某防洪堤工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和堤防穩(wěn)定分析

王緒彬， 劉鵬程， 朱健

（1.徐州市南水北調(diào)工程管理中心,江蘇 徐州 221200；2.上海千年城市規(guī)劃工程設(shè)計股份有限公司淮海設(shè)計院,江蘇 宿遷 223800）

1 河道現(xiàn)狀

某項目區(qū)位于河道左岸,現(xiàn)狀主要為竹林,目前尚未建設(shè)防洪堤,也沒有規(guī)劃岸線,出現(xiàn)暴雨洪水時農(nóng)田受淹道路設(shè)施沖毀。工程的建設(shè)將解決左岸居民地開發(fā)建設(shè)的防洪安全問題,將使防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足要求,提升居民生活品質(zhì),同時工程按需改造排澇涵洞,及時排除堤內(nèi)澇水。本次治理河道長度為 3.19 km,總體布置上形成兩條線,一條為防洪岸線,一條為親水駁岸線,防洪岸線背水側(cè)為規(guī)劃居民用地,并沿岸線設(shè)置通道,親水駁岸線沿現(xiàn)狀臨水線布置,防洪岸線與親水駁岸線間為休閑親水平臺,防洪岸線長1.5 km,親水駁岸線長1.69 km。本文主要對河道防洪堤進(jìn)行設(shè)計,并對防洪堤堤岸及護(hù)岸擋墻進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計算。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 斷面方案選擇

本工程只涉及河道左岸,斷面形式的選擇主要為護(hù)岸形式的選擇。河道護(hù)岸形式一般可采用斜坡式、復(fù)合式、直立式三種形式,三者各有優(yōu)劣,根據(jù)本工程實際情況,為充分利用灘地的親水性提高居住樂趣,盡可能保持河道的生態(tài)功能,本工程主要采用復(fù)合式斷面,上游約60 m為與上游已建護(hù)岸銜接則采用直立式斷面。

本工程復(fù)合式斷面下部擋墻高3 m～4 m,一般可以采用重力式擋墻、生態(tài)砌塊擋墻或板樁式擋墻。就三種擋墻形式而言,重力式擋墻采用傳統(tǒng)施工工藝,施工較為簡單,但生態(tài)性較差,生態(tài)砌塊擋墻生態(tài)性較好,但是需要進(jìn)行大量土方開挖,同時造價也比較高,板樁式擋墻施工相對簡單,但造價很高,生態(tài)性也較差。綜合上述分析,本次項目擬采用傳統(tǒng)重力式擋墻結(jié)構(gòu),該方案施工工藝簡單、造價也較為便宜。

2.2 護(hù)坡形式比選

根據(jù)選定的土堤型式以及河道斷面平均流速,對土堤邊坡的防護(hù)型式進(jìn)行比較。由于該河道平均流速較大,且考慮河道轉(zhuǎn)彎段,流態(tài)復(fù)雜、流速較大,并且充分結(jié)合現(xiàn)場沖刷情況及上下游護(hù)坡相統(tǒng)一,考慮采用 M7.5 漿砌塊石護(hù)坡、干砌條（塊）石護(hù)坡、聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡、生態(tài)砼護(hù)坡護(hù)坡及三維水土保護(hù)毯等多種方案進(jìn)行比選[1],土堤護(hù)坡型式主要工程量及投資比較見表1。幾種護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式如下：

表1 土堤護(hù)坡型式主要工程量及投資比較表

（1）M7.5 漿砌塊石斷面型式為：按設(shè)計坡度培厚填土修坡后,在坡面用250 mm厚 M7.5 漿砌塊石護(hù)砌,下設(shè)150 mm 厚碎石墊層。

（2）干砌條石斷面型式為：按設(shè)計坡度培厚填土修坡后,在坡面用250 mm厚干砌條石(塊石）進(jìn)行護(hù)砌,下設(shè)150 mm厚碎石墊層。

（3）聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡的斷面型式為：迎水坡按設(shè)計坡度填土修坡后,面層鋪砌環(huán)保砼預(yù)制塊,預(yù)制塊厚度0.15 m。

（4）生態(tài)混凝土護(hù)坡的斷面型式為：按設(shè)計坡度培厚填土修坡后,在坡面用120 mm 厚生態(tài)砼護(hù)坡（表面植草）。

（5）三維水土保護(hù)毯生態(tài)護(hù)坡的斷面型式為：按設(shè)計坡度填土修坡后,撒播草種,然后鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)型三維開孔合成網(wǎng)墊,再覆20 mm厚耕植土層。

經(jīng)濟(jì)比較方面,從上表可以看出,生態(tài)混凝土護(hù)坡價格最高,干砌條石護(hù)坡最便宜。

技術(shù)方面比較：M7.5 漿砌塊石護(hù)坡及干砌條、石護(hù)坡的抗沖流速可以達(dá)到2.5 m/s～4.0 m/s,其中M7.5 漿砌塊石護(hù)坡稍好,聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡已在國內(nèi)部分省市應(yīng)用,其采用自鎖式預(yù)制塊,標(biāo)準(zhǔn)孔洞率達(dá)37.5%左右,理論抗沖流速可以達(dá)到4 m/s～5 m/s,三維水土保護(hù)毯的抗沖流速可以達(dá)到 5 m/s～5.57 m/s,綠化覆蓋率≥95%。

美觀方面比較：M7.5 漿砌塊石護(hù)坡整體性較好,外觀上比干砌條、塊石稍好,但其與環(huán)境相融性差,目前提倡保護(hù)生態(tài)資源,條塊石開采難,市場難以購買,三維水土保護(hù)毯、聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡及生態(tài)混凝土護(hù)坡綠化效果好,與周邊環(huán)境相融性好。

工程管理方面比較：M7.5漿砌塊石護(hù)坡整體性較好,較干砌條、塊石護(hù)坡更方便管理；而三維水土保護(hù)毯、聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡及生態(tài)混凝土護(hù)坡由于存在草皮,后期存在草皮養(yǎng)護(hù)問題。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,結(jié)合工程整體性,M7.5漿砌塊石護(hù)坡造價高,漿砌或干砌石護(hù)坡容易造成河道渠化,生態(tài)性較差；生態(tài)混凝土護(hù)坡的工程可靠性還有待檢驗；聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡和三維水土保護(hù)毯達(dá)到河道抗沖流速要求,也可滿足生態(tài)景觀要求。綜上所述,本工程選用聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡。

2.3 設(shè)計斷面

本段堤防采用復(fù)合式斷面,上部采用土坡結(jié)構(gòu),下部為重力式擋墻結(jié)構(gòu),10 年一遇設(shè)計水位35.86 m～35.01 m,設(shè)計堤頂高程約為38.24 m～35.90 m。上部土坡高1.4 m～3.0 m左右,堤頂為 C30 砼路面厚200 mm,內(nèi)側(cè)場地在藍(lán)線保護(hù)范圍外整平作為居住地。迎水面外坡坡比 1∶2.0,坡面采用生態(tài)砌塊護(hù)坡厚0.15 m,坡腳設(shè)置C20 砼阻滑體高1m,背水面坡比1∶1.5,采用草皮護(hù)坡。灘地臨水側(cè)親水駁岸采用重力式擋墻。擋墻墻身采用C20 埋石砼澆筑,墻頂寬0.9 m,臨水側(cè)坡為直立擋墻,背水側(cè)坡比1∶0.4。擋墻基礎(chǔ)采用C25鋼筋砼底板厚1.0 m。墻前河底采用拋石護(hù)腳。墻頂采用C25砼壓頂厚0.3 m,并設(shè)置仿木紋欄桿。墻背采用中粗砂回填（相對密度＞0.65）,面層采用亞粘土夯填（壓實度≥0.91）厚 0.5 m。

圖1 堤防斷面設(shè)計圖

2.4 沖刷計算

（1）計算方法

按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）的規(guī)定,對防洪堤腳沖刷坑深度進(jìn)行計算,計算公式采用規(guī)范附錄 D.2 規(guī)定的公式。

（2）沖刷深度hs計算

本工程沖刷深度計算分別選取以下幾組典型斷面進(jìn)行計算,各斷面不同地質(zhì)條件下沖刷深度計算成果見表2。

表2 護(hù)岸平行岸坡沖刷最大沖刷深度

從計算結(jié)果可知護(hù)岸及防沖護(hù)腳段局部沖刷深度為 0.45 m～1.05 m,本次設(shè)計護(hù)岸段采用拋填塊石護(hù)腳,厚800 mm措施進(jìn)行防護(hù),基礎(chǔ)埋深位于沖刷深度線以下,可有效提高地基防沖能力。

3 堤防整體穩(wěn)定計算

3.1 滲透穩(wěn)定分析

本次新建防洪堤背水側(cè)為規(guī)劃居民區(qū),將與防洪堤同步實施。項目實施后, 背水側(cè)地面均抬高至堤頂。因此,不存在由防洪堤迎水側(cè)向背水側(cè)滲透的水頭差, 故設(shè)計堤岸不存在滲透穩(wěn)定問題。

3.2 堤岸滑坡穩(wěn)定分析

根據(jù)地形、地質(zhì)和水文、波浪條件以及斷面型式,選擇具有代表性的斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析,計算在最不利荷載和最不利水位組合情況下的最小安全系數(shù),并滿足在正常運行條件下的最小安全系數(shù) K＞1.10,非正常運行條件Ⅰ下的最小安全系數(shù)K＞1.05 的要求。穩(wěn)定分析計算方法采用瑞典圓弧滑動法,計算公式如下[2]：

式中：Ro為滑弧半徑,m；Mc為水平向地震慣性力（∑Dh）對圓心的力矩,kN·m,非抗震工況此項計零；∑h為某一土條的總高度,m；∑Dh（∑DV）為某一土條的水平（垂直）地震力總和,kN,非抗震工況此項計零；a為土條底面中點處切線與水平線的夾角,°；Z 為壩坡外水位高出土條底面中點的距離,m采總應(yīng)力法時此項計零；r0為水容重（r0=1）；US為在條塊底面中點處的孔隙水壓力值,kN,采用總應(yīng)力法時此項計零；c、分別為土的強(qiáng)度指標(biāo),根據(jù)采用計算方法而定；∑Wk（∑Wh）為計算抗滑滑動時單位寬度土條的重量。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告,根據(jù)土工試驗和靜探、標(biāo)貫試驗成果,其他材料容重、力學(xué)性能指標(biāo)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗取值。

選取JSFH0+250作為典型斷面進(jìn)行計算,計算工況為：工況①：設(shè)計洪水位下臨水坡的穩(wěn)定；工況②：完建期臨水坡的穩(wěn)定；工況③：設(shè)計洪水位降落期臨水坡的穩(wěn)定。

穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

表3 邊坡穩(wěn)定分析成果表

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定以及表3邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果,正常運行條件下的最小安全系數(shù) K=2.13＞1.10,非常運行條件下的最小安全系數(shù) K=3.34＞1.05,因此,堤岸滑坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

圖2 堤防斷面設(shè)計圖

3.3 護(hù)岸擋墻穩(wěn)定應(yīng)力分析

抗滑擋土墻抗滑穩(wěn)定應(yīng)力分析前,應(yīng)先進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計算,計算公式采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中土質(zhì)地基的擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式, 不再列出,穩(wěn)定要求安全系數(shù)應(yīng)不小于《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中5級堤防工程的規(guī)定值,計算參數(shù)和工況如下：

（1）計算參數(shù)

埋石砼的容重γ=24 kN/m3,墻背填土容重γ土=18 kN/m3；墻背回填中粗砂的等效內(nèi)摩擦角 =33°,土體與墻背間的摩擦角δ= /2；擋墻基底摩擦系數(shù)1=0.45。

（2）計算工況

①工況 1：正常水位下?lián)鯄Ψ€(wěn)定；②工況 2：堤防設(shè)計洪水位降落期擋土墻穩(wěn)定；③工況 3：工程完工期,墻背已填土,外江側(cè)無水。

（3）穩(wěn)定分析結(jié)果

根據(jù)各工況荷載組合,采用北京理正軟件設(shè)計研究所編制的巖土計算系列軟件 5.11 版的擋土墻設(shè)計分析模塊,各工況擋墻穩(wěn)定與應(yīng)力計算成果見表 4。

表4 擋墻穩(wěn)定與應(yīng)力計算成果

經(jīng)計算,擋墻抗滑、抗傾覆計算值均大于允許值,基底應(yīng)力比均在允許范圍內(nèi),擋土墻穩(wěn)定可以滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

通過對河道防洪堤工程建設(shè),解決左岸居民地開發(fā)建設(shè)的防洪安全問題,將使防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足要求,提升居民生活品質(zhì),同時工程按需改造排澇涵洞,及時排除堤內(nèi)澇水,確保沿河兩岸人民的生命財產(chǎn)安全,改善環(huán)境質(zhì)量。工程于2018 年 5 月完工,確保了洪水期來臨時能夠抵御洪水,目前效果顯著。