水流形態突變對堤防除險加固設計方案的影響研究

林昌寧，趙東淼，謝陳輝

（溫州市水利電力勘測設計院,浙江 溫州 325000）

0 引言

堤防作為抵御洪水侵襲的重要水工設施,其長期有效安全運行關系到防護范圍內人民生命財產安全[1]。溫州市鹿城區七都島段標準堤防由七都大橋建設引起河道水文特性和水流態勢急劇變化,引起堤防堤頂欠高、近岸沖刷、穩定不足等問題。鑒于此堤段對七都島防洪安全至關重要,為此提出從穩定性和抗沖刷入手的加固設計方案。

1 工程概況

工程涉及標準堤總長833.4 m,為2 級堤防,堤頂高程和斷面結構按允許部分越浪量設計。標準堤采用了半實填半框架式和全實填式兩種斷面型式。現狀堤段存在堤頂高程余量不足、整體穩定不達標等問題,嚴重影響著七都島的防洪安全和城市發展。七都大橋及加固段堤防地理位置見圖1。

圖1 項目地理位置圖

2 除險加固設計

2.1 沖刷及穩定性分析

2.1.1 堤防臨水坡沖刷現狀

七都大橋建成后,水流受橋墩的阻壅作用,單寬流量增加,局部水面比降和流速加大,河床發生一般沖刷；同時橋墩附近因形成的復雜水流流態,出現局部沖刷。由于水流流態改變,有效過水面積減少,橋下流速增大,對岸坡及堤防產生嚴重沖刷。100 年一遇洪水條件下橋下流場分布見圖2。

圖2 大橋流場分布圖

經安全鑒定,受七都大橋壓縮水流影響,西堤臨水坡出現不同程度沖刷,其中西堤樁號5+653.8 斷面2018 年～2020 年間最大沖刷了0.65 m,西堤樁號6+103.8 斷面最大沖刷了0.86 m。見圖3、圖4。

圖3 西堤樁號5+653.8測量對比圖

圖4 西堤樁號6+103.8測量對比圖

2.1.2 堤防臨水坡穩定性分析

（1）計算方法

采用瑞典圓弧滑動條分法計算整體穩定,計算公式如下：

式中：b為土條寬度；W為土條重量；u為作用于土條底面的空隙壓力；α為條塊的重力線與通過條塊底面中點的半徑之間的夾角；c'、φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

（2）計算參數

堤身設計參數根據表1 取值。

表1 堤身計算指標表

計算工況外水位取平均低水位-2.02 m,陸域側水位取平均水位2.49 m。分別對堤防現狀及現狀基礎上沖刷2 m后的整體穩定進行分析,穩定分析計算成果見表2,選取兩典型斷面整體穩定計算結果見圖5和圖6。

圖5 5+354.3整體穩定分析成果

圖6 6+054.8整體穩定分析成果

表2 西堤七都大橋段各斷面運行期整體穩定分析計算成果表

由表2可知,受七都大橋水流壓縮影響,堤防增加了整體穩定的滑動力矩,降低了堤防的整體穩定安全系數,不滿足規范要求。

綜上,加固設計應著重解決臨水坡沖刷及臨水平臺回填引起的堤防整體不穩定問題。

2.2 堤身加固設計

為有效解決堤防臨水坡沖刷及沖刷引起的安全系數不滿足規范要求問題,臨水坡擬采用模袋砼+充砂管袋加固措施,增加斷面的防沖能力及整體穩定性。

2.2.1 護岸型式

七都標準堤外側不適宜進行大規模開挖,坡式護岸能較好適應現狀地形變化,水流平順,工藝成熟,護坡材料豐富,因此七都大橋段加固設計采用坡式護岸。擬定模袋砼+充砂管袋方案、鉸鏈砼預制塊+充砂管袋方案及塊石+合金石籠網予以比選分析。

（1）模袋砼+充砂管袋方案

模袋混凝土是用具有一定強度和透水性的土工織物做成模袋,然后在模袋里充灌具有一定流動性能的混凝土或砂漿。在灌漿壓力的作用下,混凝土或砂漿中多余的水分被擠出模袋,凝結后即形成高密度的固結體模袋混凝土。沿堤防臨水側岸坡坡面鋪設20 cm厚CX型砼模袋混凝土,坡度≥1∶4.0,沖刷較大的部位采用充砂管袋回填。坡腳末端2 m模袋砼厚度為0.3 m,標準斷面見圖7。

圖7 模袋砼+充砂管袋方案標準斷面圖

（2）鉸鏈砼預制塊+充砂管袋方案

護面采用C30 鉸鏈混凝土預制塊,邊長1000 cm,厚20 cm；沖刷較大的部位采用充砂管袋回填,標準斷面見圖8。

圖8 模袋砼+充砂管袋方案標準斷面圖

（3）塊石+合金石籠網方案

石籠網是由高抗腐蝕、高強度、具有延展性的低碳鋼絲或者包覆PVC以上的鋼絲使用機械編織而成,籠網內填塊石形成石籠。石籠網還具有較強的透水性、較好的抗沖性、較好的防浪性、較好的柔韌性等優點。石籠網的原材料可采用涂膜熱鍍鋅低碳鋼絲,構成網格的鋼絲有一定的強度,不易被拉斷,石籠整體強度較高。低碳鋼絲承受適度的變形特點,可以將全部工程連成整體,不需分縫,即使由于某種原因使結構中斷裂一根網絲,也不會影響結構的整體性。結構能進行自身適應性的微調,不會因不均勻沉陷而產生沉陷縫等,整體結構不會遭到破壞。堤防臨水側岸坡-1.30 m以上采用塊石護坡,單重≥200 kg,厚度30 cm；-1.30 cm平臺以下采用石籠網箱,厚50 cm,沖刷較大的部位采用拋石回填。護坡坡度≥1∶4.0。

2.2.2 加固方案比選

從投資角度分析,3個方案中塊石+合金石籠網方案投資最少,模袋砼+充砂管袋方案次之,鉸鏈砼預制塊+充砂管袋方案最大。但塊石+合金石籠網方案水下拋石工程量不易控制且拋石沉降量大,場地屬軟土地基,按以往的施工經驗,水下拋石沉損可達50%～100%,工程投資不易控制。

從結構可靠性角度分析,模袋砼+充砂管袋方案整體性好,能較好適應地形變化,而塊石+合金石籠網方案結構簡單,整體性較差,鉸鏈砼預制塊+充砂管袋整體性比塊石+合金石籠網方案好。從施工工藝及工期角度分析,拋石填筑施工工藝簡單,但水下施工,塊石數量及質量不易控制；充砂管袋可分段全面展開推進,施工速度較快,且地形適應性較強。

綜上采用模袋砼+充砂管袋方案。

2.3 休閑平臺加固設計方案

護岸采用模袋砼+充砂管袋方案,臨水側休閑平臺按保留綠化斜坡及恢復成原大休閑平臺結構分為兩個方案。

2.3.1 方案A

保留臨水平臺綠化斜坡,臨水岸坡護面采用CX型砼模袋,厚度0.20 m,填充物為C25 砼。高程-1.30 m處設3.0 m寬的枯水平臺,平臺末端以1∶4.0的坡度放坡至現狀河床,模袋砼下方至現狀河床間回填充砂管袋。枯水平臺以上模袋砼順坡敷設至2.0 m高程處,敷設前先理坡、鋪設60 kN/m有紡土工布,坡度不大于1∶4.0,見圖9。

圖9 加固方案A

2.3.2 方案B

方案B取消了方案A中的-1.30 m枯水平臺,同時將臨水側綠化斜坡開挖至4.50 m高程,恢復成原大休閑平臺結構,見圖10。

圖10 加固方案B

2.3.3 橋下段休閑平臺方案選擇

方案A,即保留斜坡綠化方案,增加了堤防的附加應力,引起附加沉降,沉降值約為11.0 cm～21.0 cm。原堤防結構設計中,該段堤防結構平臺末端的密排灌注樁樁徑為600 m,相對于其他堤防結構要小,綠化回填改變了原灌注樁的受力結構。由表3 可知,方案A延米投資要比方案B高2170 元,橋下段長度為97.9 m,增加工程部分投資約為21.2 萬元。

表3 七都大橋橋下段加固方案延米工程投資分析表表

從結構、沉降、投資等角度分析,本次橋下段采用方案B,即恢復成原休閑大平臺結構,平臺表面鋪透水磚,平臺高程4.50 m。平臺自上而下依次為透水磚、30 mm厚水泥砂漿、100 mm厚C15 素砼墊層、150 mm厚碎石墊層。

表4 西堤各樁號斷面加固后整體穩定分析計算成果表

3 結語

七都島堤防除險加固工程以不改變原有結構型式為原則,綜合考慮所面臨的的沖刷嚴重,穩定性不足等現狀,結合擬定的各護坡及平臺加固方案從結構、投資、材料等方面比選確定,在方案的優選和經濟可行性方面達到較好的統一。計算結果表明：加固方案各項特征參數均符合規范要求,設計推薦的加固方案可以達到既定目標。