南豐鎮防洪工程防洪墻設計淺析

羅 超

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

1 工程概況

南豐鎮防洪工程位于廣東省封開縣南豐鎮賀江左岸,南豐鎮現狀防洪排澇設施標準低,防洪能力差,經常受外江洪水侵襲,需要進行興利除害工程建設。南豐鎮防洪工程主要由防洪堤、泵站及水閘等組成,其中防洪堤包括土堤與防洪墻。工程等別為Ⅳ等,堤防級別為4 級,主要建筑物級別為4級,次要建筑物級別為5 級,防洪標準采用20年一遇設計洪水。本文針對防洪墻段進行分析計算。

2 防洪墻結構設計

2.1 防洪墻墻頂高程計算

根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）規定,設計波浪的計算風速可用歷年汛期最大風速平均值的1.5倍。汛期最大風速平均值為8.1 m/s,現選用設計波浪風速V=8.1×1.5=12.15 m/s。

防洪墻頂高程按設計洪水位加堤頂超高確定,堤頂超高按下計算公式計算：

式中：Y 為堤頂超高,m；R 為設計波浪爬高,m；e 為設計風雍增加水高,m；A 為安全加高,m。

4 級堤防按不允許越浪取A=0.6 m,允許越浪取A=0.3 m。

設計波浪爬高R 及設計風雍增加水高e 根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）附錄C 計算。

堤頂超高按不允許越浪考慮,堤頂超高計算值為0.90 m,20年一遇設計洪水位為41.17 m,因此防洪墻墻頂計算高程為41.17+0.9=42.07 m,取42.10 m。

2.2 防洪墻結構型式

根據地面高程的不同,防洪墻的斷面形式也有所不同。防洪墻的主要斷面形式為折線形,擋水墻采用C30 鋼筋砼直墻+斜板結構,直墻高度3.0 m,厚度0.8 m,斜板垂直高度根據不同的地面高程而不同,地面高程有36.60 m、37.5 m、38.5 m、39.00 m 等4 種,當地面高程高于38.50 m 時不設斜板,直接用直墻擋水。斜板垂直高度有2.5 m~1.6 m,坡比1:2.4~1:3.75,斜板厚度0.4 m,每隔6 m 設一圓柱支承斜板,圓柱直徑為0.6 m。基礎底板采用板梁結構,寬度6.0 m,冠梁尺寸1.0 m×1.0 m（寬×高）,聯系梁間距3.0 m,尺寸0.5 m×1.0 m（寬×高）,板厚0.2 m。防洪墻沿線每隔300 m 左右布置一道防洪門,供附近居民進出外江側休閑步道,也可作為應急排除內澇通道,防洪墻與民房之間為雙向行車通道。

防洪墻地基為礫砂、砂卵礫石層,屬強透水地基,卵石粒徑2 cm~10 cm,含砂礫10%~25%。該層在工程區內分布廣泛、連續,層厚0.30 m~11.20 m,平均層厚4.91 m,層頂高程26.72 m~34.40 m。防洪墻基礎處理采用水中填筑施工平臺。結合基礎防滲,防洪墻基礎內側采用C30 砼連續墻,厚800 mm,外側采用C30 砼φ1000 mm 灌注樁,間距3000 mm。強風化砂巖裂隙發育,具中等透水性,大部分堤段強風化層厚度較小,部分甚至缺失,連續墻及灌注樁底部原則上均伸入弱風化巖1.0 m,在強風化層厚度較厚,巖石裂隙少,透水性弱的堤段,連續墻及灌注樁底部提升至伸入強風化巖1.0 m。

防洪墻主體工程施工完成后,拆除水中填筑的施工平臺,防洪墻基礎由連續墻、樁基礎及砼底板組成的一個架空結構,防洪墻底板底面至河床,底板頂面至防洪墻斜板均為行洪斷面。典型斷面見圖1。

圖1 典型斷面圖

2.3 折線形防洪墻基礎防滲墻及灌注樁整體計算

2.3.1 主要設計允許值

根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）,堤防建筑物安全系數要求如下：

（1）土堤邊坡抗滑穩定安全系數不應小于表1 的規定。（2）

表1 土堤邊坡抗滑穩定安全系數

防洪墻抗滑穩定安全系數、抗傾覆安全系數不應小于表2、表3的規定。

表2 防洪墻沿基地面的抗滑穩定安全系數

表3 防洪墻抗傾覆穩定安全系數

2.3.2 計算斷面選擇

選取基礎覆蓋層較厚,巖層頂面高程較低,防洪墻最高的斷面作為計算斷面。計算斷面見圖1。

采用理正深基坑支護結構設計軟件,對模型進行適當簡化,按雙排樁進行計算,工程支護安全等級為一級。計算簡圖見圖2。

圖2 計算簡圖

灌注樁直徑1.0 m,樁長為26.3 m,樁距為3.0 m,樁頂設冠梁,尺寸為1.0 m×1.0 m。

連續墻模擬為矩形樁,樁長為26.3 m,寬為0.8 m,樁距為1.2 m,樁頂設冠梁,尺寸為0.8 m×1.2 m。

灌注樁與連續墻間距5.1 m,中間設聯系梁,聯系梁寬0.5 m,高1.0 m,間距為3.0 m。

防洪墻背水面高度范圍內填土模擬為雜填土,各項計算指標為0。

2.3.3 巖土層采用參數

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）第3.1.14第2 點“對地下水位以下的黏性土、黏質粉土,可采用土壓力、水壓力合算方法；此時,對正常固結和超固結土,土的抗剪強度指標應采用三軸固結不排水抗剪強度指標或直剪固結快剪強度指標,對欠固結土,宜采用有效自重壓力下預固結的三軸不固結不排水抗剪強度指標”。

本工程地層屬于正常固結土,計算時應采用三軸固結不排水抗剪強度指標或直剪固結快剪強度指標,計算取值參數見表4。

表4 計算取值參數表

2.3.4 計算工況

工況一：正常運用條件,外江水位為32.10 m,堤內水位比地面低1 m,35.60 m。

工況二：設計洪水位,外江水位達到防洪墻頂,堤內水位比地面低1 m,35.60 m。

工況三：退水工況,外江水位降至河床,堤內水位距墻頂4 m,水位差6 m。

工況一與工況三墻內路面考慮汽車荷載（汽車荷載按公路Ⅱ級車道荷載計算）。

2.3.5 計算結果

計算結果見表5。

表5 折線形防洪墻墻身、防滲墻及灌注樁整體計算成果表

由表2 中可以看出,正常運用條件,抗傾覆穩定性系數Ks>1.45；整體穩定安全系數Ks>1.15,均滿足規范要求。

非常運用條件Ⅰ,抗傾覆穩定性系數Ks>1.35；整體穩定安全系數Ks>1.05,均滿足規范要求。

墻頂最大位移為13.39 mm,滿足設計要求。

2.4 防洪墻結構計算

正常運用工況：荷載只有飄板自重及不上人屋面活載,不上人屋面活載取0.5 kN/m2。計算模型為防洪墻、飄板及柱子組成的框架,防洪墻按800 mm×800 mm 的暗柱考慮,飄板按600 mm×400 mm 的暗梁考慮,圓柱直徑為600 mm。計算簡圖見圖3。

圖3 計算簡圖

采用PKPM 結構設計軟件計算結果為：防洪墻按800 mm×800 mm 的暗柱配筋面積2080 mm2,圓柱配筋面積1837 mm2,飄板按600 mm×400 mm 的暗梁跨中配筋面積1048 mm2,支座配筋面積1864 mm2。

擋洪工況：取1m 為計算單元,垂直豎向力為飄板自重,水平力為靜水壓力。由于柱子間距較大,為6 m,柱子剛度相對飄板及防洪墻的剛度很小,因此在擋洪工況不考慮柱子的作用,飄板按懸臂板計算,計算簡圖見圖4。

圖4 計算簡圖

經計算,彎矩MA=97.3 kN?m,MB=-60.2 kN?m

剪力VA=151.25 kN,VB=31.25 kN

配筋AsA=1018 mm2,ASB=1781 mm2

A、B 點抗剪驗算采用《水工混凝土結構設計規范》(SL 191-2008)中計算公式：

當hw/b ≤4.0 時,

當hw/b ≥6.0 時,

當4.0

2.5 防滲處理

防洪墻基礎采用連續墻及灌注樁的架空結構,連續墻采用C30 混凝土,墻厚0.8 m,深入不透水層不小于1.0 m。因此連續墻具有受力及防滲的雙重功能,滿足防洪墻基礎防滲的要求。

3 防洪墻景觀設計

結合當地的人文、景觀,融入碧道建設理念,對防洪墻沿線進行生態、人文景觀建設,使防洪墻沿線成為集生態、旅游、人文、休閑的 “畫廊式”的風光帶,成為廣大人民群眾喜游樂到的美好去處。突出“水環境、水文化、多自然”的特點,即能突出時代特點,又具有傳統的嶺南風格。在防洪墻上采用了嶺南風格的裝飾元素與傳統手法,如灰塑、陶塑、磚雕、木雕、洞門景窗、空花博古、貼地鋪地、彩色玻璃、鑲拼壁畫、匿名對聯等。在功能上具有隔熱、遮陽、通風的特點,建筑物頂部常做成多層斜坡頂,外立面顏色以深灰色、淺色、白色為主,墻面材料以文化磚與真石漆噴涂為主,頂部貼琉璃瓦為主。

防洪墻外側形成休閑江邊景觀步道,融入當地的歷史文化,通過這種廊道空間的裝飾與燈光的營造氣氛打造成為當地一道亮麗的新風景線,廊道內布置石凳和仿木欄桿。而防洪墻內側,結合1.5 m 寬的綠化造景,采用爬藤植物、開花植物、造型灌木以及竹子來造景。墻面的窗花刻雕裝飾元素、石景小品、射燈、草坪燈來點睛,通過一步一景的手法,豐富景觀,增加層次景深,活躍空間氣氛見圖5、圖6。

圖5 休閑江邊景觀長廊效果圖

圖6 防洪墻背水面景觀效果圖

4 結語

南豐鎮防洪工程防洪墻折線型結構,滿足防洪設計要求,結構安全可靠,堤防穩定滿足規范要求。防洪墻基礎由連續墻、樁基礎及砼底板組成架空結構,連續墻兼顧受力及防滲的雙重功能,減少了工程投資,架空結構避免侵占河段的行洪斷面。防洪墻運行管理簡單,造型新穎,結合步道可供居民休閑,滿足人們的親水性需求。折線型結構,降低直墻高度,既滿足擋水要求,又可有效減低空間壓抑感,提高居民的幸福指數。值得應用于城市（鎮）及景區等對防洪墻有特殊要求的地區。