南云中河三、四干渠河道堤防设计

张素仁

（忻州市水利勘测设计院，山西 忻州 034000）

南云中河三、四干渠河道堤防设计

张素仁

（忻州市水利勘测设计院，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设计，在考虑工程区域水文、地质情况和现状特点的基础上，对设计方案的结构形式、工程投资和美观性、生态性进行认真分析对比，最终确定适合该段河道治理工程的堤防断面。

堤防设计；直墙式堤防；斜坡式土堤；南云中河

1 概况

云中河属海河流域子牙河水系滹沱河的一级支流，发源于忻州市忻府区杨胡乡的云中山东麓，于米家寨村下游约500m处由云中河分洪工程分为北云中河和南云中河。南云中河在双乳山水库建成后，水库下游河道除个别河段建有沙土堤防外，多无防护工程。同时又因当地居民在河道内长年采砂，导致河床支离破碎，原河堤形态遭到严重破坏。

2 工程任务

南云中河三、四干渠渠首至河拱村段河道位于忻州市城区西北部，结合城市建设，河道治理不仅应满足安全和防洪功能的要求，还应与城市建设相结合，与周围环境相结合并兼顾生态性，充分体现水的柔美和观赏性。工程任务主要是防洪，保护两岸2066.67hm2农田免受洪涝灾害，保证交通主干线畅通，改善当地生态环境。

3 堤防设计

3.1 工程等别和建筑物级别

本治理段位于南云中河城区治理段上段，保护范围涉及3个乡镇9个村庄共6.3万人，2066.67hm2耕地，以及忻府区城区。

依据《防洪标准》，确定防洪等级为Ⅳ等，防洪标准为20年一遇。根据《堤防工程设计规范》，大堤按4级堤防设计。

3.2 堤防设计方案比选

河道堤防基本形式为斜坡式、直墙式和斜坡直墙相结合的复式断面。结合工程现状特点、地形、地貌、水文地质情况，从结构形式合理性、工程投资、美观、生态性等方面进行比选。

3.2.1 结构形式

直墙式堤防通常采用浆砌石或钢筋混凝土结构，在技术上比较成熟，应用较多。钢筋混凝土挡墙具有强度高、承载力大的特点，适用于堤防较高的情况；浆砌石护堤适用于5m以下的堤防，是河道治理中使用的常规断面，优点是断面小，占地少；对沉降变形适应性差，抗冻胀差，一旦结构破坏，就会发生成段成片的坍塌，补修成本高，且与原堤防不易结合，成为堤防再次破坏的薄弱环节。

斜坡式堤防建筑材料一般为土料，土料抗冲刷较差，需要在土料迎水面铺设抗冲刷护坡，防止土堤结构被破坏，护坡通常干砌石、浆砌石、预制混凝土块、格宾石笼等。相比直墙式堤防，斜坡式土堤占地多，但结构稳定性好，对不均匀沉降适应性强，冻胀破坏影响小，补修方便。

斜坡直墙相结合的复式断面适用于流量较大，河道狭窄的断面，尤其是日常流量较大的河道。经计算，20年一遇洪水，堤防高度在2.15～3.31m之间，河道堤防不高，南云中河为季节性河流，雨季来水大，枯水期长，故本段河道治理不宜采用此断面形式。

从当地材料方面分析，项目所在地附近有金山铺石料场和顿村土场，无论采用浆砌石、混凝土或土堤结构形式，当地建筑材料的质量和储量均可满足工程需求。

南云中河治理段岩性以粉土、中粗砂为主，顶部砂质粉土仅0.6m，其结构松散，堤基建基面以下为全新统洪冲积级配不良砂、含细粒土砂，局部中细砂层直接出露。地下水位高，两岸低洼处常见有泥潭。堤防地基较差，容易产生不均匀沉降，工程区域地下水位高，又地处华北地区，冬季气温在零度以下，容易发生冻胀破坏。

综合考虑该段河道治理工程的水文、地质情况，适合采用斜坡式土堤断面。

3.2.2 工程投资

在满足水工建筑物功能的情况下，力求投资最小、效益最大。斜坡式、直墙式两种堤防断面在量价对比各有优势，直墙式堤防断面形式体积小，工程量少，但单价高；斜坡式土堤断面形式占地多，工程量大，但单价低。

以该段河道平均堤高2.5m为标准，对浆砌石、钢筋混凝土、斜坡土堤铺设护面三种断面形式，参照工程所在地类似工程单价进行单米造价初步估算。浆砌石堤防断面顶宽0.4m，底宽1.2m，工程造价约900元/m；钢筋混凝土堤防采用顶宽0.4m，底宽1m，工程造价约1500元/m；斜坡土堤采用顶宽4m，底宽16.5m，迎水面铺设0.3m格宾石笼的断面形式，工程造价约950元/m。

经对比，浆砌石堤防、斜坡式土堤铺设格宾石笼护坡堤防形式造价较低。但从工程区域因地制宜考虑，原河道堤防为土堤，部分河道清淤土料也可利用，斜坡式土堤结构形式可就地取材，部分旧堤防能改造利用，可降低工程造价，故从工程投资角度分析，斜坡式堤防比较适合该段河道治理工程。

3.2.3 美观性及生态性分析

从观赏性分析，直墙式比较刚性，适合高度较大，更具观赏性，斜坡式适合堤防高度较低，具有亲水性。经水力计算，该段河道通过20年一遇洪水，堤防高度在2.15～3.31m之间。河道堤防不高，因此斜坡式堤防更适合该段河道的观赏和游玩。

从生态性分析，浆砌石、钢筋混凝土结构彻底截断了河水与两岸环境的生态循环，而铺设干砌石或格宾石笼的斜坡式土堤有较强的透水性，有利于河道和周边的环境进行水土交换循环，为水中的生物和微生物创造了生存环境，增强了水体自净能力，保护和改善了水源水质。格宾石笼护坡作为近年多被使用的生态护坡，其结构比干砌石护坡牢固，又有一定的柔性，可适应局部变形而结构不破坏，石笼内缝隙可填土而不易流失，有利于进行植草种花等生态措施，可提高堤防的景观和自然环境的融合，减少人工痕迹，体现河道的自然性和生态性。

经对比，结合工程项目区地质、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铺设格宾石笼护坡形式最为合理。

3.3 堤防型式

根据堤防设计标准和选定的设计方案，堤防采用碾压土堤，压实度要求不小于0.91，设计顶宽4.0m，内侧边坡1∶3，外侧边坡1∶1.5，高度2.15～3.31m，堤顶设计高程满足20年一遇的洪水标准。堤岸防护设置30cm斜坡式格宾石笼，上铺设30cm种植土草皮护坡，堤脚采用格宾石笼防护，深1.2m，宽3.0m。

3.4 堤防断面稳定性复核

3.4.1 堤防渗透稳定性复核

渗流计算采用北京理正软件开发公司编制的《渗流计算分析软件》，计算方法采用渗流有限元法，其基本方程为：

式中：[K]——透水系数矩阵；

[H]——总水头向量；

[M]——单元储水量矩阵；

[Q]——流量向量；

t——时间。

计算断面选择堤防最大横断面，计算参数根据土工实验成果并结合类似试验结果确定，见表1。

表1 堤防稳定计算物理力学指标采用值

依据《堤防工程设计规范》，结合工程实际，计算渗透稳定按临水侧为设计洪水位，背水侧无水。经计算，堤基出逸点渗透坡降为0.22，小于堤基允许水力坡降0.4，认为堤防渗流是稳定的。

3.4.2 堤防抗滑稳定复核

本河流属季节性河流，稳定计算工作条件根据《堤防工程设计规范》，计算工况按设计洪水位下稳定渗流情况。

稳定计算用北京理正软件公司设计的边坡稳定分析计算软件，计算方法为圆弧法中的简化毕肖普法。其公式为：

式中：K——坝坡稳定安全系数；

W——土条重量，kN；

V——垂直地震惯性力，kN；μ——作用于土条底面的孔隙水压力，kPa；

b——条块宽度，m；

θ——条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；

Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；

c′，φ′——土条底面的有效应力抗剪强度指标；

R——圆弧半径，m。

堤坡稳定计算以堤防最大剖面对上下游堤坡在设计工况下进行分析计算。计算结果表明，上游堤坡在设计洪水位骤降情况下，K=1.995，下游堤坡在达到设计洪水位情况下，K=1.458，均超过规范值要求，表明堤防是稳定安全的。

4 结语

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设计，在考虑工程区域水文、地质情况和现状特点的基础上，对设计方案的结构形式、工程投资和美观性、生态性进行分析对比，最终确定了适合该段河道治理工程的堤防断面。

TV85 ［

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张素仁（1979-），男，2003年毕业于武汉水利电力大学工程管理专业，工程师。

2016-02-21；

2016-03-26