女兒河萬屯橋上下游段治理工程堤防工程設計

郭金華，李 研

(1.葫蘆島市南票區金星鎮水利技術服務中心，遼寧 葫蘆島 125018；2.遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

女兒河萬屯橋上下游段治理工程堤防工程設計

郭金華1，李 研2

(1.葫蘆島市南票區金星鎮水利技術服務中心，遼寧 葫蘆島 125018；2.遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

女兒河南票區萬屯橋上、下游段綜合治理工程上游起于烏金塘水庫壩址下游約4km處，下游止于萬屯橋下游河道轉彎處。上游新建堤防1530m；萬屯橋下游右岸新建堤防331.5m；新建丁壩5座；疏通河道8800m。文章介紹了女兒河萬屯橋上、下游段綜合治理工程的堤防設計情況，得出了該堤防工程設計滿足防洪等各項要求。

河道；堤防工程；設計；女兒河

1 工程概況

女兒河南票區萬屯橋上、下游段綜合治理工程上游起于烏金塘水庫壩址下游約4km處，下游止于萬屯橋下游河道轉彎處[1]。上游新建堤防1530m；萬屯橋下游右岸新建堤防331.5m；新建丁壩5座；疏通河道8800m。

2 堤防設計

2.1 堤頂寬度

依據《堤防工程設計規范》(GB50286—98)規定，3級以下堤防堤頂寬度≥3m。本次設計為5級堤防，堤頂寬度定為3m[2]。

2.2 堤坡和筑堤材料

迎水坡坡比為1∶3，放坡到護腳平臺；背水坡坡比為1∶2.5，放坡到自然地面。堤型為砂礫石均質堤，筑堤材料為河道內砂礫石，設計相對密度≥0.6[3]。

2.3 護腳

2.3.1 堤岸沖刷計算

沖刷深度計算應采用《堤防工程設計規范》附錄D所列公式計算為：

(1)

式中：hB為局部沖刷深度，m；hp為沖刷處的水深，m，以近似設計水位最大深度代替，取3.5m；vp為設計水位時主河槽平均流速；Vp=3.125m/s；根據水面線計算成果治理段平均水力坡度i取1.72‰；V允為河床允許的不沖流速。

經計算hB=1.24m。設計要滿足沖刷要求。

2.3.2 護腳

堤防采用梯形漿砌石擋土墻護腳。梯形漿砌石擋土墻高1.5m，上底寬0.6m，下底寬0.9m。擋墻基礎也為漿砌石寬1.7m，高1.4m[4]。

2.4 護坡

迎水坡護坡采用200mm厚預制混土空心六邊形磚，混凝土標號C20，六邊形兩對邊之間距離60cm。每隔一塊磚鏤空處換土，栽植紫穗槐，未栽植穗槐的六邊形磚鏤空處鋪筑河卵石[5-6]。預制混土空心六邊形磚規格詳見圖1。

2.5 堤防結構型式

2.5.1 萬屯橋上、下游砂堤

根據實際情況，迎水坡按坡比放坡到護腳平臺。迎水面采用重力式漿砌石擋土墻護腳，基礎埋深1.4m。堤頂迎水坡設漿砌石防浪墻，墻高0.5m，寬0.6m[7-8]；基礎高0.5m，寬0.6m。見圖2。

圖1 混凝土空心磚尺寸圖

圖2 萬屯橋上堤防斷面圖

2.5.2 丁壩

如上所述，修建10道蜂巢塊石丁壩，每道丁壩長40m，高2.5m，上底寬2.0m，下底寬5.0m，如圖3所示：

圖3 丁壩斷面圖

2.6 滲流計算和穩定分析

根據《堤防工程設計規范》GB50286—98，正常運用條件下土堤抗滑穩定安全系數≥1.10，非常運用條件下土堤抗滑穩定安全系數≥1.05；防洪墻抗滑穩定安全系數≥1.15；抗傾穩定安全系數≥1.40[9-10]。

2.6.1 砂堤

砂堤位于萬屯橋上游。

砂堤護腳受力分析：

原始條件見圖4：

圖4 砂堤護腳剖面圖

1)墻身尺寸：

墻身總高：2.900m；

上墻高：1.500m；

墻頂寬：0.600m；

臺寬：0.300m；

面坡傾斜坡度：1∶0.000；

上墻背坡傾斜坡度：1∶0.400；

下墻背坡傾斜坡度：1∶0.000；

采用1個擴展墻址臺階：

墻趾臺階b1∶0.500m；

墻趾臺階h1∶1.400m；

墻趾臺階與墻面坡坡度相同。

墻底傾斜坡率：0.000∶1；

下墻土壓力計算方法：力多邊形法。

2)物理參數：

圬工砌體容重：23.000kN/m3；

圬工之間摩擦系數：0.400；

地基土摩擦系數：0.500；

墻身砌體容許壓應力：2100.000kPa；

墻身砌體容許剪應力：110.000kPa；

墻身砌體容許拉應力：150.000kPa；

墻身砌體容許彎曲拉應力：280.000kPa；

擋土墻類型：一般擋土墻。

墻后填土內摩擦角：32.000°；

墻后填土黏聚力：0.000kPa；

墻后填土容重：19.200kN/m3；

墻背與墻后填土摩擦角：12.800°；

地基土容重：19.200kN/m3；

修正后地基土容許承載力：150.000kPa。

3)地基土容許承載力提高系數：

墻趾值提高系數：1.200；

墻踵值提高系數：1.300；

平均值提高系數：1.000；

墻底摩擦系數：0.400；

地基土類型：土質地基；

地基土內摩擦角：30.000°。

4)坡線土柱：

坡面線段數：2。

擋土墻投影見表1。

表1 擋土墻投影表

地面橫坡角度：18.430°；

墻頂標高：0.000m。

第1種情況：一般情況

土壓力計算：計算高度為2.900m處的庫侖主動土壓力。

計算上墻土壓力：

按假想墻背計算得到：

第1破裂角：38.900°；

Ea=22.640Ex=10.291Ey=20.166kN作用點高度Zy=0.500m；

因為俯斜墻背，需判斷第二破裂面是否存在，計算后發現第二破裂面存在。

第2破裂角=19.891°；第1破裂角=38.090°；

Ea=17.282Ex=10.666Ey=13.598kN；作用點高度Zy=0.535m。

計算下墻土壓力：

按力多邊形法計算得到：

破裂角：37.540°；

Ea=24.481Ex=23.873Ey=5.424kN；作用點高度Zy=0.616m；

墻身截面積=4.150m2；重量=95.450kN；

衡重臺上填料重=9.829kN；重心坐標(1.047，-0.700)(相對于墻面坡上角點)。

2.6.1.1 滑動穩定性驗算

基底摩擦系數=0.400；

滑移力=34.538kN；抗滑力=49.720kN；

滑移驗算滿足：Kc=1.440>1.150。

2.6.1.2 傾覆穩定性驗算

相對于墻趾,墻身重力的力臂Zw=0.989m；

相對于墻趾,上墻Ey的力臂Zx=1.806m；

相對于墻趾,上墻Ex的力臂Zy=1.935m；

相對于墻趾,下墻Ey的力臂Zx3=2.000m；

相對于墻趾,下墻Ex的力臂Zy3=0.616m。

驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩定性：

傾覆力矩=35.355(kN-m)；抗傾覆力矩=145.035(kN-m)。

傾覆驗算滿足：K0=4.102>1.300。

2.6.1.3 地基應力及偏心距驗算

基礎為天然地基，驗算墻底偏心距及壓應力。

作用于基礎底的總豎向力=124.301kN；作用于墻趾下點的總彎矩=109.679kN-m；

基礎底面寬度B=2.000m；偏心距e=0.118m。

基礎底面合力作用點距離基礎趾點的距離Zn=0.882m。

基底壓應力：趾部=84.083kPa；踵部=40.218kPa。

最大應力與最小應力之比=84.083/40.218=2.091。

作用于基底的合力偏心距驗算滿足：e=0.118<=0.250×2.000=0.500m。

墻趾處地基承載力驗算滿足：壓應力=84.083<=180.000kPa。

墻踵處地基承載力驗算滿足：壓應力=40.218<=195.000kPa。

地基平均承載力驗算滿足：壓應力=62.150<=150.000kPa。

2.6.2 滲流分析

計算項目：滲流問題公式法2。

2.6.2.1 計算條件

土堤頂部寬度b=3.000m；

土堤頂部高度h=4.500m；

上游坡坡率1：m1=3.000；

下游坡坡率1：m=2.500；

堤身滲透系數k=14.680m/d；

上游水位h1=3.500m；

下游水位h2=0.000m；

不透水地基見圖5。

圖5 不透水地基示意圖

2.6.2.2 中間計算結果

L=17.250m；

腖=1.500m；

浸潤線計算公式原點=25.157m；

浸潤線起點x坐標=10.500m；

浸潤線終點x坐標=25.157m。

2.6.2.3 最終計算結果

下游出逸點高度h0=1.037m；

單位寬度滲流量q=5.076m3/(d·m)。

浸潤線計算結果見表2。

表2 浸潤線計算結果表

比降計算結果：

下游出溢點A的比降：0.371；

下游坡腳B的比降：0.400。

圖6 浸潤線計算示意圖

2.6.3 砂堤穩定分析

2.6.3.1 水面信息

1)采用有效應力法。

2)孔隙水壓力采用近似方法計算。

3)不考慮滲透力作用。

4)考慮邊坡外側靜水壓力。

5)水面線段數1，水面線起始點坐標：(10.500,3.500)。

6)壩坡外水位：0.000m。

砂堤投影見表3。

表3 砂堤投影表

2.6.3.2 計算條件

1)圓弧穩定分析方法：瑞典條分法。

2)土條重切向分力與滑動方向反向時：當下滑力對待。

3)穩定計算目標：給定圓心、半徑計算安全系數。

4)條分法的土條寬度：1.000m。

5)圓心X坐標：5.000m。

6)圓心Y坐標：12.000m。

7)半徑：15.000m。

2.6.3.3 計算結果

1)壩坡外水位按0.000m計算。

2)滑動圓心=(5.000，12.000) m。

3)滑動半徑=15.000m。

4)滑動安全系數=2.735。

3 結 語

通過以上各項計算論證，女兒河河道堤防工程設計是滿足防洪要求，合理、穩定、安全的。

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1007-7596(2014)10-0103-04

2014-03-25

郭金華(1977-)，女，遼寧葫蘆島人，助理工程師，研究方向為水資源、水庫除險加固等；李研(1986-)，女，滿族，遼寧葫蘆島人，助理工程師，研究方向為水文水資源論證等。

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