基于洪水分析法的城市堤防除險加固實踐研究

聶新桂

(封開縣廣信堤圍養(yǎng)護中心，廣東 封開 526500)

1 工程概況

廣東省某河流地處粵東北山區(qū)，為一級支流，其堤防工程位于河流北岸，全長7.464 km，按50年 一遇標準加固，圍內(nèi)保護面積為22.2 km2。堤內(nèi)保護16多萬城市人口，是干流大堤的重要組成部分。本堤防工程已建成運行30多年，在防洪保安方面發(fā)揮巨大社會效益。2011年防洪標準提高至50年 一遇，在原防洪墻頂?shù)幕A上加高約0.8 m。

在近期例行的工程巡查中發(fā)現(xiàn)部分標段防洪墻長39 m有二處結構縫存在異?，F(xiàn)象，分別是結構縫下游端開裂和結構縫上游端墻體存在不均勻沉降現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。巡查中還發(fā)現(xiàn)防洪墻后原部分老舊房屋拆除的建筑淤泥垃圾等雜填后攤鋪一層砂礫石建成門坪，填土壓力直接作用至防洪墻，增加防洪墻向外傾覆趨勢。根據(jù)對防洪墻監(jiān)測結果來看，此段堤防的位移和裂縫在5個月內(nèi)發(fā)生了劇增，且有持續(xù)增長發(fā)展的趨勢，為了避免造成人身安全事故和財產(chǎn)損失，本次工程根據(jù)實際情況對該段堤防進行除險。

2 洪水分析法復核

2.1 設計洪水計算

項目區(qū)屬亞熱帶氣候，強降雨多為鋒面雨和臺風雨，暴雨大且集中[1]，由此引發(fā)的洪水洪峰流量大，影響范圍廣，是造成干流流域洪澇災害的主要氣象原因[2]；在地形圖上分別量讀河床縱坡變化特征點的高程及相應河長為36 km，采用加權平均法計算河流坡降J為0.0044、集水區(qū)為118 km2及流特征參數(shù)θ[3]。

設計暴雨，根據(jù)河流流域的中心位置，由2003年廣東省水文局編制的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》查得各歷時點暴雨均值和變差系數(shù)Cv，采用Cs=3.5Cv，計算各頻率設計點暴雨，面暴雨等于設計點暴雨乘以點面折算系數(shù)α[4]，設計暴雨見表 1。

初損后損法進行產(chǎn)流計算時，廣東省分區(qū)產(chǎn)流參數(shù)平均后損率和三天平均損失率根據(jù)粵水電總字《關于<關于廣東省暴雨徑流查算圖表>部分參數(shù)修改的通知》[5]中查得，參數(shù)成果見表 1。

表1 暴雨參數(shù)成果

河流缺少實測洪水資料，因此設計洪水由設計暴雨推求，采用廣東省綜合單位線法及推理公式法兩種不同方法進行計算，通過反復試算調(diào)整匯流參數(shù)協(xié)調(diào)兩種方法計算的成果[6]。

河流設計洪水根據(jù)斷面所選定的地理參數(shù)和計算分區(qū)，采用廣東省綜合單位線法和推理公式法進行設計洪水計算，成果見表2。

由表2可知，各計算斷面用兩種方法計算的洪水成果相差均在20%以內(nèi)，按《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》中規(guī)定，采用廣東省綜合單位線法計算成果。

表2 河流設計洪水計算成果表

2.2 施工洪水位

本工程處于水口站下游，屬于一級支流，流域特性相近，采用水文比擬法推求工程分期設計洪水。計算式(1)如下：

Q1/Q2=(F1/F2)2/3

(1)

式中：Q1為水口站各時段流量,m3/s；Q2為工程分期洪水流量,m3/s;F1為水口站集水面積，取6480 km2；F2為本工程控制集水面積，取118 km2。

根據(jù)經(jīng)驗公式計算本工程分期洪水如表3。

表3 分期洪水計算成果 m3·s-1

由于河流缺乏洪水觀測資料，難以對內(nèi)外水進行遭遇分析，附近一電站位于河流河口下游6.2 km，該水電站建成蓄水后，電站上游的10.0 km 河段的水位上升至4～6 m，枯水期施工水位受水電站頂托影響，本次采用該水電站正常蓄水位作為施工洪水位，電站正常蓄水位為73.50 m(珠基高程)，高程轉換后為74.24 m(85高程)。

3 堤防加固設計方案

3.1 堤頂高程復核

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)，堤頂高程應按設計洪水位加堤頂超高確定。經(jīng)復核現(xiàn)狀堤頂高程滿足50年一遇防洪標準，成果如表4。

表4 臨城鎮(zhèn)區(qū)綜合生活用水量預測 m

3.2 加固堤岸

加固長39 m(樁號K0+526～K0+565)、新建堤內(nèi)道路38 m長共468m2連接現(xiàn)狀上下游道路。加固堤線基本按原堤防走線布置，兩岸堤距基本不變，本次設計堤防加固長度39 m。

針對堤防存在的主要問題，加固措施主要是墻身貼坡加固，提高墻體的抗剪、抗滑能力。根據(jù)現(xiàn)場勘查原防洪墻迎水面邊坡不規(guī)則，本次C25貼坡混凝土面板內(nèi)側邊坡與原防洪墻一致，外側邊坡坡度按防洪墻現(xiàn)狀設計為0.35。

先拆除原防洪墻至高程79.40 m處，在原防洪墻迎水面外側布置C30鋼筋混凝土灌注樁為基礎，樁長約12.0 m，樁徑為1.0 m，孔距1.3 m，樁頂設尺寸為2.8 m×1.5 m的C25鋼筋混凝土樁承臺，承臺高于河床高程1 m，樁承臺上布置C25鋼筋混凝土貼坡，頂高程與原堤頂高程81.82 m持平，內(nèi)坡為原堤防迎水面邊坡，外坡設計為0.35，在墻體上設DN100排水管，孔距與排距為1.5 m。

3.3 防洪墻加固支護方案

擬整治堤段右岸岸坡轉角處擋土墻墻面出現(xiàn)兩道自地表至坡腳貫通的裂隙及多條小裂隙，局部墻面護面水泥皮已脫落裸露塊石及砂漿，形成天然的滲水通道，墻體穩(wěn)定性較差，應及時進行相應有效的加固支護，以免造成工程事故。

由于該擋土墻體幾近垂直狀，且墻后緊鄰已有建筑物，墻體外側與墻后的已有混凝土建筑物相距僅8 m，難以放坡及大型機械施工，建議采用抗滑(灌注)樁+加厚擋墻的加固支護方案，灌注樁建議采用鉆孔灌注樁。

4 穩(wěn)定性復核

4.1 計算工況及方法

本工程原堤防為仰斜式混凝土防洪墻，本次設計方采用在防洪墻前坡貼C25鋼筋混凝土面板加固，基礎處理采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁頂設承臺，加固后防洪墻斷面仍為仰斜式。根據(jù)加固墻高、墻頂填土、地基條件，采用樁長為12 m，樁承臺尺寸2.8 m×1.5 m，選取典型斷面進行計算，根據(jù)建筑物斷面設計。

取防洪墻高9 m，頂寬0.4 m，迎水面坡度0.35，背水面坡度-0.2，墻趾臺階尺寸2.8 m×1.5 m，樁長12 m，墻后填土為素填土，填土水平，墻頂附加荷載換算土層厚度取0.82 m，長度取15.0 m，計算簡圖如圖1。

圖1 防洪墻計算簡圖(單位：cm)

根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013，作用在防洪墻上的荷載可分為正常運用條件和非常運用條件，正常運用條件應由基本荷載組合，非常運用條件應由基本荷載和一種或幾種特殊荷載組合；根據(jù)各種荷載同時出現(xiàn)的可能性，選擇不利的工況進行計算。經(jīng)分析，本次穩(wěn)定計算選擇如下工況[8]：

工況一：完建工況(基本組合)；

工況二：設計洪水位(基本組合)；

工況三：設計洪水驟降，墻前水位驟降0.5 m(特殊組合)；

工況四：多年平均流量與地震(特殊組合)。

考慮降雨及滲流滯后的影響，在正常運行工況下?lián)跬翂η啊蟮乃徊羁扇?.5～1.0 m，結合本工程實際情況，設計洪水驟降工況時墻前后水位差按0.5 m考慮；計算結果如表5所示。

表5 防洪墻穩(wěn)定計算成果

采用北京理正巖土軟件進行防洪墻穩(wěn)定計算，經(jīng)計算，防洪墻抗滑、抗傾穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，地基承載力滿足設計要求，部分工況基底應力比大于允許值，根據(jù)《水工擋土墻設計規(guī)范》(SL 379—2007)條文說明：對于人工加固的深基礎，可不受應力比允許值的限制，故亦滿足規(guī)范要求。

4.2 立墻截面強度驗算

防洪墻加固后墻身抗剪最不利部位為樁承臺頂與墻身結合部，墻身等級設計為C25，受彎構件的強度按式(2)進行驗算，計算結果見表6。

表6 截面強度計算成果

(2)

式中：σi為受彎構件的應力,kN/m2;M為墻身截面彎矩，kN·m；W為墻身計算截面的截面距，m3；γ為受彎構件的混凝土受拉去塑性影響系數(shù)，取1.55；Ri為受彎構件的混凝土受拉強度，取1.55 MPa；Ki為混凝土構件抗拉強度安全系數(shù),取2.65。

剪應力驗算見式(3)：

(3)

式中：σj為計算剪應力，kN/m2；[σj]為混凝土容許剪應力，kN/m2；Q為截面剪力,kN;A為截面面積，m2。

5 結 語

該河流作為區(qū)域內(nèi)的一條重要河道，擔負著排洪、洪泄、御洪等多種功能，是防洪工程建設的一種工程措施，使堤防工程體系完善，從而提高堤防工程整體的抗洪災能力，達到抵御設計洪水標準的能力。項目建設必將帶動周邊經(jīng)濟的發(fā)展，對促進城市建設的全面協(xié)調(diào)發(fā)展，將產(chǎn)生顯著的社會效益。

當前城市堤防改造中，堤防工程往往承擔著的生態(tài)景觀的重要功能，研究集防洪和景觀為一體的生態(tài)堤防是今后堤防工程的重要研究方向。