三嶼圍海堤防洪工程技術(shù)的應(yīng)用與研究

肖 鵬

（惠州市惠東縣廣源水利水電工程勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，廣東 惠州 516000）

當(dāng)今社會(huì)在飛速發(fā)展,雖然我國的海堤防洪工程也在不斷的發(fā)展，對(duì)洪水臺(tái)風(fēng)海嘯等自然災(zāi)害的抗擊有很大的幫助,但是水患不僅危害無窮而且無處無在,影響了人們正常的生產(chǎn)生活，威脅了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，不利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展。因此，海堤防洪工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量和安全以及防御能力成了人們重點(diǎn)關(guān)注的問題。

1 工程概況

經(jīng)分析，某海堤工程現(xiàn)有堤防普遍存在堤身滲漏、裂縫等問題。為減少防護(hù)區(qū)內(nèi)洪水災(zāi)害，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全及穩(wěn)定社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，擬采用綜合治理的方式加固堤防，提高防護(hù)區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)。需綜合治理的堤防防護(hù)岸加固范圍總長為5.731km，堤建筑物級(jí)別與堤防級(jí)別相同，均屬于4級(jí)工程，其它次要建筑物屬于5級(jí)工程，處治后防洪標(biāo)準(zhǔn)提升至20a。堤防護(hù)岸及穿堤建筑物屬于主要的加固治理對(duì)象，目標(biāo)在于提升水工設(shè)施的防洪、排澇水平[1]。

2 地質(zhì)條件

若按照地質(zhì)新老來劃分，可將地層地質(zhì)情況分為以下4種：

1）人工填土。人工填土由黏性土、少量砂礫及碎石組成，顏色呈黃褐、紅褐、灰黃等色，濕度為稍濕，松散稍密，土質(zhì)不均勻，平均層厚為3.55m。

2）沖積層。沖積層由粉粒、少量砂礫及黏粒組成，顏色呈紅褐、灰黃等色，濕度較大，可塑性較強(qiáng)，平均層厚為3.86m，巖芯呈土柱狀，韌性和干強(qiáng)度均良好，

3）粉質(zhì)黏土。粉質(zhì)黏土由粉粒和黏粒組成，顏色呈灰黃色，濕度較大，可塑性較強(qiáng)，干強(qiáng)度和韌性良好，巖芯呈土柱狀，平均層厚為12.50m。

3 堤防護(hù)岸加固設(shè)計(jì)

3.1 加固方案

分析地質(zhì)測繪及勘探資料分析治理段堤防護(hù)岸的情況，并選擇具有典型性、代表性的布頭段作為典型堤防護(hù)岸。根據(jù)該典型堤防護(hù)岸地層和問題現(xiàn)狀，確定該典型堤防加固段總長為2.2km，執(zhí)行20a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，起推水位為98.664m，水面線糙率約為0.030~0.033。

根據(jù)因地制宜的原則，沿現(xiàn)有河岸導(dǎo)線布置該段堤防導(dǎo)線，并適量增加前后坡的高度與厚度，恢復(fù)重建堤頂水泥交通路。同時(shí)，鑒于該段現(xiàn)有堤頂高度與設(shè)計(jì)堤頂高度差距較小，二者基本呈等高狀態(tài)，所以可將現(xiàn)有堤頂內(nèi)邊線向外偏移5m作為治導(dǎo)線，且加寬堤頂，加寬寬度要保證在5m以上，以此實(shí)現(xiàn)加高培厚的目標(biāo)。另外，部分堤段不做改動(dòng)，堤頂高度維持原狀。考慮到交通出行要求，加寬路面和重建堤頂路面的寬度均不可少于5m，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)保持平整和穩(wěn)定。

3.2 斷面設(shè)計(jì)

土堤頂面高程以高出設(shè)計(jì)靜水位0.5m以上為準(zhǔn)進(jìn)行控制，條件允許時(shí)，盡可能保留原堤頂交通路面，減少工程量，充分利用既有結(jié)構(gòu)。堤頂增加設(shè)計(jì)防浪墻培厚前坡，保障既有堤防設(shè)施的有效性以及降低施工成本。在增設(shè)防浪墻后，能夠有效提高土面和土堤的穩(wěn)定性，恢復(fù)重建的堤頂路面遵循原路面施工標(biāo)準(zhǔn)，采用的是C25混凝土。新建防浪墻，高度控制在0.5~1.2m。

由于該段堤防后為民用建筑，且堤前灘涂地僅長0.8km，面積較小。因而，在堤頂背水側(cè)修筑排水溝，凈寬、凈高均為0.4m，防護(hù)措施是在頂部設(shè)格柵蓋板。采用漿砌石在護(hù)岸擋墻外側(cè)固腳，并以回填的方法處理堤內(nèi)坡，堤外坡護(hù)岸維持原狀，不增設(shè)新結(jié)構(gòu)。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 滲透穩(wěn)定性

分析治理段水文地形地質(zhì)情況與堤防現(xiàn)狀，綜合考慮堤防工程設(shè)計(jì)等級(jí)要求、現(xiàn)有工程資料，計(jì)算、分析堤防滲流及滲透穩(wěn)定性。根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步明確滲流場內(nèi)滲流量、滲透水頭等參數(shù)，據(jù)此判斷確定其滲透穩(wěn)定性。因而，必須開展科學(xué)的滲透計(jì)算，采用合適的滲流計(jì)算方法，確定可能遭受破壞并影響整個(gè)堤防質(zhì)量的堤段。在該堤防工程中，迎水側(cè)水位從設(shè)計(jì)水位下降至3m歷時(shí)48h，根據(jù)水位變化及整個(gè)過程耗費(fèi)的時(shí)長進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析，客觀評(píng)價(jià)堤防的應(yīng)用效果。

滲透穩(wěn)定分析對(duì)象較多，此處以布頭段BT1+500為例，做相應(yīng)的分析。該段土層平均厚度為11.72m，孔隙比為0.844，滲透系數(shù)為4×10-6cm/s。選擇 “AutoBANK-水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)”作為分析軟件。滲流穩(wěn)定計(jì)算成果具體如表1所示。

表1 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

滲流穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，按綜合加固方案施工后，各典型斷面均可滿足滲流穩(wěn)定性要求，表明設(shè)計(jì)的綜合加固方案具有可行性。

4.2 抗滑穩(wěn)定性

根據(jù)土堤所處環(huán)境，分正常情況和非常情況進(jìn)行土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算。在壩頂防汛路中間范圍施加q=3.5kN/m2荷載，分別計(jì)算正常情況與非常情況下的土堤抗滑穩(wěn)定性。首先，考慮背水側(cè)、迎水側(cè)的堤坡是否穩(wěn)定，再做進(jìn)一步的分析。具體而言，背水側(cè)堤坡穩(wěn)定時(shí)，迎水側(cè)水位為設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)水位等同于地面高程，此時(shí)的堤身浸潤線可根據(jù)滲流穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果分析確定；而對(duì)于迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定的情況，需要重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)河水位的變化，在此條件下迎水側(cè)水位從設(shè)計(jì)水位下降至3m，共經(jīng)歷48h。其次，在非常情況下，迎水側(cè)和背水側(cè)水位差異明顯，并且特征表現(xiàn)不一，具體表現(xiàn)為迎水側(cè)水位無滲流，背水側(cè)水位為現(xiàn)狀地面。

采用“AutoBANK-水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)”作為分析軟件。經(jīng)計(jì)算分析可知，正常情況時(shí)，穩(wěn)定滲流期迎水側(cè)水位驟降48h后，由原本的103.83m降低至100.25m；非常運(yùn)行條件下，迎水側(cè)水位無滲流。在本工程的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分析中，采用的是適應(yīng)于4級(jí)堤防的瑞典圓弧法，顧及堤防使用過程中的各類條件，主要分為正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行兩種情況，分別計(jì)算各自的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明，兩種情況分別為1.15、1.05。正常及非常運(yùn)行條件下抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表2。

表2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

分析抗滑穩(wěn)定性計(jì)算成果表可發(fā)現(xiàn)，按綜合加固后的迎水坡、背水坡在正常及非常運(yùn)行條件下均能滿足抗滑穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 穿堤建筑物設(shè)計(jì)

5.1 穿堤排水涵閘設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場勘測資料的說明，可確定在擬治理布頭段防洪堤沿線分布有2座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穿堤排水閘，均通過手動(dòng)啟閉鑄鐵閘門的方式控制穿堤排水閘，從實(shí)際觀察結(jié)果和運(yùn)行情況來看，雖有一些銹蝕，但其開啟和關(guān)閉功能正常，僅需要予以一定的維修養(yǎng)護(hù)。同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的穿堤排水閘結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好，過流能力、設(shè)計(jì)排水量基本滿足設(shè)計(jì)要求。因而，需要做好閘門及啟閉螺桿的除銹防腐工作，保證此類配套設(shè)施的可靠性，從而提升穿堤排水涵閘的運(yùn)行效果。而上下游河道堵塞時(shí)，將影響排水閘過流順暢性，針對(duì)此問題，提出的是機(jī)械和人工配合疏通河道的應(yīng)對(duì)方法。

5.2 穿堤涵管設(shè)計(jì)

5.2.1 過流計(jì)算

布頭1號(hào)涵管、2號(hào)涵洞均屬于無壓流短洞流態(tài)，根據(jù)此流態(tài)評(píng)價(jià)穿堤涵管的過流能力。布頭1號(hào)涵管、2號(hào)涵洞過流計(jì)算成果具體如表3所示。無壓流涵洞過流計(jì)算公式如下：

表3 穿堤排水涵管過流計(jì)算表

式中：Q為涵洞過流量，m3/s；α為動(dòng)能修正系數(shù)，取1.05；ε為側(cè)收縮系數(shù)，取0.95；m為流量系數(shù)，取0.36；B為洞寬，m；g為重力加速度，取9.81m/s2；H0為進(jìn)口水深，m。

穿堤排水涵管過流結(jié)果表明，布頭1號(hào)涵管過流能力良好，可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，布頭2號(hào)涵洞未達(dá)到過流能力要求。為保障涵管過流能力的可靠性，需重建高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)的穿堤排水涵管。

5.2.2 穿堤涵管設(shè)計(jì)

精心挑選規(guī)格合適、材質(zhì)可靠的排水涵管，從源頭保障施工質(zhì)量。重建的布頭1號(hào)涵管為預(yù)制鋼筋混凝土Ⅱ級(jí)排水管，并設(shè)置鋼制拍門出水口。穿堤涵管壁厚為0.2m，重建后底高程為99.33m，10a一遇洪峰流量為2.3m3/s，過流能力為3.3m3/s。按照設(shè)計(jì)方案建設(shè)穿堤涵管后，有效提升了此水工設(shè)施的過流能力，經(jīng)檢驗(yàn)，其達(dá)到圍內(nèi)排澇的要求。重建后的布頭2號(hào)涵洞穿堤涵管與布頭1號(hào)涵洞材質(zhì)、規(guī)格相同，管長為23.7m，先在涵管布設(shè)現(xiàn)場設(shè)置厚度為0.35m的級(jí)配碎石，再施工厚度為0.1m的混凝土墊層，在平整、堅(jiān)實(shí)的墊層布設(shè)涵管后，使涵管受力均衡，防止局部大幅度沉降。進(jìn)水口、出水口均設(shè)置混凝土擋墻，材料采用C30混凝土，高度均為1.1m~2.5m，寬度均為2.5m。考慮到防護(hù)要求，澆筑C25混凝土，形成防護(hù)結(jié)構(gòu)，出水口底板采用混凝土齒墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)寬度0.4m，深度1.3m，齒墻后方設(shè)置長度為3m、厚度為0.5m的塊石。考慮到滲透破壞易導(dǎo)致涵管失效的情況，在重建涵管中間設(shè)混凝土截水環(huán)。

5.2.3 穿堤涵管基礎(chǔ)處理

涵管施工現(xiàn)場的地基土以粉質(zhì)黏土為主，易出現(xiàn)沉降問題。因而，必須在進(jìn)、出口底板、拍門段底板位置換填0.35m厚的級(jí)配碎石，進(jìn)行專業(yè)的碾壓密實(shí)處理，以減少涵底板沉降。同時(shí)，也需要在重建涵管中間位置設(shè)計(jì)刺墻，以發(fā)揮截流防滲的作用。

5.3 施工效果及建議

在實(shí)施綜合加固除險(xiǎn)治理方案后，該海堤防洪工程的質(zhì)量問題得到了有效治理，堤身安全穩(wěn)定性顯著提升，水土流失范圍規(guī)模得到了控制，防治區(qū)周邊環(huán)境也有明顯改善。但考慮到施工效果和工程投資，在施工中應(yīng)遵循“以防為主”“防治結(jié)合”的治理原則，科學(xué)安排工期，控制干擾面積，盡可能安排在旱季完成土石方的開挖與回填作業(yè)。

6 結(jié) 語

綜上所述，文章依托具體的堤防堤段的加固除險(xiǎn)實(shí)例，先闡述了堤壩存在的問題，根據(jù)堤壩安全運(yùn)行、耐久穩(wěn)定的要求，提出堤壩除險(xiǎn)加固方案，選取典型斷面，檢驗(yàn)采取加固方案后堤壩的穩(wěn)定性，結(jié)果表明堤壩穩(wěn)定可靠，加固方案具有可行性。經(jīng)過文章的研究后，為同類型的堤防加固工程積累了經(jīng)驗(yàn)，加深對(duì)防洪工程技術(shù)的認(rèn)識(shí)。