漠河縣老槽河近期治理工程堤防斷面設計

石 浩，李巖鵬

(1.齊齊哈爾市河道管理處，黑龍江齊齊哈爾161000;2.齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江齊齊哈爾161006)

1 基本資料

參見本刊P112文。

2 工程建設的必要性

參見本刊P112文。

3 堤防斷面設計

3.1 設計原則及斷面形式

堤防斷面設計的原則:

1)滿足滲透穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定要求。

2)保證防汛、管理等交通運輸安全。

3)遇超標準洪水能滿足搶險度汛要求。

4)經濟安全。

老槽河左堤首端與大林河堤防相連接，大林河堤防為新建堤防，堤頂寬6.0 m，迎水邊坡1∶3.0，背水邊坡1∶3.0。此外，西林吉鎮(zhèn)現(xiàn)狀沒有防洪通道，老槽河堤防修建后，堤頂還將起到防汛通道的作用。

根據(jù)以上原則并結合當?shù)貙嶋H情況，擬定斷面形式如下:

堤防采用梯形斷面均質土堤，設計堤頂寬6m，迎水邊坡1∶3.0，背水邊坡1∶3.0。

老槽河左堤0+000～0+158、0+633～0+813、1+150～1+245、1+345～1+910、2+190～2+292等五段迎水側設計洪水位以上采用生態(tài)護坡，設計洪水位以下采用混凝土護坡，長度合計1.1km，2+355～3+655段迎水側坡面采用工程護坡防護，長度1.3 km，3+980～4+380段迎水側坡面采用工程護坡防護，長度0.4km，老槽河右岸堤防1+240～1+ 670段和2+960～3+009段迎水側坡面采用工程護坡防護，長度 0.479km，生態(tài)護坡全長1.1 km，工程護坡全長3.279 km。

老槽河左、右堤迎水側無工程護坡段及背水側全線采用草皮護坡。

3.2 堤身滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)測量資料、鉆探資料選取相對不安全的斷面進行滲流穩(wěn)定計算。老槽河左堤、右堤堤基均為級配不良礫，選取左堤3+055、3+335和4+055斷面、右堤0+300和2+800斷面進行堤身滲透穩(wěn)定計算和透水堤基滲透穩(wěn)定計算。

3.2.1 壩坡滲透穩(wěn)定計算

計算情況:迎水側為P=3.33%設計洪水位，下游無水。壩體浸潤線計算及壩坡的滲流計算按不透水堤基進行滲透計算，計算公式及簡圖如下:

浸潤線計算式為:

滲出點比降:

下游壩趾處比降:

式中:q為單位寬滲流量，m3/s·m;k—堤身滲透系數(shù)，m/s; H為上下游水位差，m;a0為逸出點高度，m;m1為上游坡率; m2為下游坡率。

允許逸出比降按《水閘設計規(guī)范》表6.0.4水平段和出口段允許滲流坡降值，黏土出口段取值0.7－0.8。

經計算，堤身斷面各種水位情況下背水坡滲出段最大逸出比降均小于背水坡容許逸出坡降［J］，滿足滲流比降要求。滲流計算成果見表1、2。

圖1 壩坡滲透穩(wěn)定計算簡圖

表1 浸潤線坐標值一覽表

表2 堤身滲透計算成果表

3.2.2 透水地基壩基滲透穩(wěn)定計算

參照《堤防工程設計規(guī)范》GB50286—98，計算簡圖如下。

圖2 透水地基均質土堤計算簡圖

透水地基均質土壩滲流計算公式如下:

單寬滲流量

式中:qD為不透水地基上求得的相同均質土堤單位寬度滲流量。

浸潤線計算式為:

透水地基均質土壩堤坡面滲流比降:

沿滲出段AB:

沿地基段BC:

臨界水力比降計算:

無黏性土的允許比降:

式中:Gs為表層土的土粒比重;n1為表層土的孔隙率;K為安全系數(shù)，取2.0。

計算結果見表3。

從計算結果可以看出地基下游出口滲流比降不滿足允許比降要求，堤后需設壓滲措施，以保證工程安全。

表3 透水地堤基滲透計算成果表

4 堤身抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)測量資料、鉆探資料選取左堤3+055、3+335和4 +055斷面和右堤0+300、2+800斷面進行土壩抗滑穩(wěn)定計算。其物理力學指標根據(jù)土工試驗結果確定。

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286—98)，穩(wěn)定滲流期應采用瑞典圓弧法計算，對設計洪水位下的穩(wěn)定滲流期的背水坡和設計洪水位驟降期的臨水側堤坡進行抗滑穩(wěn)定計算。Ⅲ級壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)設計洪水位條件下為1.20，非常情況條件下為1.10。穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為:

有效應力法(設計水位下的穩(wěn)定滲流期背水坡)

式中:b為土條寬度;W為條塊重力，W=W1+W2+ ρWZb(kN);W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN;W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN;Z為堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m;u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa;μi為水位降落前堤身的孔隙壓力，kPa;β為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，度;γW為水的重度，kN/m3;CμφμC`為土的抗剪強度指標。

堤體有靜水壓力作用時，穩(wěn)定滲流期，計算滑動力矩時，浸潤線以下，靜水位以上的土體用飽和容重rsat;計算抗滑力矩時，浸潤以下，靜水位以上土體用浮容重r'(計算上游坡穩(wěn)定時，應以上游靜水位為準，計算下坡穩(wěn)定時，以下游水位為準);浸潤線以上的土體不論計算滑動力矩還是抗滑力矩，均用濕容重rw。對于上、下游水位以下堤殼部分采用浮容重計算。由上述公式，按尋求最危險滑弧的試算步驟，求出堤坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)k值，計算參數(shù)取值見表4，計算成果見表5。

圖3 堤身抗滑穩(wěn)定計算簡圖

結果分析，穩(wěn)定安全系數(shù)在各種情況下均＞1.20，大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求。

5 堤基處理

根據(jù)地質鉆探揭示本次設計兩段堤防所在位置堤基均為砂礫石基礎，從滲透穩(wěn)定計算結果分析，堤后堤基水平距離0.02～0.39m范圍內，堤腳出逸比降大于允許比降，需做工程處理，設計采用壓滲措施。

壓滲長度按下式計算:

由

壓滲厚度按下式計算:

式中:η為安全系數(shù)，取2.0;h0為下游出逸點高度，m);γd為壓滲土容重，T/m3。

表4 抗滑穩(wěn)定計算基本資料表

表5 抗滑穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)上述計算，結合施工要求，設計壓滲:首端厚1.0 m，尾端厚0.5 m，寬5 m，詳細尺寸見圖5.4－1。老槽河左、右堤背水側堤腳全部設置壓滲，左堤長4.614 km，右堤3.009 km，總長7.623 km。壓滲材料采用級配良好砂礫，保證被保護層細顆粒不被帶走。

圖4 壓滲結構圖

［1］水利部水利水電規(guī)劃設計總院.GB50286—96堤防工程設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，1998.

［2］江蘇省水利勘測設計研究院.SL265—2001水閘設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［3］齊齊哈爾市水利勘測設計研究院.漠河縣老槽河近期治理工程初步設計報告［R］.齊齊哈爾:齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，2011.