大韓堤段防洪堤方案優化設計

陳順輝

(廈門仁銘工程顧問有限公司，福建 廈門 361013)

1 工程概況

賽江為福建省“五江一溪”之一，閩東地區最大河流，流域面積5635 km2，干流河道全長175 km，平均坡降3.50‰。賽江在東口以上分為東溪和西溪，東溪流域面積2092 km2，河長94 km，坡降5.74‰，西溪流域面積1178 km2，河長105 km，坡降5.80‰。賽江流域防洪三期工程壽寧縣大韓堤段位于賽江主要支流西溪右岸大韓村，武曲鎮區上游，距離鎮政府所在地 5 km。該村位于西溪右岸地勢較開闊，但高程較低，現狀村莊位于大韓大橋上游，大橋下游主要為茶園，是規劃用地區。大韓堤段防洪堤堤全長1.128 km，設防標準P=10%。防洪堤所在的武曲鎮西溪右岸屬于山間河谷沖洪積地貌，河段兩岸地面高程在68～77 m之間，河床高程67～71 m，河灘發育，河灘寬度最小的僅數米，較大的河灘寬度達40～60 m，河道右岸岸坡高度一般在3～5 m左右，堤基主要土層為雜填土厚約0.70～3.50 m，耕植土厚度0.60 m，細砂厚約0.70～3.60 m，砂卵石厚約3.50～4.30 m，下為強風化凝灰熔巖。

2 堤型選擇

大韓堤段保護區有首批“福建省愛國主義教育基地”“寧德市少先隊張高謙精神體驗營地”的張高謙烈士陵園以及防洪堤建設范圍內有著濃厚歷史文化的古道知青路，同時根據武曲鎮總體規劃，大韓堤段保護區內將建成 333.33 hm2工業園區，落戶規模企業80余家，實現產值約 60 億元。 所以，防洪堤的斷面型式選擇非常重要，要綜合考慮各方面因素，不但要滿足防洪等安全可靠基本要求，還需要滿足造型美觀、生態及保留現狀古文化等要求。通過多次實地踏勘，結合該堤段所在河段水文、河岸地質地形條件，設計階段選定了直墻式、臺階式、斜坡式3種防洪堤斷面型式進行比選[1-3]。

直墻式堤型：墻身采用衡重式擋墻型式，高度7～8 m，墻頂寬0.8 m。迎水側邊坡1∶0.15，上墻背水側邊坡1∶0.25，衡重臺寬1.0 m，下墻背水側邊坡為1∶0.25，墻趾設置1.0×1.0 m趾腳，基礎挖深1.1 m。堤頂重建知青路，設置防汛道路，堤背填土邊坡為1∶2.0，采用草皮護坡，堤腳設置C20排水溝。

臺階式堤型：下級C20埋石混凝土擋墻+上級生態砌塊加筋土擋墻(面板為混凝土砌塊)型式。上級加筋土擋墻墻高2.6 m，砌塊規格為40 cm×30 cm×15 cm(長×厚×高)，迎水側坡度1∶0.17，墻背30 cm范圍內回填級配碎石+黏土混合料(配比3∶2)，PP單向土工格柵(60 kN/m)加筋，墻頂設置40 cm厚C20混凝土壓頂。堤頂設置寬4.5 m的防汛道路。背水側設置草皮護坡，坡度為1∶2.0，坡腳設置C20混凝土排水溝。下級C20埋石混凝土擋墻墻高3.40～5.40 m，墻頂寬1.0 m，迎水面邊坡1∶0.15，背水面邊坡1∶0.40，底坡1∶10.00，基礎挖深1.1 m，防止堤腳受水流淘刷，墻趾及墻踵均設置100 cm×100 cm(長×高)的趾角。擋墻開挖后基礎坐落在砂卵石層上。上下級中間設置2.50 m寬親水平臺。

坡式堤型：堤頂設防汛道路，寬4 m，迎水側坡比為1∶2.0，護面采用厚為150 mm現澆生態混凝土，坡腳為C20混凝土小擋墻防沖護腳，頂寬0.5 m，高2.5 m；背水側設置草皮護坡，坡度為1∶2.0，于坡腳設置C20混凝土排水溝。

以上三種防洪堤斷面型式各有優勢。本堤段涉及的河道屬山區性，兩岸防洪堤建設在做好防洪防沖措施前提下，考慮從集約節約用地，改善河道兩岸生境，留住鄉土氣息、鄉土歷史文化，營造生態景觀效果等角度，以及適應堤后城市規劃建設需求，選擇占地少、可比投資適中的臺階式堤型作為設計推薦堤型[4-5]。3種堤型比較如表1。

表1 3種斷面型式比較情況

3 優化設計及結構穩定分析

大韓堤段所在河流屬山區性河流，流域形狀呈扇形，洪水暴漲暴落。按水文分析計算，河道行洪寬度為107.0～156.0 m，10 a一遇設計洪水流量為3053 m3/s，洪水流速3.07～4.49 m/s。防洪堤斷面型式采用臺階式，上級墻采用有生態效果的加筋土擋土墻，下級墻考慮河道有防沖要求的重力式埋石混凝土擋土墻，在上、下級墻之間設置親水平臺(原知青路路面高程)，平臺寬度2.5 m(恢復知青路1.5 m)。計算斷面選取工程布置最不利斷面進行：整墻高7.0 m，上級生態砌塊加筋土擋墻墻高2.6 m。下級埋石混凝土擋墻墻高4.4 m，擋墻基礎坐落在砂卵石層上。

3.1 上級墻內部穩定分析

生態砌塊加筋土擋墻墻高為2.6 m，選用筋帶擬采用單向土工格柵抗拉力Ts=60 kN/m，土工格柵與土的截面摩擦系數f′=0.25，土工格柵在砌塊中的長度取常數0.4 m，深入土體3.0 m，土工格柵總長3.4 m，墻后填土來自合格的土料場。

根據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》(SL/T 225—1998)附錄K加筋土擋墻計算中加筋土擋墻內部穩定性驗算包括筋材的強度驗算、筋材的抗拔驗算和筋材的長度確定，如式(1)：

T=[(σv+∑Δσv)Ki+Δσh]Sv

(1)

式中：T為筋材水平拉力，kN/m；σv為某層筋材所受覆蓋土層壓力，kPa；∑Δσv為超荷載引起的垂直附加壓力，kPa；Ki為主動土壓力系數；Δσh為水平附加荷載，kPa；Sv為筋材的垂直間距，m。經計算筋材的內部穩定成果見表2。

表2 土工格柵的拉筋強度及抗拔穩定計算成果

從上表可知，土工格柵抗拉力Ts=60 kN/m>T，筋帶強度滿足要求，筋帶抗拔安全系數>1.3，滿足抗拔要求。為施工方便，不同層的土工格柵按要求的最大長度等長度鋪設，即土工格柵總長度選擇為3.4 m。

上級的生態砌塊擋土墻外部穩定性驗算，一般包括抗滑穩定、抗傾穩定和地基應力驗算，可按一般重力式擋土墻驗算方法進行，即把拉筋的末端連線與墻面板之間的填料視為一整體墻。由于加筋土擋土墻的特性、體積龐大，因抗傾覆、抗滑動穩定不足而破壞的情況很少發生，一般情況下可不進行驗算[6]。

3.2 整體穩定分析

墻體總高7 m，基礎坐落在砂卵石層上。整體穩定計算程序采用鐵道部第三勘測設計院、北京理正軟件設計研究院所開發的《理正巖土系列5.5版》。根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)附錄F設計規范計算抗滑穩定安全系數、抗傾穩定安全系數、防洪墻基底應力。

經計算，各種工況下，擋墻整體穩定及基底壓力計算結果如表3所示。

表3 下級埋石混凝土擋墻+上級生態砌塊擋墻整體穩定計算成果

從以上計算結果可知，臺階式堤型在各種工況下均能滿足規范GB 50286—2013要求。

3.3 滲流及滲透穩定計算

耕植土、粉質黏土、全風化凝灰熔巖的滲透變形類型為流土，雜填土、砂卵石的滲透變形類型為管涌。根據地質報告，堤基各主要土層的允許水力坡降：砂卵石0.15，耕植土、全風化花崗巖0.50。滲流穩定計算選取設計洪水位與場地高差最大斷面(樁號DH0+899斷面)處進行計算，程序采用河海大學編制的《水工結構有限元分析系統AutoBANK5.1》，經計算該堤段堤基滲透穩定計算結果見表4。

表4 滲流穩定計算

經計算，出逸口滲透坡降0.31，小于堤身允許滲透降0.5，堤身滲流滿足要求。

3.4 堤岸防護設計

3.4.1 堤腳沖刷深度計算

本堤段河床大部為卵石，根據規范GB 50286—2013附錄D.2.2計算。本堤段水流流向與岸坡最大交角≤15°，因此水流流速不均勻系數均取1.0，選取最大流速與最大水深斷面計算沖刷深度，計算結果見表5。

表5 沖刷深度計算

根據沖刷深度計算成果，水平段的局部沖刷最大沖刷深度為1.02 m，結合壽寧地區河流特點及已建堤防堤腳防沖的處理方式，對河道堤腳抗沖刷深度按≥1.1 m設置，同時堤腳設置拋石，增強堤腳的抗沖性能[7-8]。

3.4.2 拋石護腳粒徑計算

本堤段河床為卵石，根據規范GB 50286—2013附錄D.3.4護腳塊石保持穩定的抗沖粒徑公式計算。按平均最大流速4.49 m/s計算，則d=0.43，折算成單塊塊石最小重為95 kg。

4 結 語

(1)壽寧縣大韓堤段防洪堤因地制宜采用臺階式斷面型式，巧妙利用上、下級擋墻間平臺最大程度恢復知青路，以及利用加筋土擋墻面板種植綠植，構造生態景觀效果，適應堤后規劃要求。通過結構穩定分析計算，布置的斷面型式能滿足規范要求。大韓堤段防洪堤實施臺階式斷面長度855 m，占整個堤段總長度76%。

(2)工程實踐表明，工程設計的臺階式堤型整體結構穩定，對于保持好河道河岸生境、營造生態景觀、提升當地人居環境、保護歷史文化等方面、河道洪水抗沖刷(下級埋石混凝土擋墻)，有著經濟、社會、生態效益，可為類似防洪堤設計提供借鑒經驗。