劉柱

小凌河羊山段防洪工程設(shè)計(jì)與有限元復(fù)核

劉柱

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

小凌河上游段洪、旱災(zāi)害頻繁，水土流失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響和制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，開展防洪工程建設(shè)勢(shì)在必行。以小凌河羊山鎮(zhèn)段河段治理為例，確定堤防工程的工程等級(jí)以及堤線布置方案，通過(guò)計(jì)算得到堤防護(hù)腳埋深與堤頂高程，結(jié)合工程實(shí)際提出堤防斷面形式為：羊山橋上游拆除混凝土極護(hù)坡，對(duì)堤防迎水側(cè)進(jìn)行培厚；下游保留混凝土板護(hù)坡，在迎水坡堤肩處增設(shè)防浪墻。采用有限元軟件對(duì)堤防進(jìn)行滲流與抗滑穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，但局部堤段存在滲透穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，建議培厚堤身。

河流治理；堤防設(shè)計(jì)；滲流計(jì)算；穩(wěn)定分析

1 工程概況

小凌河發(fā)源于建昌縣和朝陽(yáng)縣交界的柏山山脈，自西北向東南流經(jīng)建昌、朝陽(yáng)、南票、凌海、錦州等市、縣（區(qū)），于凌海市娘娘宮鄉(xiāng)南注入遼東灣，干流河長(zhǎng)206 km，流域面積5153 km2。長(zhǎng)期以來(lái)，小凌河上游段洪、旱災(zāi)害頻繁，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境退化，已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，開展防洪建設(shè)勢(shì)在必行。

羊山鎮(zhèn)作為小凌河流域的第一批重點(diǎn)建設(shè)城鎮(zhèn)，隨著近幾年的運(yùn)行和河勢(shì)演變，羊山鎮(zhèn)河段現(xiàn)狀工程存在不同程度的安全隱患，問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，存在洪水沖刷兌岸嚴(yán)重、已建工程防洪標(biāo)準(zhǔn)低、斷面尺寸不滿足規(guī)范要求、工程不連續(xù)以及部分已建防洪工程因年久失修失去防洪功能等問(wèn)題，因此亟需開展小凌河羊山鎮(zhèn)段河段治理工作。

2 工程等別與工程布置

2.1 工程等別

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）、《水利水電工程等級(jí)劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）及《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）的規(guī)定[1-3]，結(jié)合保護(hù)區(qū)保護(hù)人口及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、失事后遭受洪災(zāi)損失的程度，本次設(shè)計(jì)確定羊山鎮(zhèn)城鎮(zhèn)段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，農(nóng)村段的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，小凌河羊山段防洪工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，工程級(jí)別為5級(jí)。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10 g，設(shè)計(jì)特征周期0.35 s。本區(qū)場(chǎng)地最大凍土深度1.35 m。

2.2 工程布置

本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)原有堤防進(jìn)行維修加固，對(duì)干砌石堆石壩進(jìn)行拆除并新建堤防，防洪工程的軸線基本保持原有舊堤堤線不變。根據(jù)城鎮(zhèn)發(fā)展需要及現(xiàn)狀地形情況，擬定堤線沿現(xiàn)有堤線布置，范圍從羊山橋下游1.19 km處至大四家子河匯合口處，干流治理河長(zhǎng)2.71 km。防洪工程段總長(zhǎng)度2736 m，全部布置在河道左岸，工程布置詳見(jiàn)表1。圖1為小凌河羊山段防洪工程平面布置示意圖。

圖1 小凌河羊山段防洪工程平面布置示意圖

3 防洪堤斷面設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)水面線計(jì)算

根據(jù)錦凌水庫(kù)庫(kù)區(qū)干流回水的計(jì)算成果和缸窖口水文站水位～流量關(guān)系反算河段糙率為0.028，本工程河段河槽組成以卵石為主，河漫灘主要為砂礫石，邊灘糙率取0.03。小凌河比降較陡，本次設(shè)計(jì)采用單斷面比降法計(jì)算起始斷面X57水位流量關(guān)系，以確定水面線計(jì)算起點(diǎn)水位。

水位流量關(guān)系曲線采用曼寧公式計(jì)算。計(jì)算斷面為本次測(cè)量實(shí)測(cè)斷面；河床糙率與水面線計(jì)算一致，取0.03；水面坡降取本區(qū)段河底平均比降2.0‰。水面線推算起點(diǎn)水位（X57斷面）為130.12 m。

河道和橋梁處均采用能量方程法，能量方程的基本形式為：

式中：Z1,Z2為上下游斷面的河底高程（m）；Y1,Y2為上下游斷面的水深（m）；V1,V2為上下游斷面的水流平均流速（m/s）；he為能量水頭損失（m）；a1a2為修正系數(shù)；L為上下游斷面之間的河道長(zhǎng)度（m）；Sf為上下游斷面的摩擦比降；C為河道的擴(kuò)散或收縮損失系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）[4]。

計(jì)算各設(shè)計(jì)頻率下洪水水面線，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

3.2 堤防斷面設(shè)計(jì)

堤防頂高程采用設(shè)計(jì)洪水位加超高確定。依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）有關(guān)規(guī)定，堤頂超高應(yīng)為風(fēng)浪爬高加安全加高再加風(fēng)壅水面高度，其中安全加高按規(guī)范要求，5級(jí)堤防采用0.5 m。

堤頂超高計(jì)算公式：Y＝R+e+A

式中：Y為堤頂超高（m）；R為設(shè)計(jì)波浪爬高（m）；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度（m）；A為安全加高（m）。防洪工程堤頂超高計(jì)算成果見(jiàn)表2。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）計(jì)算局部沖刷深度，順壩及平順護(hù)岸沖刷深度可按下列公式計(jì)算：式中：hs為局部沖刷深度（m）；H0為沖刷處的水深（m）；Ucp為近岸垂線平均流速（m/s）；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取；n=1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查規(guī)范附表D.2.2采用。

對(duì)于砂礫及卵石的起動(dòng)流速，采用規(guī)范附錄D中公式D. 2.1-6計(jì)算。

式中：Uc為泥沙起動(dòng)流速（m/s）；d50為床沙的中值粒徑（m）；H0為行近水流水深（m）；γs、γ為泥沙與水的容重（kN/m3）；g為重力加速度（m/s2）。

表1 水面線計(jì)算成果表

表2 防洪工程堤頂超高計(jì)算成果表

計(jì)算得到的各斷面局部沖刷深度在0.75 m～1.19 m之間，本次設(shè)計(jì)防洪工程護(hù)腳埋深均為1.0 m，河道防護(hù)工程護(hù)腳埋深1.0 m～1.5 m，埋深滿足要求[4-5]。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，羊山橋下游段，現(xiàn)狀堤身結(jié)構(gòu)滿足要求，僅堤頂高程不達(dá)標(biāo)。鑒于堤防兩側(cè)綠化較為完善，且迎水側(cè)混凝土板護(hù)坡工程2006年以后建成，現(xiàn)狀完好，本次基本保留原有混凝土板護(hù)坡，僅在堤防迎水坡堤肩處增設(shè)防浪墻滿足防洪要求，并延長(zhǎng)堤防至玄羊寺附近山腳，使堤防連貫封閉。堤防斷面見(jiàn)圖2。

羊山橋以上1233 m堤段是舊堤段，現(xiàn)狀存在問(wèn)題是堤身瘦小，堤頂寬度不足3 m，局部堤段迎水坡坡比小于1∶1.5，原有混凝土板護(hù)坡凹凸不平，破損嚴(yán)重，本次設(shè)計(jì)拆除原有混凝土板護(hù)坡，對(duì)堤防迎水側(cè)進(jìn)行培厚，使堤頂寬度達(dá)到3 m，并對(duì)堤坡、堤腳進(jìn)行工程防護(hù)，采用鍍鋅格賓石籠網(wǎng)墊及石籠網(wǎng)箱進(jìn)行防護(hù)，設(shè)計(jì)護(hù)坡頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加0.5 m超高，堤防斷面見(jiàn)圖3。

4 堤防滲流及抗滑穩(wěn)定復(fù)核

4.1 堤防滲流計(jì)算

按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286－2013）要求，堤防的滲流應(yīng)按穩(wěn)定滲流計(jì)算。采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求解拉普拉斯方程，用有限單元法作滲流場(chǎng)離散，引用三節(jié)點(diǎn)的三角形單元和線性插值函數(shù)。本次設(shè)計(jì)采用《理正滲流分析軟件》進(jìn)行滲流分析計(jì)算[6]。

滲流計(jì)算選取LK0+338、LK0+858、LK1+346、LK1+879四處堤防斷面作為典型斷面。選取斷面在設(shè)計(jì)洪水工況下堤前水深相對(duì)較高，可以作為最不利斷面進(jìn)行滲流及邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

地基土持力層基本為砂礫層，根據(jù)地勘資料及土的滲透變形判別方法，地基土的滲透破壞類型屬于管涌型。對(duì)于管涌型的臨界水力比降采用下列公式計(jì)算：

圖2 羊山橋下游段防洪工程典型斷面圖

圖3 羊山橋上游段防洪工程典型斷面圖

圖4 滲流計(jì)算典型斷面圖

表3 堤身、堤基滲流計(jì)算成果表

表4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

式中：Jcr為臨界水力比降；Gs為為土的比重；n為孔隙率。

本工程試驗(yàn)Gs=2.66，n=32.7%，經(jīng)計(jì)算地基土層的臨界水力比降為0.36，安全系數(shù)取1.5時(shí)，允許水力比降為0.24。堤身、堤基滲透系數(shù)表見(jiàn)表4。

從圖4與表3可以看出，計(jì)算斷面堤身、堤腳滲透穩(wěn)定均滿足要求，但局部堤段存在滲透穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，建議培厚堤身。

4.2 堤防抗滑計(jì)算

根據(jù)本區(qū)段堤防斷面的特點(diǎn)及滲流計(jì)算成果，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286－2013）的要求，本堤防的穩(wěn)定計(jì)算考慮以下三種工況：

（1）設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流時(shí)背水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定（設(shè)計(jì)洪水位）；

（2）設(shè)計(jì)水位驟降時(shí)的臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定（設(shè)計(jì)洪水位驟降至堤腳無(wú)水）；

（3）地震工況下背水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定（設(shè)計(jì)洪水位+地震）。

對(duì)應(yīng)滲流計(jì)算成果，選取滲流計(jì)算斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析。穩(wěn)定計(jì)算，采用《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。計(jì)算采用有限元邊坡穩(wěn)定分析理論，運(yùn)用瑞典圓弧法計(jì)算堤防邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯龅谭肋吰驴够?jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合小凌河羊山鎮(zhèn)段河段治理工程，確定了堤防工程的工程等級(jí)，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)水面線，堤頂高程與坡腳局部沖刷深度，結(jié)合筑堤材料選取與上下游情況，分別給出了羊山鎮(zhèn)段堤防斷面形式。并對(duì)該堤防進(jìn)行了滲透穩(wěn)定與抗滑計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

[1]SL252-2000水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB50201-94防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB50286-2013堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]李佳純.堤防設(shè)計(jì)問(wèn)題及其設(shè)計(jì)原則探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015, (02):227-229.

[5]張家發(fā),曹星,李思慎.堤防加固設(shè)計(jì)中的若干技術(shù)問(wèn)題[J].人民長(zhǎng)江, 2000,(01):10-11+57.

[6]盧玉民,徐澤平.堤防滲流計(jì)算的基本方法與滲流控制措施[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2007,(04):291-295.

TV85

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1673-9000（2017）02-0081-03

2017-01-02

劉柱（1981—）男，遼寧新民人，工程師，主要從事河道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)。