博羅縣彭南河治理工程堤防工程設(shè)計(jì)

漆 云

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

0 引 言

堤防工程是河道防洪治理工程的重要措施[1-2]。針對(duì)不同的河道情況可采用不同的型式，可在一定程度上降低工程投資，加快施工工期，提高工程耐久性[3-4]。堤防高程是堤防設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要因素，只有選取科學(xué)、合理的堤防設(shè)計(jì)高程，方可保證堤防工程的防洪作用，保護(hù)沿線居民生命財(cái)產(chǎn)安全[5-6]。

1 工程概況

工程位于博羅東北部觀音閣鎮(zhèn)，地處東江流域中游，涉及觀音閣鎮(zhèn)聯(lián)星村、彭村和菱湖村。治理段包括彭南河河干流及其4條支流，治理河道總長(zhǎng)度為13.703km，主要建設(shè)內(nèi)容：清淤疏浚8.940km，堤防加固2276.5m，護(hù)腳護(hù)岸6427.4m，拆除重建機(jī)耕橋2座，新建人行橋1座，拆除重建水陂1座，設(shè)置沿河綠道4.807km，新建水景觀節(jié)點(diǎn)2處，新建下河步級(jí)7處。

2 堤防加固工程

2.1 堤防超高設(shè)計(jì)

堤頂高程應(yīng)按設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高確定。

1)設(shè)計(jì)波浪爬高：

波浪爬高采用下式計(jì)算確定。

(1)

(2)

(3)

當(dāng)斜坡坡率m=1.5-5.0時(shí)，在單一斜坡上的波浪爬高可按下式計(jì)算：

(4)

式中：Rp頻率為P波浪爬高，m；kΔ斜坡糙率及滲透系數(shù)，；Kv經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp換算系數(shù)。

當(dāng)m≦1.0時(shí)，波浪爬高可按下式計(jì)算：

(5)

式中：R0為系數(shù)。

2)設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度：

有限風(fēng)區(qū)水域的風(fēng)壅水面高度可按下式計(jì)算：

(6)

式中：e為風(fēng)壅水高；K為摩阻系數(shù)，可取3.6×10-6；V為風(fēng)速；F為由計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離，m；d為平均水深，m；β為風(fēng)向與堤軸線法線夾角，°。

3)安全加高：

安全加高按5級(jí)堤防確定，安全加高為0.5m。

4)堤頂超高：

堤頂超高應(yīng)按下式計(jì)算：

Y=Rp+e+A

(7)

式中：Y為堤頂超高，m；Rp為設(shè)計(jì)爬高，m；e為風(fēng)壅水高，m；A為安全加高，m。

計(jì)算成果見表1。

2.2 堤防斷面形式的選擇

堤防斷面型式一般分為：直墻式、斜坡式和復(fù)合式三種型式。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)情況和3種護(hù)岸型式的優(yōu)缺點(diǎn)見表2，選擇與本工程相適應(yīng)的堤防斷面形式。

表1 堤防加固堤頂超高計(jì)算成果表

表2 3種護(hù)岸優(yōu)缺點(diǎn)

本次工程范圍大部分位于各行政村和自然村，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形同時(shí)考慮盡量減少工程占地和節(jié)省工程投資等因素。本次彭南河治理工程堤防加固工程斷面型式選擇復(fù)合式斷面。

2.2.1 堤防護(hù)面材料的選擇

護(hù)坡材料用于復(fù)合式斷面上部坡面的護(hù)砌，護(hù)坡結(jié)構(gòu)應(yīng)堅(jiān)固耐久、就地取材、利于施工和維修。傳統(tǒng)的護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式有砌石、混凝土、草皮護(hù)坡等。隨著河道治理觀念的改變，河道護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式也發(fā)生了改變，一些新型的具有保持河流生態(tài)要求的護(hù)坡結(jié)構(gòu)運(yùn)用而生，生態(tài)型護(hù)坡一般采用天然石、木材、植物、多孔滲透性混凝土及土工材料等。

本次設(shè)計(jì)結(jié)合工程實(shí)際情況，選用能保持河流生態(tài)要求的混凝土砌塊護(hù)坡、現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護(hù)坡和草皮護(hù)坡進(jìn)行方案比選。

表3 3種護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式優(yōu)缺點(diǎn)比較表

由表3可知，護(hù)坡抗沖能力從大到小上比較為：現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護(hù)坡>混凝土砌塊護(hù)坡>框格梁+草皮(撒草籽)護(hù)坡>草皮(撒草籽)護(hù)坡；造價(jià)上由高到低比較為：現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護(hù)坡>混凝土砌塊護(hù)坡>框格梁+草皮(撒草籽)護(hù)坡>草皮(撒草籽)護(hù)坡；生態(tài)綠化率由大到小比較為：草皮(撒草籽)護(hù)坡>框格梁+草皮(撒草籽)護(hù)坡>草皮(撒草籽)護(hù)坡=現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護(hù)坡>混凝土砌塊護(hù)坡。根據(jù)彭南河的實(shí)際情況，河道流速較小，除河道頂沖段、干支流匯入口段等局部段河道流態(tài)紊亂對(duì)抗沖有一定的需求外，大部分河段草皮護(hù)岸能滿足河道所需的抗沖要求。經(jīng)綜合考慮后，對(duì)個(gè)主要干支流匯合口、河道頂沖嚴(yán)重段、曾發(fā)生過坍塌段的堤段迎水面護(hù)坡材料選擇具有一定抗沖能力的、造價(jià)較低、生態(tài)效果較好的框格梁+草皮(撒草籽)護(hù)坡；對(duì)河道流速不大的平順段堤防引水面及堤防背水面選擇造價(jià)低、生態(tài)效果好的草皮(撒草籽)護(hù)坡。

2.2.2 堤防護(hù)腳材料的比較

本次護(hù)腳擋墻選取了格賓石籠擋墻、C20混凝土鏤空預(yù)制件擋墻和C20混凝土擋墻3種型式進(jìn)行比較分析確定。

表4 3種擋墻結(jié)構(gòu)型式優(yōu)缺點(diǎn)比較表

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，3種材料擋墻的抗沖能力從大到小為：M7.5漿砌石擋墻>格賓石籠擋墻>C20混凝土鏤空預(yù)制件擋墻；造價(jià)上由高到低比較為：C20混凝土鏤空預(yù)制件擋墻>M7.5漿砌石擋墻>格賓石籠擋墻；生態(tài)效果優(yōu)劣比較為：C20混凝土鏤空預(yù)制件擋墻>格賓石籠擋墻>M7.5漿砌石擋墻。

彭南河河道坡降較緩，河道流速較小，本次擋墻護(hù)腳主要對(duì)岸坡堤腳進(jìn)行防護(hù)，防止坡腳因水流沖刷導(dǎo)致岸坡坍塌。綜合彭南河的實(shí)際情況后，本次大部分河道平順段擋墻護(hù)腳選擇造價(jià)較低、生態(tài)性、透水性能更佳的格賓籠擋墻型式；對(duì)河道轉(zhuǎn)彎頂沖段、干支流匯合口及曾發(fā)生過滑坡等需要重點(diǎn)防護(hù)的堤段，擋墻護(hù)腳選擇防護(hù)功能強(qiáng)、穩(wěn)定性高、抗沖能力強(qiáng)的C20混凝土擋墻護(hù)腳型式。

2.3 堤型結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定計(jì)算

2.3.1 堤型結(jié)構(gòu)

彭南河治理工程堤防加固主要布置在彭南河干流及支流B，堤防加固總長(zhǎng)2276.5km(其中干流堤防加固長(zhǎng)563.1m，支流B堤防加固長(zhǎng)1713.4m)，本次堤防加固斷面型式采用兩種型式。

1)第一種堤防加固典型斷面(見圖1)：下部格賓籠擋墻護(hù)腳+上部撒草籽護(hù)坡+堤頂?shù)缆沸褪?堤背撒草籽護(hù)坡

該型式主要布置在岸坡沖刷不太嚴(yán)重的堤防平順段。下部采用垂直疊加兩層格賓石籠擋墻護(hù)腳(1.5m×1.0m+1.0m×1.0m)，擋墻埋深1.0m，格賓石籠底部及背部鋪設(shè)300g/m2土工布；上部現(xiàn)狀岸坡陡于1∶1.5時(shí)，按照1∶1.5進(jìn)行削坡，緩于時(shí)則保持現(xiàn)狀坡度與護(hù)腳銜接，堤防迎水面撒草籽護(hù)坡(狗牙根)，防止沖刷破壞；堤頂高程按滿足5a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)控制，堤頂設(shè)置防汛道路(兼做綠道)，迎水側(cè)設(shè)置0.5m寬綠籬緩沖帶，防汛道路寬3.0m，路面結(jié)構(gòu)自上而下分別為：20cmC20混凝土路面，15cm碎石墊層，并設(shè)置C20混凝土路肩，堤背填筑坡比為1∶1.5，坡面撒草籽(狗牙根)。堤防加固段適用于以下河段：GY2+143.1-GY2+631.5;BY0+086.5-BY0+582.0、BY0+652.3-BY0+847.2、BY1+146.3-BY1+766.6，合計(jì)1799.1m。

圖1 第1種堤防加固典型斷面

2)第2種堤防加固典型斷面(見圖2)：下部C20混凝土擋墻護(hù)腳+框格梁護(hù)坡+堤頂?shù)缆沸褪?堤背撒草籽護(hù)坡

本型式主要布置在河道轉(zhuǎn)彎頂沖段、岸坡曾發(fā)生過滑塌及干支流交匯口等需要對(duì)岸坡進(jìn)行防護(hù)的堤防段。下部C20混凝土擋墻護(hù)腳，擋墻高2m，頂寬0.5m，迎水側(cè)垂直，背坡坡比為1∶0.45，與墻踵和墻趾分別設(shè)置0.3×0.5m(寬×高)趾腳，擋墻埋深1.0m；上部現(xiàn)狀岸坡陡于1∶1.5時(shí)，按照1∶1.5進(jìn)行削坡，緩于時(shí)則保持現(xiàn)狀坡度與護(hù)腳銜接，為增強(qiáng)堤防的抗沖能力，堤防迎水面設(shè)置框格梁護(hù)坡，框格梁岸坡坡腳和坡頂分別設(shè)置地梁和橫梁，中部框格梁尺寸為0.3m×0.4m(寬×深)，框尺寸為2.0m×2.0m，框內(nèi)播撒草籽(狗牙根)。堤頂高程按滿足5a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)控制，堤頂設(shè)置防汛道路(兼做綠道)，迎水側(cè)設(shè)置0.5m寬綠籬緩沖帶，防汛道路寬3.0m，路面結(jié)構(gòu)自上而下分別為：20cmC20混凝土路面，15cm碎石墊層，并設(shè)置C20混凝土路肩。堤背填筑坡比為1∶1.5，坡面撒草籽(狗牙根)。堤防加固段適用于以下河段：GY2+125.1-GY2+143.1、GY2+631.5-GY2+688.2；BY0+582.0-BY0+652.3、BY0+847.2-BY1+146.3、BY1+766.6-BY1+799.9，合計(jì)477.4m。

圖2 第2種堤防加固典型斷面

2.3.2 穩(wěn)定計(jì)算

1)堤防整體穩(wěn)定計(jì)算：

本次選取堤高較高的4個(gè)代表斷面進(jìn)行堤防穩(wěn)定計(jì)算。

穩(wěn)定滲流期的安全系數(shù)，按公式(8)計(jì)算(有效應(yīng)力法)：

(8)

施工期及河道水位降落期的安全系數(shù)，按下式計(jì)算(總應(yīng)力法)：

(9)

式中：b為條塊寬度；W1、W2為土堤坡外水位以上、下條塊實(shí)重、浮重；Z為坡外水位高出底面中點(diǎn)距離；u為壩體或地基中的空隙水壓力；β為重力線與底面中點(diǎn)的半徑之間夾角；γw為水容重；C’、φ’為土的有效強(qiáng)度指標(biāo)；ui為水位降落前壩體中的空隙壓力；Ccu、φcu為土的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

各工況選用的計(jì)算方法及土料參數(shù)的選取為：①施工期工程采用總應(yīng)力法(土料參數(shù)采用快剪指標(biāo))；②穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法(土料參數(shù)采用慢剪指標(biāo))；③水位降落期采用總應(yīng)力法(土料參數(shù)采用快剪指標(biāo))。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 各種工況堤防加固段整體穩(wěn)定安全系數(shù)

續(xù)表5 各種工況堤防加固段整體穩(wěn)定安全系數(shù)

經(jīng)計(jì)算堤防穩(wěn)定安全系數(shù)滿足5.1.4章節(jié)所列的設(shè)計(jì)允許值，堤防設(shè)計(jì)是安全的。

2)堤防滲流穩(wěn)定分析：

堤基主要土層土的滲透變形類型：素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土滲透變形類型為流土，粉細(xì)砂、中粗砂的滲透變形類型為管涌。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告單行本堤基各主要土層的允許水力坡降：素填土0.4-0.45、粉質(zhì)黏土0.45-0.50、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土0.3-0.35，粉細(xì)砂0.15-0.25、中粗砂0.1-0.2。

本次滲流穩(wěn)定計(jì)算選取設(shè)計(jì)洪水位與場(chǎng)地高差大及堤基防滲層薄的斷面處進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算該堤段堤基滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表6：

表6 滲流穩(wěn)定計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算堤防出逸口滲透坡降均小于允許滲透降，堤防滲透穩(wěn)定滿足要求。

3)堤腳沖刷深度計(jì)算：

本堤段河床大部為粉質(zhì)黏土，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)附錄D.2.2計(jì)算，計(jì)算公式：

(10)

(11)

(13)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；U為行進(jìn)流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀系數(shù)有關(guān)，取n=1/4-1/6，本次直立式堤防結(jié)構(gòu)取1/5，斜坡式堤防結(jié)構(gòu)取1/6；η水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α確定，交角≤15°時(shí)，取1.0；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；d50為床沙的中值粒徑，m；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3。

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(shù)均取1.0，本次選取最大流速與最大水深斷面計(jì)算沖刷深度，根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 計(jì)算沖刷深度表

根據(jù)沖刷深度計(jì)算成果，局部沖刷最大沖刷深度為0.77m。結(jié)合觀音閣鎮(zhèn)河流特點(diǎn)及已建堤防堤腳防沖的處理方式，對(duì)河道堤腳抗沖刷深度按不小于1.00m設(shè)置。

4 結(jié) 論

1)博羅縣彭南河河道延伸長(zhǎng)，條件復(fù)雜。通過方案對(duì)比選用復(fù)合型堤防型式。通過對(duì)比，不同的河道類型選取不同的護(hù)坡、護(hù)腳材料。

2)對(duì)個(gè)主要干支流匯合口、河道頂沖嚴(yán)重段、曾發(fā)生過坍塌段的堤段迎水面護(hù)坡材料選擇框格梁+草皮(撒草籽)護(hù)坡；對(duì)河道流速不大的平順段堤防引水面及堤防背水面選擇造草皮(撒草籽)護(hù)坡。

3)河道平順段擋墻護(hù)腳選擇格賓籠擋墻型式；對(duì)河道轉(zhuǎn)彎頂沖段、干支流匯合口及曾發(fā)生過滑坡等需要重點(diǎn)防護(hù)的堤段，擋墻護(hù)腳選擇C20混凝土擋墻護(hù)腳型式。

4)通過計(jì)算分析，堤防工程滲流、穩(wěn)定性及抗沖刷均滿足相關(guān)要求。