大沙河治理工程堤防設(shè)計方案分析

劉 輝

(瓦房店市水務(wù)局，遼寧 瓦房店 116300)

0 引言

堤防工程是常見的河道治理措施，通過建設(shè)堤防工程可以提高河道的防洪能力，隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，堤防工程建設(shè)同河道景觀建設(shè)已經(jīng)緊密結(jié)合[1-4]。堤防工程結(jié)構(gòu)型式多樣，針對不同的河道類型、岸坡穩(wěn)定性，需要采取不同的堤防型式。同時，堤防穩(wěn)定性是影響河道安全的一個重要因素，在河道治理工程中，需要加強(qiáng)對河道堤防穩(wěn)定性的復(fù)核驗(yàn)算，以保證河道治理效果[5-7]。

1 工程概況及堤防工程主要問題

1.1 大沙河概況

瓦房店市轄區(qū)境內(nèi)大沙河河段總長度為26.79km，其中元臺大橋上下游界河段9.10km于2006年進(jìn)行了治理，其余河段(孫屯大橋至后磊子河入口的5.75km及普、瓦市交界處至元臺鎮(zhèn)久興屯的11.2km)于2011年進(jìn)行了治理，防洪標(biāo)準(zhǔn)均為20年一遇。多年以來，瓦房店市東部城區(qū)建設(shè)緩慢，環(huán)境質(zhì)量不高，市民缺少休閑、鍛煉、娛樂的場地，大沙河雖在東部城區(qū)穿過，但整體建設(shè)水平不高，主要以防洪建設(shè)為主，未充分發(fā)揮河流在生態(tài)、旅游方面的效益。

1.2 堤防工程存在的主要問題分析

(1)河道局部河段防洪標(biāo)準(zhǔn)低。

河道基本滿足20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，但局部段河道防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，堤防背水坡坡度較陡。

(2)河道兩岸堤防堤頂寬度不足。

現(xiàn)狀堤頂寬度約為3～4m，兩側(cè)路肩種植有連翹，迎、背水坡坡比約為1∶2，迎水面采用2m×2m現(xiàn)澆四邊形混凝土網(wǎng)格護(hù)坡，若提高為2級堤防，堤頂寬度不足，堤頂路路面狹窄，雜草叢生，無法形成防汛通道。

(3)蓄水水面較少，不能達(dá)到景觀要求

目前河道內(nèi)景觀效果不佳，2006年治理時所栽種的樹木經(jīng)過多年河道的沖刷，暫存的良莠不齊，河道灘地部分地段存在植被，但植物物種相對單一。

2 堤防工程設(shè)計

2.1 堤防工程斷面形式

2.1.1斷面一

對于現(xiàn)有堤防滿足50年一遇設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)情況，且迎水面具有護(hù)坡護(hù)砌措施情況時，在現(xiàn)有護(hù)腳1m×1m鉛絲石籠外側(cè)水平貼鋪PET網(wǎng)箱護(hù)腳，護(hù)腳尺寸(2m×1.5m×0.5m)。如圖1所示。左岸護(hù)腳貼鋪長度850m(0+000～0+300，0+550～0+750，0+950～1+300)，右岸護(hù)腳貼鋪長度為520m(0+750～0+900，1+050～1+420)。

圖1 PET網(wǎng)箱水平貼鋪?zhàn)o(hù)腳標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2.1.2斷面二

對于新建堤防段，迎水坡采用PET石籠網(wǎng)箱護(hù)坡，上鋪200mm厚種植土并播撒草籽，護(hù)坡頂高程至50年一遇洪水位以上0.5m，護(hù)坡底設(shè)1.0m寬、1.5m深PET石籠網(wǎng)箱護(hù)腳；迎水坡頂至堤頂設(shè)播撒草籽生態(tài)護(hù)坡；迎水坡坡比為1∶2.0～1∶2.5。背水坡坡比為1∶2.5，采用播撒草籽生態(tài)護(hù)坡。

2.1.3斷面三

常水位43m高程以下，灘地坡度陡于1∶4的情況，邊坡需采取300mm厚干砌石護(hù)砌，下設(shè)無紡布反濾。護(hù)腳采用漿砌石護(hù)腳，頂寬1m，底寬1.75m，深度1.5m，迎水坡為直立式斷面，背坡坡比為1∶0.5。

2.1.4斷面四

景觀設(shè)計中有4處平臺需要設(shè)置水工擋土墻，斷面型式采用素砼結(jié)構(gòu)型式，擋土墻與景觀設(shè)計整平后地形平順銜接。擋土墻總長度為208.4m；素砼擋土墻背坡為1∶0.5，墻前趾外伸0.4m，墻后趾外伸0.2m，基礎(chǔ)厚度為1.5m。墻頂寬500mm。擋土墻底部300mm高設(shè)一排φ100排水管，排水管間距1.5m，梅花形布置，排水管端部包裹400g/m2無紡布。防洪墻每10m設(shè)置伸縮縫，縫寬為20mm，縫間用閉孔泡沫板填充。如圖2所示。

圖2 與景觀結(jié)合水利擋墻標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2.2 堤頂高程確定

本次設(shè)計計算出大沙河治理段50年一遇設(shè)計洪水應(yīng)達(dá)到的計算堤頂高程作為參照數(shù)據(jù)。各斷面計算堤頂高程見表1。

表1 堤頂高程計算結(jié)果

河道堤頂高程應(yīng)按設(shè)計洪水位加堤頂超高確定。堤防工程按允許越浪確定超高值，2級堤防確定安全加高值取0.4m。

堤頂超高Y由下式計算：

Y=A+R+e

(1)

式中，R—設(shè)計波浪爬高，m；e—設(shè)計風(fēng)壅增水高度，m；A—安全加高。

根據(jù)圖3可知，左岸堤防1+100～1+250需要加高，加高范圍0.03～0.2m；右岸大部分均有堤防，其中0+159～0+209、0+965～1+010為無堤段，長度為95m；右岸堤防1+250～1+350需要加高，加高范圍0.01～0.22m。

圖3 計算堤頂高程與現(xiàn)狀堤頂高程對比

2.3 河道沖刷計算

河道沖刷計算采用下式：

hs=H0×[(Ucp/Uc)n-1]

(2)

Ucp=U×(2η/1+η)

(3)

Uc=(H0/d50)0.14

(4)

式中，hs—局部沖刷深度，m；H0—沖刷處水深，m；Ucp—近岸垂線平均流速，m/s；Uc—泥沙起動流速，m/s；U—行進(jìn)流速，m/s；n—岸坡形狀系數(shù)，取0.167；η—水流流速不均勻系數(shù)，取1；γs、γ—泥沙、水的容重，kN/m3，取19.11kN/m3、9.8kN/m3；d50—床沙的中值粒徑，m，取0.0005m；

計算分別針對流速較大段和水深較大段進(jìn)行沖刷計算，選取樁號為0+050、0+159和0+300作為最不利典型斷面，計算結(jié)果見表2。

表2 護(hù)岸沖刷深度計算結(jié)果表

根據(jù)大沙河歷史沖坑調(diào)查，由于該段較順直，河段多年無大的沖坑，在轉(zhuǎn)彎河段凹岸沖刷較為嚴(yán)重。所以根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合大沙河實(shí)際情況，本次設(shè)計護(hù)腳深度取1.5m，考慮到既有堤防段的護(hù)腳長度不夠，本次增設(shè)PET水平貼坡護(hù)腳長度為1.5m，厚度為0.5m，對于常水位以下的干砌石護(hù)坡底部的漿砌石護(hù)腳，深度為1.50m，頂寬為1.0m，底寬為1.75m。

2.4 堤防滲流穩(wěn)定性分析

(1)滲透穩(wěn)定計算原則

由于大沙河治理工程河道洪水匯流均較快，洪水持續(xù)時間短，堤防難以形成穩(wěn)定滲流，但從安全方面考慮，滲流仍然按正常運(yùn)行情況下的穩(wěn)定滲流考慮[8]。因此只計算洪水期穩(wěn)定滲流工況。為提高計算精度，滲流穩(wěn)定分析采用有限元分析方法(數(shù)值法)。

(2)滲透穩(wěn)定計算參數(shù)的選擇

根據(jù)地勘資料及經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，具體設(shè)計參數(shù)見表3。

根據(jù)滲透穩(wěn)定計算成果，堤身、堤基滲流出口出逸比降小于允許比降，因此滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。見表4。

2.5 堤坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)工程實(shí)際情況，抗滑穩(wěn)定計算分析代表采用最不利斷面，即滲流計算所選斷面0+050和0+109。堤高分別為6.67m和6.79m，設(shè)計水深分別為4.61和5.07m。各河道堤基各土層物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)地質(zhì)勘察報告及試驗(yàn)報告確定。采用設(shè)計水位，背水側(cè)采用常年地下水位，選取最不利斷面進(jìn)行分析計算。本設(shè)計選取的2個典型斷面在不同工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)復(fù)核情況見表5。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：2級土堤穩(wěn)定滲流期及水位降落期可取1.25。

表5 典型斷面迎水坡邊坡穩(wěn)定復(fù)核成果

根據(jù)表計算成果可見，堤防護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計均滿足工程不同階段的自身穩(wěn)定要求，因此設(shè)計是安全的。綜上所述，本次設(shè)計堤防、護(hù)岸結(jié)構(gòu)可以滿足穩(wěn)定要求，是安全的。

3 結(jié)論

瓦房店市轄區(qū)境內(nèi)大沙河河段總長度為26.79km，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)堤防工程存在河道局部河段防洪標(biāo)準(zhǔn)低、河道兩岸堤防堤頂寬度不足、蓄水水面較少，不能達(dá)到景觀要求等問題，需要對河道進(jìn)行治理。為了保證大沙河治理工程的建設(shè)效果，提高堤防工程的生態(tài)效益。針對不同河段確定了4種堤防斷面型式。通過穩(wěn)定性復(fù)核分析計算，大沙河堤防工程的滲流穩(wěn)定性和堤坡穩(wěn)定性均可滿足相關(guān)要求。治理方案可滿足河道防洪減災(zāi)的需要，改善流域生態(tài)環(huán)境。可為類似河道綜合治理工程提供參考。堤防工程實(shí)施階段需做好與景觀工程的協(xié)調(diào)溝通工作，加強(qiáng)生態(tài)化河道的日常維護(hù)，建立監(jiān)測系統(tǒng)、確保河道安全。