中小河流治理工程中堤防加固設(shè)計思路探索

謝 瓊，彭有義

(湖北誠聯(lián)水利水電勘察設(shè)計有限公司，湖北黃岡438000)

中小河流治理工程中堤防加固設(shè)計思路探索

謝 瓊，彭有義

(湖北誠聯(lián)水利水電勘察設(shè)計有限公司，湖北黃岡438000)

陳廟河河道存在局部淤堵，沿河兩岸堤防堤坡偏陡、堤頂欠高欠寬，跨河橋梁下游消能防沖設(shè)施破壞嚴(yán)重，穿堤建筑物年久失修、老化損毀嚴(yán)重，加上汛期巴河干流水位頂托，河道行洪能力不足，防洪能力不能滿足規(guī)范要求。結(jié)合河堤實際情況，對河堤結(jié)構(gòu)存在的病害現(xiàn)象采取加固設(shè)計，對加固方案進(jìn)行比選優(yōu)化，提出詳細(xì)的設(shè)計思路，旨在為同行提供參考借鑒。

水利工程;河堤工程;除險加固;滲流分析;中小河流治理

1 工程概況

陳廟河位于湖北省浠水縣境內(nèi)，為巴水(長江北岸一級支流)支流，干流長26.5 km，流域面積179.5 km2。擬治理工程位于陳廟河入巴河口段，河段全長5.21 km。

陳廟河河道存在局部淤堵，沿河兩岸堤防堤坡偏陡、堤頂欠高欠寬，跨河橋梁下游消能防沖設(shè)施破壞嚴(yán)重，穿堤建筑物年久失修、老化損毀嚴(yán)重，加上汛期巴河干流水位頂托，河道行洪能力不足，防洪能力不能滿足規(guī)范要求。

2 堤線布置

經(jīng)歷史洪水的考驗和防汛抗洪的實踐證明，現(xiàn)有堤線布置總體是合理的，絕大部分河段兩岸堤防基本順直，既能滿足河道宣泄洪水及地基穩(wěn)定要求，也有利于興利除弊，同時能夠兼顧上下游及兩岸防洪需要。僅右岸樁號0+800～1+160之間甘家咀圩堤凸出于河道之中，致使左岸河堤迎流頂沖。因此本階段河道治理除甘家咀圩堤外，都是在現(xiàn)有堤身基礎(chǔ)上進(jìn)行，加固后堤身軸線略有調(diào)整;甘家咀圩堤適當(dāng)向后退讓，以減輕對岸河堤的沖刷。

3 堤身整險加固方案比選

為了減少工程占地，本階段以外培加高為主，部分堤段采用內(nèi)培加高。結(jié)合實踐，本堤身整險加固方案有兩種:

1)防滲處理和堤身加培結(jié)合方案。迎水坡填筑黏性土防滲，背水坡填筑代料土。迎水坡黏性土填筑厚度1 m，頂面同堤頂高程，下部設(shè)1 m深齒槽。

2)堤身加培后防滲處理方案。采用代料土加高培厚堤身后進(jìn)行防滲處理，主要采用錐探灌漿，局部滲漏嚴(yán)重堤段采用水泥土防滲墻。錐探灌漿孔布設(shè)于迎水側(cè)，共6排，深8 m，排距1 m，孔距1 m，梅花形布置;水泥土防滲墻布置在迎水側(cè)堤肩，深10 m，成墻厚度0.25 m。

兩方案技術(shù)上都是堤壩防滲處理的常規(guī)措施，都是應(yīng)用多年的成熟技術(shù)，都能夠較好地滿足工程需要。但方案一為土方填筑工程，施工簡便，一般的土方機(jī)械即能滿足工程需要，工期容易保證，方案二除需要常規(guī)的土石方施工機(jī)械外，還需要地質(zhì)鉆機(jī)(灌漿)和大型的深層攪拌機(jī)械，水泥土防滲墻孔斜和施工單元之間的連接控制較為困難，且由于工序多，需要的施工工期較長。且迎水坡采用黏性土料填筑方案較為經(jīng)濟(jì)，比代料土填筑后錐探灌漿方案低174.84元/m，節(jié)省投資18.5%，比代料土填筑后水泥土防滲墻防滲方案低474.10元/m，節(jié)省投資38%。綜合技術(shù)、施工難度、工期、造價等方面，防滲處理和堤身加培結(jié)合方案較為優(yōu)越，技術(shù)可行、施工簡便、工期短、投資省，因此采用迎水坡采用黏性土料填筑方案作為陳廟河兩岸堤防的加固方案。

4 堤身加固設(shè)計

4.1 堤身填筑設(shè)計

為了減少工程永久占地，堤身采用外幫加培為主，迎水坡填筑黏性土料防滲。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL 274-2001第5.5.2條的規(guī)定，斜墻防滲體底部厚度不小于設(shè)計水頭的1/5，頂部寬度應(yīng)滿足機(jī)械碾壓的需要。因此擬定黏性土填筑厚度為1 m(水平厚度2.23 m)，下部設(shè)1 m深齒槽。填筑土料滲透系數(shù)＜5×10-5cm/s;黏性土壓實度最小值根據(jù)本河段堤防級別按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》第6.2.5條確定為0.90。其他部位采用代料土填筑，代料土相對密度按≥0.60控制。堤身加培應(yīng)清基后開挖牙口，以利新老堤身結(jié)合。填筑時應(yīng)水平分層鋪土、碾壓，不得順坡鋪填。

根據(jù)工程現(xiàn)狀，本河段堤防左岸現(xiàn)狀堤頂高程38.42～41.70 m，右岸現(xiàn)狀堤頂高程 37.47 ～42.88 m，堤身高度一般為5～6 m，堤身單薄，堤頂寬度1.5～5 m，坡比一般為1∶1～1∶2，所有堤段均未護(hù)砌。本次河道治理設(shè)計按5級堤防標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，堤身達(dá)標(biāo)處理總長12.28 km(含巴河連接段1.15 km和張安河支流匯入段0.806 km)。堤身斷面達(dá)標(biāo)主要包括:①堤頂高程按10年一遇洪水設(shè)計洪水位加0.8 m超高控制，為不降低現(xiàn)有堤防的防洪能力，堤頂高程按“只抬不降”的原則進(jìn)行;②設(shè)計堤頂寬度4.0 m;③根據(jù)工程地質(zhì)條件和填筑土料的物理力學(xué)指標(biāo)，各堤段堤身內(nèi)外邊坡均按1∶2設(shè)計。

4.2 堤身護(hù)坡設(shè)計

根據(jù)設(shè)計洪水水面線計算成果，在設(shè)計洪水工況下，陳廟河河道水流速度大部分都 ＞1 m/s，58個斷面中流速 ＞1 m/s的有37個，占63.8%，其中流速＞1.5 m/s的斷面為14個，占24.1%。因此為了保護(hù)防滲黏性土料，避免汛期洪水沖刷，擬對堤坡進(jìn)行護(hù)砌。

護(hù)坡通常采用草皮護(hù)坡、干砌塊石護(hù)坡、預(yù)制混凝土塊護(hù)坡、植草混凝土框格護(hù)坡等型式。草皮護(hù)坡施工簡單，造價低廉，具有保持水分、防止水土流失的作用，但抗沖性能差，適用于堤內(nèi)坡和外灘較寬且流速較小堤段的堤外坡護(hù)砌;干砌塊石消浪能力較強(qiáng)，但對塊石料的要求較高，受料源限制，且較難鋪砌，鋪砌后外觀稍差;預(yù)制混凝土塊防浪能力、抗沖性能強(qiáng)，鋪砌后坡面平整、外觀美觀，且易于鋪砌、取材容易、方便管理。干砌塊石護(hù)坡與預(yù)制混凝土塊護(hù)坡，均適用于外灘窄、迎流頂沖堤段。干砌塊石護(hù)坡與預(yù)制混凝土塊護(hù)坡造價相對較高。植草混凝土框格護(hù)坡兼?zhèn)洳萜ぷo(hù)坡和預(yù)制混凝土護(hù)坡及漿砌塊石護(hù)坡的優(yōu)點(diǎn)，造價比混凝土塊護(hù)坡低。

本次陳廟河堤身防滲體填筑一般不在主河槽，局部主河槽堤段下部需設(shè)置垂直擋土墻固腳，護(hù)坡一年中絕大部分時間是在水面以上，因此本次加固堤內(nèi)坡采用草皮護(hù)坡，外坡采用植草混凝土框格護(hù)坡。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，植草混凝土框格采用C20預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，凈空尺寸取800×800，邊框?qū)?50 mm，厚200 mm，護(hù)坡從坡腳護(hù)至堤頂線，采用M10水泥砂漿勾縫，空心部位填土種植草皮。坡腳設(shè)斷面0.6 m×0.6 m的漿砌石腳槽，堤頂設(shè)斷面0.3 m×0.6 m的混凝土路緣石。

5 整治后滲流及其穩(wěn)定分析

5.1 滲流分析

1)滲流計算。根據(jù)工程布置設(shè)計成果，陳廟河堤身防滲采用迎水坡加培黏土處理方案，防滲體滲透系數(shù)≤1×10-4cm/s。整治后堤防防滲能力將會有較大的提高。通過計算，各斷面下游水力滲透坡降及滲透量成果見表1。

2)結(jié)果分析。根據(jù)地質(zhì)報告成果，背水坡水平出逸坡降允許值為0.3，從上表可以看出，在設(shè)計水位工況下，各計算斷面背水坡水平出逸坡降均能滿足要求，且單寬流量較小。

表1 陳廟河堤坡滲流計算成果表(加固后)

5.2 穩(wěn)定計算分析

本工程采用不計及條塊間作用力的瑞典圓弧法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算。計算采用北京理正軟件研究所編制的巖土工程邊坡穩(wěn)定的計算程序完成，自由水面線由滲流分析成果確定。壓縮性較大的填土中發(fā)生水位降落時，將產(chǎn)生附加孔隙壓力，因為水位驟降過程中孔隙水壓力來不及消散，這次計算按設(shè)計規(guī)范采用了近似的方法來確定，即不考慮降落時孔隙水壓力的消散，對孔隙水壓力系數(shù)取近似值為1，并對土單元總應(yīng)力的變化根據(jù)土條重量變化予以簡化處理，得出近似公式:

式中:u0為水位降落前的孔隙壓力;△hw為計算點(diǎn)土柱的壩面以上水位降落高度;△hs為計算點(diǎn)土柱中砂殼無黏性土區(qū)內(nèi)庫位降落高度;h1為計算點(diǎn)上部黏性填土的土柱高度;h2為計算點(diǎn)上部砂殼無黏性填土的土柱高度;h3為壩面以上至水面的高度;ne為砂殼無黏性填土的有效孔隙率;h'為在穩(wěn)定滲流期水流達(dá)A點(diǎn)的水頭損失值。

通過以上穩(wěn)定計算成果可以看出，本次陳廟河流域通過整治后，上、背水坡在各種工況下形成穩(wěn)定滲流期穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

文章結(jié)合中小河流堤防存在的堤坡偏陡、堤頂欠高欠寬，抗洪能力低等問題，對其采取加固設(shè)計。通過方案比選而優(yōu)化選取迎水坡采用黏性土料填筑方案作為陳廟河兩岸堤防的加固方案;同時深入地提出其采取的可行設(shè)計措施，通過加固分析表明，加固后河堤滲流及其穩(wěn)定性均滿足要求。

［1］朱三華，黎開志，劉飛.生態(tài)堤防設(shè)計［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005(06):76-77.

［2］韋富英，吳新廣，劉春麗.堤防的滲流穩(wěn)定及防滲設(shè)計［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2004(01):26.

［3］孫東亞，留謙，姚秋玲.關(guān)于改進(jìn)我國堤防工程護(hù)坡設(shè)計的建議［J］.水利水電技術(shù)，2007(02):46-48.

TV523

B

1007-7596(2012)09-0087-02

2012-07-08

謝瓊(1972-)，女，湖北麻城人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作;彭有義(1968-)，男，湖北浠水人，高級工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作。