張素仁

（忻州市水利勘測設(shè)計(jì)院，山西 忻州 034000）

南云中河三、四干渠河道堤防設(shè)計(jì)

張素仁

（忻州市水利勘測設(shè)計(jì)院，山西 忻州 034000）

忻州市南云中河三、四干渠渠首至河拱村段河道治理工程堤防設(shè)計(jì)，在考慮工程區(qū)域水文、地質(zhì)情況和現(xiàn)狀特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)形式、工程投資和美觀性、生態(tài)性進(jìn)行認(rèn)真分析對比，最終確定適合該段河道治理工程的堤防斷面。

堤防設(shè)計(jì)；直墻式堤防；斜坡式土堤；南云中河

1 概況

云中河屬海河流域子牙河水系滹沱河的一級支流，發(fā)源于忻州市忻府區(qū)楊胡鄉(xiāng)的云中山東麓，于米家寨村下游約500m處由云中河分洪工程分為北云中河和南云中河。南云中河在雙乳山水庫建成后，水庫下游河道除個(gè)別河段建有沙土堤防外，多無防護(hù)工程。同時(shí)又因當(dāng)?shù)鼐用裨诤拥纼?nèi)長年采砂，導(dǎo)致河床支離破碎，原河堤形態(tài)遭到嚴(yán)重破壞。

2 工程任務(wù)

南云中河三、四干渠渠首至河拱村段河道位于忻州市城區(qū)西北部，結(jié)合城市建設(shè)，河道治理不僅應(yīng)滿足安全和防洪功能的要求，還應(yīng)與城市建設(shè)相結(jié)合，與周圍環(huán)境相結(jié)合并兼顧生態(tài)性，充分體現(xiàn)水的柔美和觀賞性。工程任務(wù)主要是防洪，保護(hù)兩岸2066.67hm2農(nóng)田免受洪澇災(zāi)害，保證交通主干線暢通，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

3 堤防設(shè)計(jì)

3.1 工程等別和建筑物級別

本治理段位于南云中河城區(qū)治理段上段，保護(hù)范圍涉及3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)9個(gè)村莊共6.3萬人，2066.67hm2耕地，以及忻府區(qū)城區(qū)。

依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，確定防洪等級為Ⅳ等，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，大堤按4級堤防設(shè)計(jì)。

3.2 堤防設(shè)計(jì)方案比選

河道堤防基本形式為斜坡式、直墻式和斜坡直墻相結(jié)合的復(fù)式斷面。結(jié)合工程現(xiàn)狀特點(diǎn)、地形、地貌、水文地質(zhì)情況，從結(jié)構(gòu)形式合理性、工程投資、美觀、生態(tài)性等方面進(jìn)行比選。

3.2.1 結(jié)構(gòu)形式

直墻式堤防通常采用漿砌石或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在技術(shù)上比較成熟，應(yīng)用較多。鋼筋混凝土擋墻具有強(qiáng)度高、承載力大的特點(diǎn)，適用于堤防較高的情況；漿砌石護(hù)堤適用于5m以下的堤防，是河道治理中使用的常規(guī)斷面，優(yōu)點(diǎn)是斷面小，占地少；對沉降變形適應(yīng)性差，抗凍脹差，一旦結(jié)構(gòu)破壞，就會(huì)發(fā)生成段成片的坍塌，補(bǔ)修成本高，且與原堤防不易結(jié)合，成為堤防再次破壞的薄弱環(huán)節(jié)。

斜坡式堤防建筑材料一般為土料，土料抗沖刷較差，需要在土料迎水面鋪設(shè)抗沖刷護(hù)坡，防止土堤結(jié)構(gòu)被破壞，護(hù)坡通常干砌石、漿砌石、預(yù)制混凝土塊、格賓石籠等。相比直墻式堤防，斜坡式土堤占地多，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，對不均勻沉降適應(yīng)性強(qiáng)，凍脹破壞影響小，補(bǔ)修方便。

斜坡直墻相結(jié)合的復(fù)式斷面適用于流量較大，河道狹窄的斷面，尤其是日常流量較大的河道。經(jīng)計(jì)算，20年一遇洪水，堤防高度在2.15～3.31m之間，河道堤防不高，南云中河為季節(jié)性河流，雨季來水大，枯水期長，故本段河道治理不宜采用此斷面形式。

從當(dāng)?shù)夭牧戏矫娣治?，?xiàng)目所在地附近有金山鋪石料場和頓村土場，無論采用漿砌石、混凝土或土堤結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)?shù)亟ㄖ牧系馁|(zhì)量和儲(chǔ)量均可滿足工程需求。

南云中河治理段巖性以粉土、中粗砂為主，頂部砂質(zhì)粉土僅0.6m，其結(jié)構(gòu)松散，堤基建基面以下為全新統(tǒng)洪沖積級配不良砂、含細(xì)粒土砂，局部中細(xì)砂層直接出露。地下水位高，兩岸低洼處常見有泥潭。堤防地基較差，容易產(chǎn)生不均勻沉降，工程區(qū)域地下水位高，又地處華北地區(qū)，冬季氣溫在零度以下，容易發(fā)生凍脹破壞。

綜合考慮該段河道治理工程的水文、地質(zhì)情況，適合采用斜坡式土堤斷面。

3.2.2 工程投資

在滿足水工建筑物功能的情況下，力求投資最小、效益最大。斜坡式、直墻式兩種堤防斷面在量價(jià)對比各有優(yōu)勢，直墻式堤防斷面形式體積小，工程量少，但單價(jià)高；斜坡式土堤斷面形式占地多，工程量大，但單價(jià)低。

以該段河道平均堤高2.5m為標(biāo)準(zhǔn)，對漿砌石、鋼筋混凝土、斜坡土堤鋪設(shè)護(hù)面三種斷面形式，參照工程所在地類似工程單價(jià)進(jìn)行單米造價(jià)初步估算。漿砌石堤防斷面頂寬0.4m，底寬1.2m，工程造價(jià)約900元/m；鋼筋混凝土堤防采用頂寬0.4m，底寬1m，工程造價(jià)約1500元/m；斜坡土堤采用頂寬4m，底寬16.5m，迎水面鋪設(shè)0.3m格賓石籠的斷面形式，工程造價(jià)約950元/m。

經(jīng)對比，漿砌石堤防、斜坡式土堤鋪設(shè)格賓石籠護(hù)坡堤防形式造價(jià)較低。但從工程區(qū)域因地制宜考慮，原河道堤防為土堤，部分河道清淤土料也可利用，斜坡式土堤結(jié)構(gòu)形式可就地取材，部分舊堤防能改造利用，可降低工程造價(jià)，故從工程投資角度分析，斜坡式堤防比較適合該段河道治理工程。

3.2.3 美觀性及生態(tài)性分析

從觀賞性分析，直墻式比較剛性，適合高度較大，更具觀賞性，斜坡式適合堤防高度較低，具有親水性。經(jīng)水力計(jì)算，該段河道通過20年一遇洪水，堤防高度在2.15～3.31m之間。河道堤防不高，因此斜坡式堤防更適合該段河道的觀賞和游玩。

從生態(tài)性分析，漿砌石、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)徹底截?cái)嗔撕铀c兩岸環(huán)境的生態(tài)循環(huán)，而鋪設(shè)干砌石或格賓石籠的斜坡式土堤有較強(qiáng)的透水性，有利于河道和周邊的環(huán)境進(jìn)行水土交換循環(huán)，為水中的生物和微生物創(chuàng)造了生存環(huán)境，增強(qiáng)了水體自凈能力，保護(hù)和改善了水源水質(zhì)。格賓石籠護(hù)坡作為近年多被使用的生態(tài)護(hù)坡，其結(jié)構(gòu)比干砌石護(hù)坡牢固，又有一定的柔性，可適應(yīng)局部變形而結(jié)構(gòu)不破壞，石籠內(nèi)縫隙可填土而不易流失，有利于進(jìn)行植草種花等生態(tài)措施，可提高堤防的景觀和自然環(huán)境的融合，減少人工痕跡，體現(xiàn)河道的自然性和生態(tài)性。

經(jīng)對比，結(jié)合工程項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)、地貌和功能要求，忻州市南云中河三、四干渠渠首至河拱村段河道堤防采用斜坡式土堤迎水面鋪設(shè)格賓石籠護(hù)坡形式最為合理。

3.3 堤防型式

根據(jù)堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和選定的設(shè)計(jì)方案，堤防采用碾壓土堤，壓實(shí)度要求不小于0.91，設(shè)計(jì)頂寬4.0m，內(nèi)側(cè)邊坡1∶3，外側(cè)邊坡1∶1.5，高度2.15～3.31m，堤頂設(shè)計(jì)高程滿足20年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。堤岸防護(hù)設(shè)置30cm斜坡式格賓石籠，上鋪設(shè)30cm種植土草皮護(hù)坡，堤腳采用格賓石籠防護(hù)，深1.2m，寬3.0m。

3.4 堤防斷面穩(wěn)定性復(fù)核

3.4.1 堤防滲透穩(wěn)定性復(fù)核

滲流計(jì)算采用北京理正軟件開發(fā)公司編制的《滲流計(jì)算分析軟件》，計(jì)算方法采用滲流有限元法，其基本方程為：

式中：[K]——透水系數(shù)矩陣；

[H]——總水頭向量；

[M]——單元儲(chǔ)水量矩陣；

[Q]——流量向量；

t——時(shí)間。

計(jì)算斷面選擇堤防最大橫斷面，計(jì)算參數(shù)根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)成果并結(jié)合類似試驗(yàn)結(jié)果確定，見表1。

表1 堤防穩(wěn)定計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)采用值

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合工程實(shí)際，計(jì)算滲透穩(wěn)定按臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)無水。經(jīng)計(jì)算，堤基出逸點(diǎn)滲透坡降為0.22，小于堤基允許水力坡降0.4，認(rèn)為堤防滲流是穩(wěn)定的。

3.4.2 堤防抗滑穩(wěn)定復(fù)核

本河流屬季節(jié)性河流，穩(wěn)定計(jì)算工作條件根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算工況按設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流情況。

穩(wěn)定計(jì)算用北京理正軟件公司設(shè)計(jì)的邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算軟件，計(jì)算方法為圓弧法中的簡化畢肖普法。其公式為：

式中：K——壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)；

W——土條重量，kN；

V——垂直地震慣性力，kN；μ——作用于土條底面的孔隙水壓力，kPa；

b——條塊寬度，m；

θ——條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；

Mc——水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；

c′，φ′——土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；

R——圓弧半徑，m。

堤坡穩(wěn)定計(jì)算以堤防最大剖面對上下游堤坡在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，上游堤坡在設(shè)計(jì)洪水位驟降情況下，K=1.995，下游堤坡在達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位情況下，K=1.458，均超過規(guī)范值要求，表明堤防是穩(wěn)定安全的。

4 結(jié)語

忻州市南云中河三、四干渠渠首至河拱村段河道治理工程堤防設(shè)計(jì)，在考慮工程區(qū)域水文、地質(zhì)情況和現(xiàn)狀特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)形式、工程投資和美觀性、生態(tài)性進(jìn)行分析對比，最終確定了適合該段河道治理工程的堤防斷面。

TV85 ［

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張素仁（1979-），男，2003年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)工程管理專業(yè)，工程師。

2016-02-21；

2016-03-26