某防洪堤工程結構設計和堤防穩定分析

王緒彬， 劉鵬程， 朱健

（1.徐州市南水北調工程管理中心,江蘇 徐州 221200；2.上海千年城市規劃工程設計股份有限公司淮海設計院,江蘇 宿遷 223800）

1 河道現狀

某項目區位于河道左岸,現狀主要為竹林,目前尚未建設防洪堤,也沒有規劃岸線,出現暴雨洪水時農田受淹道路設施沖毀。工程的建設將解決左岸居民地開發建設的防洪安全問題,將使防洪標準滿足要求,提升居民生活品質,同時工程按需改造排澇涵洞,及時排除堤內澇水。本次治理河道長度為 3.19 km,總體布置上形成兩條線,一條為防洪岸線,一條為親水駁岸線,防洪岸線背水側為規劃居民用地,并沿岸線設置通道,親水駁岸線沿現狀臨水線布置,防洪岸線與親水駁岸線間為休閑親水平臺,防洪岸線長1.5 km,親水駁岸線長1.69 km。本文主要對河道防洪堤進行設計,并對防洪堤堤岸及護岸擋墻進行抗滑穩定分析計算。

2 結構設計

2.1 斷面方案選擇

本工程只涉及河道左岸,斷面形式的選擇主要為護岸形式的選擇。河道護岸形式一般可采用斜坡式、復合式、直立式三種形式,三者各有優劣,根據本工程實際情況,為充分利用灘地的親水性提高居住樂趣,盡可能保持河道的生態功能,本工程主要采用復合式斷面,上游約60 m為與上游已建護岸銜接則采用直立式斷面。

本工程復合式斷面下部擋墻高3 m～4 m,一般可以采用重力式擋墻、生態砌塊擋墻或板樁式擋墻。就三種擋墻形式而言,重力式擋墻采用傳統施工工藝,施工較為簡單,但生態性較差,生態砌塊擋墻生態性較好,但是需要進行大量土方開挖,同時造價也比較高,板樁式擋墻施工相對簡單,但造價很高,生態性也較差。綜合上述分析,本次項目擬采用傳統重力式擋墻結構,該方案施工工藝簡單、造價也較為便宜。

2.2 護坡形式比選

根據選定的土堤型式以及河道斷面平均流速,對土堤邊坡的防護型式進行比較。由于該河道平均流速較大,且考慮河道轉彎段,流態復雜、流速較大,并且充分結合現場沖刷情況及上下游護坡相統一,考慮采用 M7.5 漿砌塊石護坡、干砌條（塊）石護坡、聯鎖式生態護坡、生態砼護坡護坡及三維水土保護毯等多種方案進行比選[1],土堤護坡型式主要工程量及投資比較見表1。幾種護坡結構形式如下：

表1 土堤護坡型式主要工程量及投資比較表

（1）M7.5 漿砌塊石斷面型式為：按設計坡度培厚填土修坡后,在坡面用250 mm厚 M7.5 漿砌塊石護砌,下設150 mm 厚碎石墊層。

（2）干砌條石斷面型式為：按設計坡度培厚填土修坡后,在坡面用250 mm厚干砌條石(塊石）進行護砌,下設150 mm厚碎石墊層。

（3）聯鎖式生態護坡的斷面型式為：迎水坡按設計坡度填土修坡后,面層鋪砌環保砼預制塊,預制塊厚度0.15 m。

（4）生態混凝土護坡的斷面型式為：按設計坡度培厚填土修坡后,在坡面用120 mm 厚生態砼護坡（表面植草）。

（5）三維水土保護毯生態護坡的斷面型式為：按設計坡度填土修坡后,撒播草種,然后鋪設標準型三維開孔合成網墊,再覆20 mm厚耕植土層。

經濟比較方面,從上表可以看出,生態混凝土護坡價格最高,干砌條石護坡最便宜。

技術方面比較：M7.5 漿砌塊石護坡及干砌條、石護坡的抗沖流速可以達到2.5 m/s～4.0 m/s,其中M7.5 漿砌塊石護坡稍好,聯鎖式生態護坡已在國內部分省市應用,其采用自鎖式預制塊,標準孔洞率達37.5%左右,理論抗沖流速可以達到4 m/s～5 m/s,三維水土保護毯的抗沖流速可以達到 5 m/s～5.57 m/s,綠化覆蓋率≥95%。

美觀方面比較：M7.5 漿砌塊石護坡整體性較好,外觀上比干砌條、塊石稍好,但其與環境相融性差,目前提倡保護生態資源,條塊石開采難,市場難以購買,三維水土保護毯、聯鎖式生態護坡及生態混凝土護坡綠化效果好,與周邊環境相融性好。

工程管理方面比較：M7.5漿砌塊石護坡整體性較好,較干砌條、塊石護坡更方便管理；而三維水土保護毯、聯鎖式生態護坡及生態混凝土護坡由于存在草皮,后期存在草皮養護問題。

經過技術經濟比較,結合工程整體性,M7.5漿砌塊石護坡造價高,漿砌或干砌石護坡容易造成河道渠化,生態性較差；生態混凝土護坡的工程可靠性還有待檢驗；聯鎖式生態護坡和三維水土保護毯達到河道抗沖流速要求,也可滿足生態景觀要求。綜上所述,本工程選用聯鎖式生態護坡。

2.3 設計斷面

本段堤防采用復合式斷面,上部采用土坡結構,下部為重力式擋墻結構,10 年一遇設計水位35.86 m～35.01 m,設計堤頂高程約為38.24 m～35.90 m。上部土坡高1.4 m～3.0 m左右,堤頂為 C30 砼路面厚200 mm,內側場地在藍線保護范圍外整平作為居住地。迎水面外坡坡比 1∶2.0,坡面采用生態砌塊護坡厚0.15 m,坡腳設置C20 砼阻滑體高1m,背水面坡比1∶1.5,采用草皮護坡。灘地臨水側親水駁岸采用重力式擋墻。擋墻墻身采用C20 埋石砼澆筑,墻頂寬0.9 m,臨水側坡為直立擋墻,背水側坡比1∶0.4。擋墻基礎采用C25鋼筋砼底板厚1.0 m。墻前河底采用拋石護腳。墻頂采用C25砼壓頂厚0.3 m,并設置仿木紋欄桿。墻背采用中粗砂回填（相對密度＞0.65）,面層采用亞粘土夯填（壓實度≥0.91）厚 0.5 m。

圖1 堤防斷面設計圖

2.4 沖刷計算

（1）計算方法

按照《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）的規定,對防洪堤腳沖刷坑深度進行計算,計算公式采用規范附錄 D.2 規定的公式。

（2）沖刷深度hs計算

本工程沖刷深度計算分別選取以下幾組典型斷面進行計算,各斷面不同地質條件下沖刷深度計算成果見表2。

表2 護岸平行岸坡沖刷最大沖刷深度

從計算結果可知護岸及防沖護腳段局部沖刷深度為 0.45 m～1.05 m,本次設計護岸段采用拋填塊石護腳,厚800 mm措施進行防護,基礎埋深位于沖刷深度線以下,可有效提高地基防沖能力。

3 堤防整體穩定計算

3.1 滲透穩定分析

本次新建防洪堤背水側為規劃居民區,將與防洪堤同步實施。項目實施后, 背水側地面均抬高至堤頂。因此,不存在由防洪堤迎水側向背水側滲透的水頭差, 故設計堤岸不存在滲透穩定問題。

3.2 堤岸滑坡穩定分析

根據地形、地質和水文、波浪條件以及斷面型式,選擇具有代表性的斷面進行穩定分析,計算在最不利荷載和最不利水位組合情況下的最小安全系數,并滿足在正常運行條件下的最小安全系數 K＞1.10,非正常運行條件Ⅰ下的最小安全系數K＞1.05 的要求。穩定分析計算方法采用瑞典圓弧滑動法,計算公式如下[2]：

式中：Ro為滑弧半徑,m；Mc為水平向地震慣性力（∑Dh）對圓心的力矩,kN·m,非抗震工況此項計零；∑h為某一土條的總高度,m；∑Dh（∑DV）為某一土條的水平（垂直）地震力總和,kN,非抗震工況此項計零；a為土條底面中點處切線與水平線的夾角,°；Z 為壩坡外水位高出土條底面中點的距離,m采總應力法時此項計零；r0為水容重（r0=1）；US為在條塊底面中點處的孔隙水壓力值,kN,采用總應力法時此項計零；c、分別為土的強度指標,根據采用計算方法而定；∑Wk（∑Wh）為計算抗滑滑動時單位寬度土條的重量。

根據工程地質勘察報告,根據土工試驗和靜探、標貫試驗成果,其他材料容重、力學性能指標根據地區經驗取值。

選取JSFH0+250作為典型斷面進行計算,計算工況為：工況①：設計洪水位下臨水坡的穩定；工況②：完建期臨水坡的穩定；工況③：設計洪水位降落期臨水坡的穩定。

穩定計算結果見表3。

表3 邊坡穩定分析成果表

根據《堤防工程設計規范》相關規定以及表3邊坡穩定計算結果,正常運行條件下的最小安全系數 K=2.13＞1.10,非常運行條件下的最小安全系數 K=3.34＞1.05,因此,堤岸滑坡穩定均滿足規范要求。

圖2 堤防斷面設計圖

3.3 護岸擋墻穩定應力分析

抗滑擋土墻抗滑穩定應力分析前,應先進行抗滑穩定安全系數的計算,計算公式采用《堤防工程設計規范》中土質地基的擋土墻抗滑穩定安全系數計算公式, 不再列出,穩定要求安全系數應不小于《堤防工程設計規范》中5級堤防工程的規定值,計算參數和工況如下：

（1）計算參數

埋石砼的容重γ=24 kN/m3,墻背填土容重γ土=18 kN/m3；墻背回填中粗砂的等效內摩擦角 =33°,土體與墻背間的摩擦角δ= /2；擋墻基底摩擦系數1=0.45。

（2）計算工況

①工況 1：正常水位下擋墻穩定；②工況 2：堤防設計洪水位降落期擋土墻穩定；③工況 3：工程完工期,墻背已填土,外江側無水。

（3）穩定分析結果

根據各工況荷載組合,采用北京理正軟件設計研究所編制的巖土計算系列軟件 5.11 版的擋土墻設計分析模塊,各工況擋墻穩定與應力計算成果見表 4。

表4 擋墻穩定與應力計算成果

經計算,擋墻抗滑、抗傾覆計算值均大于允許值,基底應力比均在允許范圍內,擋土墻穩定可以滿足規范要求。

4 結論及建議

通過對河道防洪堤工程建設,解決左岸居民地開發建設的防洪安全問題,將使防洪標準滿足要求,提升居民生活品質,同時工程按需改造排澇涵洞,及時排除堤內澇水,確保沿河兩岸人民的生命財產安全,改善環境質量。工程于2018 年 5 月完工,確保了洪水期來臨時能夠抵御洪水,目前效果顯著。