)

4 擋墻計算與分析

4.1 穩定性計算

(1)抗滑移穩定性計算

根據SL 379—2007《水工擋土墻設計規范》，土質地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數，應用下列公式計算：

(1)

式中，Kc—抗滑穩定安全系數；ΣG—作用于擋墻上全部豎向荷載；ΣH—作用于擋墻上全部水平向荷載；f—擋墻基底面與地基之間的摩擦系數。

(2)抗傾覆穩定性計算

抗傾覆穩定安全系數按下式計算：

(2)

式中，K0—抗傾覆穩定安全系數；∑Mv—對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH—對擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

(3)基底應力計算

擋墻基底壓應力按下式計算：

(3)

(4)安全系數

潭江干流沿岸堤防防洪標準為30年一遇，屬3級堤防，主要建筑物級別為3級。擋土墻及防洪墻屬于主要建筑物。在各種計算工況下，擋墻平均基底應力不大于地基允許承載力，最大基底應力不大于地基允許承載力的1.2倍。擋墻基底應力不均勻系數：松軟地基，基本組合小于1.5，特殊組合小于2.0；中等堅實地基，基本組合小于2.0，特殊組合小于2.5。根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》，土基上3、4級防洪墻穩定安全系數規定見表3。

表3 土基上擋土墻各種安全系數

4.2 擋墻斷面計算

臺山段擋土墻型式主要有重力式擋土墻及懸臂式擋土墻，典型設計斷面如圖2—3所示。

圖2 典型斷面1(單位：mm)

圖3 典型斷面2(單位：mm)

4.2.1計算參數

土壓力采用庫倫公式計算。采用粘性土回填堤身時，通過加大土內摩擦角，采用等值內摩擦角φD將粘聚力c包括進去，依據GB 50286—2013公式D.1.2-15計算：

(4)

依據地質報告，填筑土的抗剪強度指標[9- 11]：凝聚力c為16.2kPa，內摩擦角φ為22.2°。按照上述公式和擋土墻高度H計算等值內摩擦角φD，但最后選取用于計算的等效摩擦角不超過φ=35°。地基土與擋土墻底的摩擦系數f，依據各擋土墻所座落的土層不同而選擇不同的土層力學指標，f值依據SL 379—2007條文說明6.3.5表4選取，具體見表4。

表4 擋土墻計算參數表

表5 擋土墻計算參數表

4.2.2計算工況及結果

根據GB 50286—2013、SL 379—2007的荷載組合規定，結合該堤防可能遇見的水位，各擋土墻分別按基本組合和特殊組合進行穩定計算[12]。

(1)完建期：墻前墻后無水，屬基本組合。

(2)設計洪水位：按墻前墻后都是設計洪水位，屬基本組合。

(3)設計洪水位降落：按設計洪水位驟降0.5m計算，屬特殊組合。

采用理正擋土墻軟件進行計算，計算結果見表5。由表5可知：

(1)斷面1，即防洪墻在施工完建期及設計洪水位降落的時候，抗滑穩定不滿足規范要求，其余均滿足規范要求。

(2)斷面2，即迎水坡坡腳矮墻在各工況下的抗滑穩定不滿足規范要求，其余均滿足規范要求。

標準斷面1，即懸臂擋土墻方案的堤段淤泥深厚，根據ZK70可知，淤泥層厚達16.2m，層頂高程0.5m，層頂高程-15.7m，本段擋墻墻底高程0.2m。結合當地工程經驗，經技術經濟比較采用AB型預制管樁，樁外徑D=500mm，壁厚125mm，設計樁長18.0m，樁端持力層為粉細砂。此處采用地基處理修改2種工況下的抗滑穩定性，地基處理后抗滑系數工況1和工況3的抗滑系數分別為Kc1=127/52.7=2.4>1.25，Kc3=1.2>1.10，二者均達到設計規范要求。斷面2墻身較矮，從安全經濟的角度出發，設計采用拋填塊石方式處理，處理后施工完建期、設計洪水期及水位降落工況的抗滑穩定系數分別2.26、2.21及1.27，滿足規范要求。

5 結語

潭江干流臺山段的治理，作為江門市潭江干流治理的重要組成部分，是廣東水利“十二五”規劃的要求。現正值“十四五”規劃開局之年，全國各省水利工作面臨新形勢、新矛盾、新挑戰，本文所述工程案例可為相似工程提供有益的實踐基礎和先例，為相似工程建設或改造提供參考。