陳順輝

(廈門(mén)仁銘工程顧問(wèn)有限公司，福建 廈門(mén) 361013)

1 工程概況

賽江為福建省“五江一溪”之一，閩東地區(qū)最大河流，流域面積5635 km2，干流河道全長(zhǎng)175 km，平均坡降3.50‰。賽江在東口以上分為東溪和西溪，東溪流域面積2092 km2，河長(zhǎng)94 km，坡降5.74‰，西溪流域面積1178 km2，河長(zhǎng)105 km，坡降5.80‰。賽江流域防洪三期工程壽寧縣大韓堤段位于賽江主要支流西溪右岸大韓村，武曲鎮(zhèn)區(qū)上游，距離鎮(zhèn)政府所在地 5 km。該村位于西溪右岸地勢(shì)較開(kāi)闊，但高程較低，現(xiàn)狀村莊位于大韓大橋上游，大橋下游主要為茶園，是規(guī)劃用地區(qū)。大韓堤段防洪堤堤全長(zhǎng)1.128 km，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)P=10%。防洪堤所在的武曲鎮(zhèn)西溪右岸屬于山間河谷沖洪積地貌，河段兩岸地面高程在68～77 m之間，河床高程67～71 m，河灘發(fā)育，河灘寬度最小的僅數(shù)米，較大的河灘寬度達(dá)40～60 m，河道右岸岸坡高度一般在3～5 m左右，堤基主要土層為雜填土厚約0.70～3.50 m，耕植土厚度0.60 m，細(xì)砂厚約0.70～3.60 m，砂卵石厚約3.50～4.30 m，下為強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖。

2 堤型選擇

大韓堤段保護(hù)區(qū)有首批“福建省愛(ài)國(guó)主義教育基地”“寧德市少先隊(duì)張高謙精神體驗(yàn)營(yíng)地”的張高謙烈士陵園以及防洪堤建設(shè)范圍內(nèi)有著濃厚歷史文化的古道知青路，同時(shí)根據(jù)武曲鎮(zhèn)總體規(guī)劃，大韓堤段保護(hù)區(qū)內(nèi)將建成 333.33 hm2工業(yè)園區(qū)，落戶規(guī)模企業(yè)80余家，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值約 60 億元。 所以，防洪堤的斷面型式選擇非常重要，要綜合考慮各方面因素，不但要滿足防洪等安全可靠基本要求，還需要滿足造型美觀、生態(tài)及保留現(xiàn)狀古文化等要求。通過(guò)多次實(shí)地踏勘，結(jié)合該堤段所在河段水文、河岸地質(zhì)地形條件，設(shè)計(jì)階段選定了直墻式、臺(tái)階式、斜坡式3種防洪堤斷面型式進(jìn)行比選[1-3]。

直墻式堤型：墻身采用衡重式擋墻型式，高度7～8 m，墻頂寬0.8 m。迎水側(cè)邊坡1∶0.15，上墻背水側(cè)邊坡1∶0.25，衡重臺(tái)寬1.0 m，下墻背水側(cè)邊坡為1∶0.25，墻趾設(shè)置1.0×1.0 m趾腳，基礎(chǔ)挖深1.1 m。堤頂重建知青路，設(shè)置防汛道路，堤背填土邊坡為1∶2.0，采用草皮護(hù)坡，堤腳設(shè)置C20排水溝。

臺(tái)階式堤型：下級(jí)C20埋石混凝土擋墻+上級(jí)生態(tài)砌塊加筋土擋墻(面板為混凝土砌塊)型式。上級(jí)加筋土擋墻墻高2.6 m，砌塊規(guī)格為40 cm×30 cm×15 cm(長(zhǎng)×厚×高)，迎水側(cè)坡度1∶0.17，墻背30 cm范圍內(nèi)回填級(jí)配碎石+黏土混合料(配比3∶2)，PP單向土工格柵(60 kN/m)加筋，墻頂設(shè)置40 cm厚C20混凝土壓頂。堤頂設(shè)置寬4.5 m的防汛道路。背水側(cè)設(shè)置草皮護(hù)坡，坡度為1∶2.0，坡腳設(shè)置C20混凝土排水溝。下級(jí)C20埋石混凝土擋墻墻高3.40～5.40 m，墻頂寬1.0 m，迎水面邊坡1∶0.15，背水面邊坡1∶0.40，底坡1∶10.00，基礎(chǔ)挖深1.1 m，防止堤腳受水流淘刷，墻趾及墻踵均設(shè)置100 cm×100 cm(長(zhǎng)×高)的趾角。擋墻開(kāi)挖后基礎(chǔ)坐落在砂卵石層上。上下級(jí)中間設(shè)置2.50 m寬親水平臺(tái)。

坡式堤型：堤頂設(shè)防汛道路，寬4 m，迎水側(cè)坡比為1∶2.0，護(hù)面采用厚為150 mm現(xiàn)澆生態(tài)混凝土，坡腳為C20混凝土小擋墻防沖護(hù)腳，頂寬0.5 m，高2.5 m；背水側(cè)設(shè)置草皮護(hù)坡，坡度為1∶2.0，于坡腳設(shè)置C20混凝土排水溝。

以上三種防洪堤斷面型式各有優(yōu)勢(shì)。本堤段涉及的河道屬山區(qū)性，兩岸防洪堤建設(shè)在做好防洪防沖措施前提下，考慮從集約節(jié)約用地，改善河道兩岸生境，留住鄉(xiāng)土氣息、鄉(xiāng)土歷史文化，營(yíng)造生態(tài)景觀效果等角度，以及適應(yīng)堤后城市規(guī)劃建設(shè)需求，選擇占地少、可比投資適中的臺(tái)階式堤型作為設(shè)計(jì)推薦堤型[4-5]。3種堤型比較如表1。

表1 3種斷面型式比較情況

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

大韓堤段所在河流屬山區(qū)性河流，流域形狀呈扇形，洪水暴漲暴落。按水文分析計(jì)算，河道行洪寬度為107.0～156.0 m，10 a一遇設(shè)計(jì)洪水流量為3053 m3/s，洪水流速3.07～4.49 m/s。防洪堤斷面型式采用臺(tái)階式，上級(jí)墻采用有生態(tài)效果的加筋土擋土墻，下級(jí)墻考慮河道有防沖要求的重力式埋石混凝土擋土墻，在上、下級(jí)墻之間設(shè)置親水平臺(tái)(原知青路路面高程)，平臺(tái)寬度2.5 m(恢復(fù)知青路1.5 m)。計(jì)算斷面選取工程布置最不利斷面進(jìn)行：整墻高7.0 m，上級(jí)生態(tài)砌塊加筋土擋墻墻高2.6 m。下級(jí)埋石混凝土擋墻墻高4.4 m，擋墻基礎(chǔ)坐落在砂卵石層上。

3.1 上級(jí)墻內(nèi)部穩(wěn)定分析

生態(tài)砌塊加筋土擋墻墻高為2.6 m，選用筋帶擬采用單向土工格柵抗拉力Ts=60 kN/m，土工格柵與土的截面摩擦系數(shù)f′=0.25，土工格柵在砌塊中的長(zhǎng)度取常數(shù)0.4 m，深入土體3.0 m，土工格柵總長(zhǎng)3.4 m，墻后填土來(lái)自合格的土料場(chǎng)。

根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225—1998)附錄K加筋土擋墻計(jì)算中加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算包括筋材的強(qiáng)度驗(yàn)算、筋材的抗拔驗(yàn)算和筋材的長(zhǎng)度確定，如式(1)：

T=[(σv+∑Δσv)Ki+Δσh]Sv

(1)

式中：T為筋材水平拉力，kN/m；σv為某層筋材所受覆蓋土層壓力，kPa；∑Δσv為超荷載引起的垂直附加壓力，kPa；Ki為主動(dòng)土壓力系數(shù)；Δσh為水平附加荷載，kPa；Sv為筋材的垂直間距，m。經(jīng)計(jì)算筋材的內(nèi)部穩(wěn)定成果見(jiàn)表2。

表2 土工格柵的拉筋強(qiáng)度及抗拔穩(wěn)定計(jì)算成果

從上表可知，土工格柵抗拉力Ts=60 kN/m>T，筋帶強(qiáng)度滿足要求，筋帶抗拔安全系數(shù)>1.3，滿足抗拔要求。為施工方便，不同層的土工格柵按要求的最大長(zhǎng)度等長(zhǎng)度鋪設(shè)，即土工格柵總長(zhǎng)度選擇為3.4 m。

上級(jí)的生態(tài)砌塊擋土墻外部穩(wěn)定性驗(yàn)算，一般包括抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定和地基應(yīng)力驗(yàn)算，可按一般重力式擋土墻驗(yàn)算方法進(jìn)行，即把拉筋的末端連線與墻面板之間的填料視為一整體墻。由于加筋土擋土墻的特性、體積龐大，因抗傾覆、抗滑動(dòng)穩(wěn)定不足而破壞的情況很少發(fā)生，一般情況下可不進(jìn)行驗(yàn)算[6]。

3.2 整體穩(wěn)定分析

墻體總高7 m，基礎(chǔ)坐落在砂卵石層上。整體穩(wěn)定計(jì)算程序采用鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院、北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院所開(kāi)發(fā)的《理正巖土系列5.5版》。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)附錄F設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、防洪墻基底應(yīng)力。

經(jīng)計(jì)算，各種工況下，擋墻整體穩(wěn)定及基底壓力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 下級(jí)埋石混凝土擋墻+上級(jí)生態(tài)砌塊擋墻整體穩(wěn)定計(jì)算成果

從以上計(jì)算結(jié)果可知，臺(tái)階式堤型在各種工況下均能滿足規(guī)范GB 50286—2013要求。

3.3 滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算

耕植土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化凝灰熔巖的滲透變形類(lèi)型為流土，雜填土、砂卵石的滲透變形類(lèi)型為管涌。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，堤基各主要土層的允許水力坡降：砂卵石0.15，耕植土、全風(fēng)化花崗巖0.50。滲流穩(wěn)定計(jì)算選取設(shè)計(jì)洪水位與場(chǎng)地高差最大斷面(樁號(hào)DH0+899斷面)處進(jìn)行計(jì)算，程序采用河海大學(xué)編制的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)AutoBANK5.1》，經(jīng)計(jì)算該堤段堤基滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 滲流穩(wěn)定計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，出逸口滲透坡降0.31，小于堤身允許滲透降0.5，堤身滲流滿足要求。

3.4 堤岸防護(hù)設(shè)計(jì)

3.4.1 堤腳沖刷深度計(jì)算

本堤段河床大部為卵石，根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013附錄D.2.2計(jì)算。本堤段水流流向與岸坡最大交角≤15°，因此水流流速不均勻系數(shù)均取1.0，選取最大流速與最大水深斷面計(jì)算沖刷深度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 沖刷深度計(jì)算

根據(jù)沖刷深度計(jì)算成果，水平段的局部沖刷最大沖刷深度為1.02 m，結(jié)合壽寧地區(qū)河流特點(diǎn)及已建堤防堤腳防沖的處理方式，對(duì)河道堤腳抗沖刷深度按≥1.1 m設(shè)置，同時(shí)堤腳設(shè)置拋石，增強(qiáng)堤腳的抗沖性能[7-8]。

3.4.2 拋石護(hù)腳粒徑計(jì)算

本堤段河床為卵石，根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013附錄D.3.4護(hù)腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑公式計(jì)算。按平均最大流速4.49 m/s計(jì)算，則d=0.43，折算成單塊塊石最小重為95 kg。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)壽寧縣大韓堤段防洪堤因地制宜采用臺(tái)階式斷面型式，巧妙利用上、下級(jí)擋墻間平臺(tái)最大程度恢復(fù)知青路，以及利用加筋土擋墻面板種植綠植，構(gòu)造生態(tài)景觀效果，適應(yīng)堤后規(guī)劃要求。通過(guò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析計(jì)算，布置的斷面型式能滿足規(guī)范要求。大韓堤段防洪堤實(shí)施臺(tái)階式斷面長(zhǎng)度855 m，占整個(gè)堤段總長(zhǎng)度76%。

(2)工程實(shí)踐表明，工程設(shè)計(jì)的臺(tái)階式堤型整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)于保持好河道河岸生境、營(yíng)造生態(tài)景觀、提升當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境、保護(hù)歷史文化等方面、河道洪水抗沖刷(下級(jí)埋石混凝土擋墻)，有著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益，可為類(lèi)似防洪堤設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。