典型橫斷面仿真下的堤防固坡施工技術

◎ 習雄杰 吉水縣白沙鎮綜合執法隊

水利工程河道堤防施工質量不僅影響水利工程使用壽命，還是泄洪排洪功能的重要環節[1-2]。但是河道堤防施工建設存在較多問題，施工人員重視不足影響防洪工程建設效益[3]。所以，在河道堤防工程中，應當采用科學的施工技術，確保河道堤防的安全性及穩定性。在河道橫斷面變化的研究中發現，河流的汛期動態變化與橫斷面形態互相聯系。以河流汛期的水流動力為依據，模擬河流橫斷面的形態演變，構建不同時期堤防固坡施工的工程量，保證其防洪防澇的施工技術標準[4-5]。本文以太平河堤防工程建設為例，在典型橫斷面仿真模擬下，對堤防工程建設提出防固施工應用方法。

1.太平河堤防工程概況分析

太平河全長為36.53km，河道全程較為直順，首端位于高升鎮邊道村京沈高速公路邊，末端位于新生農場為太平河閘，河口段寬50m。正常年份上游河寬12m，太平鎮段24m，太平鎮的下游段至河口段的堤距為60m，堤頂寬2.5m，堤頂高程在陸家鄉段變為5.0m，上游段基本無堤，高程降為3.0m。河道內兩邊在1：0.7到1：1左右，陸家鄉到河口段堤防有寬8～10m的壩坑，河床淤積厚約1～1.5m。目前的主要問題為：一是正常年份的排水量少，河道流速小且嚴重淤積，產生內澇；二是豐水年份少，排水不暢，政府資金短缺，無人組織同時清淤，河床底高程逐年抬高，上游段因流量較小基本無堤防，在河道過流斷面逐漸減小的情況下，河水蔓延直接威脅沿岸村屯和農田。

2.選擇治理范圍布置工程等級

為解決上述問題，對太平河全線36.53km進行清淤處理，治理長度達到30.4km即可。對未達標堤段堤防加高，兩岸建設生態護坡，維修改造穿堤建筑物。城鎮保護區不超過20萬人的防洪標準為20年到50年一遇；鄉村保護區人口不超過20萬人的保護區耕地面積小于2萬hm2。太平河保護的人口約9.5萬人，保護耕地近1.53萬hm2，本次設計主要為河道的綜合整治，治理措施主要有河道清淤、堤防加固與護坡，穿堤建筑物改建，左右岸堤防全長加高培厚，兩岸進行生態護坡[6]。

3.實例分析

3.1 設置橫斷面圍壓受力條件

除了自身的常規負載外，堤壩兩側在水流沖擊下需要維持穩定狀態，保證堤壩自身能夠在較大壓力下具備對抗內力。對施工管體的剛性位移進行模糊處理，以簡化的靜力加載方式分析各橫截面的受力性能。堤壩兩側的基礎防護為鋼筋混凝土結構，材質的彈性模量均為3.45×104MPa，內力比較如表1所示。

表1 不同形態橫斷面的內力比較

根據表1內容，外側受正向負壓，內側受負向負壓，外部輪廓曲線越平滑的橫斷面受力性能越高。由此設置太平河河段堤壩的輪廓形狀，為最大程度減少內力，以棱角較少的形態進行內部橫縱隔板設計。通過橫斷面仿真受力建模，對堤壩自身的連接段進行局部效力，并設置堤壩橫斷面的圍壓受力條件。對占據主要工程量典型河段的堤壩進行施工難度分析，得到河道堤壩的防護等級。

3.2 計算洪水位設計河堤防固高度

洪水位設計的準確性直接影響堤壩加固工程的進度，關乎整個工程的質量問題。不同的河堤洪水量計算方法都有其適用的范圍，根據不同季節的雨水補給條件，洪水位設計邊界不同，其計算結果會和實際情況產生少許偏差，因此需要因地制宜選擇計算方法。根據工程水文地質勘察規程，對太平河河段的堤壩洪水位計算采用均衡法，主要是由于該河段處于溫帶地區，降水量較為標準，符合質量守恒定律。將所在的水文地質單元假設為一個均衡區，通過某一地區的雨水收支量關系，建立雨水均衡方程：

式中：△q儲為堤壩的平均儲水量，t；q補和q排分別為雨季的補水量和排水量，t。由此確定堤壩防固建設平衡要素。為減少對河堤的勘探時間，計算洪水位，參考降水滲透法設計太平河的堤壩高程，最高洪水位的表達式為：

式中：j為最高洪水位，m；α為降雨的入滲系數，其中引入轉換系數2.74；l為區域內多年的年降雨量，mm；y為壩體中含水體的積水面積，m2；k,h為降雨對堤壩兩側的影響寬度。洪水位較大時對堤壩的沖擊會增加，排水量會對應增加，需要加大河堤防固高度；洪水位較小時剛好相反，減少河堤防固高度，最終堤壩高度應以最高洪水位為標準，防止較大洪水位對堤壩的沖擊力度。

3.3 結果分析

為驗證此次設計的固坡施工技術應用方法的實際效果，通過實地測試的方式測試壩體的平整度和承載力。分析太平河自然條件，設定防固指標。該河段為盤錦市內最大的一條排水河，地勢呈現北高南低勢態，地面高差距離3.5m，耕地面積占1.07萬公頃，平均年降水量為623.2mm，平均年相對濕度在68%，汛期水位受遼河水位控制呈現回水狀態。

太平河的穩定堤壩施工工程建設對沿線的經濟發展和生態環境起到重要影響，遵循10年一遇的設計標準。現階段河堤堤防瘦小破舊，堤頂和堤身有多處沖溝坑洼，土堤斷面不能達到規范化要求。為此，在全河段進行河道清淤工程，設置河堤左右兩岸堤防工程，并改建兩處穿堤建筑物。整體護坡為多孔自鎖生態預制塊護坡和三維土工格網草皮護坡。

根據5級堤防規范化要求，堤壩高程越浪最高為0.5m。選擇6處位置測試加固后的河段承載力，太平河堤防加高設計參數如表2所示。

表2 太平河堤防加高設計參數（單位：m）

按照5級堤防設計進行堤防加固平均培厚，迎水坡和背水坡的比值分別為1：2.0和1：2.5。選擇灘地土料為筑堤材料，以C20混凝土多孔自鎖式預制塊結構進行現澆混凝土固坡施工，坡頂壓頂框格為0.3m×0.5m，沿坡線每隔20m設置0.3m×0.4m框格，坡腳為0.4m×0.6m框格固腳。以典型橫斷面為內堤肩設計軸線，結合堤頂寬度和防汛管理確定總高程為4.0m，其中右堤斷面如圖1所示。

圖1 下太平河右堤防護典型橫斷面

根據圖2內容，設定右堤的滲透系數，按照各個工程段的地層巖性，以粉質黏土為主，局部夾少量粉土、粉砂，表層粉質黏土夾粉土。采用中高壓縮性的滲透系數進行微弱透水性測試，最終水力滲透指數1.0×10-5cm/s，主要為流土型滲透破壞樣式，總滲出高度為0.71m，為滿足堤防滲透的穩定要求，下游堤腳無須采取措施，太平河右堤穩定滲流浸潤線斷面如圖2所示。

根據圖3內容，兩側的堤防加固厚度比值符合設定標準，在按比例進行堤壩材料加固后，對其進行單位壓力下標準貫入量的強度荷載測試。按照每個位置50次和99次的擊打標準，使用加固材料對上述堤壩加固位置進行抗擊打測試，不同擊打標準下堤基壓力負載測試結果如圖3所示。

圖3 不同擊打標準下堤基壓力負載測試結果

根據圖4內容，兩個擊打標準下，擊打次數越多，單位壓力越大，堤基貫入量越高。以貫入量為位移測試標準，在不同的打擊壓力條件下，對此次施工的加固材料進行負載測試，兩個不同的抗擊打測試次數的堤基貫入量均小于0.07m，能夠維持堤基穩定，表明此次施工技術應用下的太平河堤基水平位移情況符合建設標準，滿足堤防設計要求。由于堤基的位移情況處于變化狀態，施工結束后仍需設置觀測點，定期觀察其邊坡變形情況，用于后期的定時定點維護。

為進一步驗證此次的施工技術滿足防固要求，驗收施工完成后的堤壩填筑工程，選擇多名檢測人員對整個壩坡進行檢查。保證驗收成本和效率，仍以上述6個樣點進行固坡的平整度測試，其行業要求規范為±5cm范圍內。將整個監測位置導入在MATLAB測速平臺中，利用全站儀監測工具進行坡面平整度測量，具體測試結果如表3所示。

表3 加固工程施工后邊坡平整度測試結果

根據表3內容，此次設計的固坡平整度均能滿足規范要求，不需要補充額外的墊層材料，最大限度地保證施工成本。加大對工程施工技術的研究力度，提高堤防護岸工程施工技術的應用水平，建立健全科學的水利施工管理體系，對堤防護岸施工環節進行全過程的監督和管控，提高堤防護岸工程的施工質量，確保水利工程建設的穩定性和安全性。

4.結論

（1）邊坡的平整度較高，避免了傳統墊層施工方法的繁雜的坡面作業和相互干擾，是一種簡便、高效、安全、經濟可行的施工新方法。能夠更好地適應壩體變形，保證施工材料在靜置狀態下具有較強的防裂效果，較長時間下具備更高的防滲效果。

（2）在分析太平河的工程概況基本條件下，設置其橫斷面的周圍受壓情況，對改建的堤壩路段進行等級加固，通過洪水位計算堤壩高程，在典型橫斷面仿真技術下進行壩體施工，模擬后期堤基位移量和平整度，均符合堤壩工程標準。

（3）在平整度實驗中，不需要補充額外的墊層材料，最大限度地保證施工成本。

5.結語

在太平河實際堤防工程中設計固坡施工方法，從而對其堤壩兩岸進行加固。經實例分析，施工完成的堤壩位移和平整度均符合建設標準，具有實際效果。但由于此次時間有限，只針對右岸進行驗證，結果具有一定偏差性，后續研究中需要對另一方進行測試，為綜合評價堤壩的加固效果，進行多輪驗證。對太平河進行綜合治理，通過河道清淤和堤防加固，完成生態護坡工程，提高河道兩岸的防洪能力，為恢復和維護河道生態環境提供理論支持。