浅论堆石混凝土在山区河道整治工程堤防建设中的应用

邵守义

（广东鸿土规划设计有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

本文结合陕西省“引汉济渭”工程秦岭隧洞0-1号勘探试验洞弃渣场土地复垦工程中配套建设的蒲河河堤防护工程，探讨把堆石混凝土技术应用在山区河道堤防建设中，一是就地利用山区河道中的卵石或石质弃渣，减少投资；二是提高河道防洪标准，保护河道两侧村镇、农田安全。堆石混凝土的施工方法，首先是将隧洞废弃块石（河道卵石）堆积有空隙的堆石体（1.5m/层），然后从堆石体上部浇入堆石混凝土专用的自密实混凝土，依靠自重完全填充堆石体空隙，形成完整、密实、有较高强度的混凝土。

1 工程简介

“引汉济渭”工程是将汉江水引入渭河以补充西安、宝鸡、咸阳等 5个大中城市的给水量。中铁十七局集团公司中标越岭段0-1号勘探试验洞工程，工程主要建设内容为：3.05km主洞和1.5km支洞。工程至2015年底隧洞开挖工程基本结束，弃渣场已到服务期末，不再进行弃渣，按土地管理部门的要求，对弃渣场进行土地复垦。本工程是陕西省“引汉济渭”工程秦岭隧洞 0-1号勘探试验洞弃渣场在土地复垦过程中配套建设的蒲河河堤防护工程，工程所在汉中市佛坪县郭家坝村。

2 工程区自然概况

2.1 地貌

项目区地形地貌由高、中、低山与河谷川道构成。山地高程1100m以上，河谷川道高程在500～800m之间。河沟及支沟出口因冲积、洪积作用，形成许多串珠状的坪坝和阶地，成为奇特的秦岭山地农业景观。

2.2 气候

工程地处北亚热带边缘季风气候区。由于本流域高低悬殊，地貌差异较大，因而兼有暖湿带和中湿带山地气候特征。项目区气候温和，雨量充沛。多年平均气温11.4℃，多年平均降水量922.8mm，全年无霜期218天。

2.3 水文

工程建设地属子蒲河水系，蒲河由北向南流入汶水河，最后流入子午河，汇入汉江。项目区所处河段切割较浅，耕地由坪坝和河谷阶地构成，全部为坝、坪地貌。沿河两岸的农耕地土壤大部分属冲积—坡积型，高程在800m以下，耕地平均高出河床2～5m。蒲河流域地面由北向南倾斜，总体地形北高南低，山势开阔，为典型的“U”型河谷。地下水类型为基岩裂隙潜水和第四系孔隙潜水。

2.4 地质

工程区出露地层由老至新主要为下元古界西乡群（Pt1x3）的片麻岩、震旦系下统耀河岭组（Zay）的夹石英岩、寒武系（∈）的灰色云母石英片岩、奥陶系～志留系（O～S）的浅灰黑色黑云母石英片岩、泥盆系中统（D2）的灰色结晶灰岩、石炭系（C）及二迭系（P）的灰色灰岩、下第三系（E）的紫红色细砂岩和第四系（Q）的砂卵（砾）石、砂、砂壤土、壤土、黄土等。

3 工程设计

本项目农田位于公路外侧近河床岸边，易受洪水威胁，沿河需修建防护堤。按照土地开发整理及水利部门的有关标准，各种水工建筑物均属五级，依据《佛坪县陈家坝镇防洪工程规划报告》本项目区蒲河河堤为20年一遇防洪标准。

3.1 设计标准

①工程级别采用5级；

②防洪标准，蒲河河堤为20年一遇防洪标准进行设计；

③稳定安全系数，在正常运用条件时，5级工程的堤防土基抗滑稳定安全系数Kc≥1.15；抗倾稳定安全系数Ky≥1.4；

④基底应力，河堤在各种荷载组合的情况下，基底的最大压应力应小于地基的允许承载力，河堤基底的压应力最大值与最小值之比的允许值：粘土宜取1.5～2.0；砂土宜取2.0～3.0；岩基上的防洪墙基底不应出现拉应力；

⑤临河护岸沿长度方向设置变形缝，分缝间距为15m，缝宽可采用2～2.5cm,采用聚乙烯闭孔泡沫板填充。

3.2 洪水流量复核计算

蒲河在工程区即郭家坝村段的洪水流量，参考引用陕西省水利厅关于佛坪县蒲河（大河坝、石墩河、陈家坝镇）防洪工程初步设计的批复内的数据（20年一遇洪峰洪量为1137m3/s）。

3.3 河道行洪断面校核

蒲河洪水流量及过水断面复核表

经验算蒲河现状排水能力均满足排洪要求。

①冲刷深度计算

依据《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）附录 D，对水流冲刷深度进行计算，由于本项目中新修河堤基本在河道顺流段，故仅对水流平行岸坡情况进行冲刷深度计算，（水流水深、流量均采用设计护岸高度减去安全超高 0.5m进行计算）如下：

水流平行岸坡产生的冲刷可按下式计算：

式中：hB—局部冲刷深度（m），从水面起算；

hp—冲刷处的水深（m），以近似设计水位最大深度代替；

Ucp—进岸垂线平均流速（m/s）；

UC—泥沙启动流速（m/s），对于黏性与砂质河床可采用张瑾公式计算。

ro、r—泥沙与水的容重(KN/m3)；

H0—行近水流水深(m)；

d50—床砂的中值粒径(mm)；

g—重力加速度(m/s2)

n—与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4—1/6。

η—水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α确定；

水流流速不均匀系数

河道冲刷深度计算表

②基础埋深确定

蒲河平顺段凸岸采用冲刷深度加上安全深度（0.5m）之和作为基础深度，即自断面深泓高程往下2.0m的高程为基础底面高程。

3.4 洪水位及堤顶高程复核计算

洪水位的复核计算按各片河床高程加洪水水深，即洪水水位线；堤顶高程为洪水水位线加堤的安全超高，安全超高为复核出的原计算结果，蒲河郭家坝段洪水量以原规划报告中的洪水量进行计算。以此来计算各河（沟）道的设计堤顶高程。

3.5 临河堤身断面设计

依据水利部门设计的二十年一遇洪水水位高程为蒲河河堤的设计高程。参照临近已成河堤及当地群众意见，临河护岸采用重力挡土墙形式，堆石砼结构，根据河流及其沟道的行洪断面、洪峰高度确定。河堤河道深泓以上高为8m，河道深泓以下埋深为2m，河堤顶宽为80cm，设计临河边坡为1：0.2背水坡边坡为1：0.55。

3.6 新建河堤挡墙稳定计算

本次选择新建蒲河河堤进行挡土墙稳定安全系数计算，计算工况为施工完建期，背水侧地下水位与蒲河水位齐平，临水侧无水。

①抗滑稳定计算

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)中附录F中公式F.0.4计算：

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)表2.2.5规定5级堤防正常运行条件下抗滑稳定安全系数土基应不小于 1.15，岩基应不小 1.00。经计算断面设计抗滑稳定安全系数满足规范要求。

②抗倾覆计算

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)中附录F中公式F.0.5计算：

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)表2.2.6规定，5级堤防正常运行条件下抗倾稳定安全系数应不小于 1.40。经计算断面设计抗倾覆安全系数满足规范要求。

③挡土墙基底压应力为：

σmax，min=ΣG/A±ΣM/ΣW

经计算，新建计算断面的基底最大压应力均小于砂砾石堤基的允许承载力，符合规范要求。

4 工程施工

1）分层分块：根据堆石混凝土施工技术要求及设计图纸，分层高度为1.5m，分缝长度为15m。

2）堆石料选取：堆石料取料弃渣场内（或利用河道内卵石），利用挖掘机选取粒径大于30cm、新鲜完整、质地坚硬且无剥落层和裂纹的块石，冲洗掉表面附着的泥土，堆存备用。

3）模板安装：钢模板用于河堤两侧部位，木模板用于钢模板拼接不到的各边角部位补缝。模板安装前先测量放线，按照放线位置进行模板安装。

4）堆石：大尺寸块石堆放在河堤横断面中心部位，粒径小的块石堆在模板附近，堆石体与模板之间应保留不小于10cm的空隙作为保护层。堆石前，先在河堤基础底面浇筑一层 15cm厚的常规混凝土，并在混凝土初凝前将堆石埋入混凝土中，确保堆石混凝土与基础结合良好。

5）混凝土浇筑：顺序应做到由下到上、分层进行，在堆石下方密实后，混凝土到达层面时，控制浇筑高度，一般情况下混凝土面低于堆石面10cm，以便于下个层面的粘结。

5 工程优点

1） 就地取材、降低水泥用量

堆石砼河堤利用了大量的原隧洞开挖时产生的废弃块石（部分河道卵石）作为建筑材料；混凝土使用了大量的块石（约 60%）作为主要建筑材料，只需要使用 40%的自密实混凝土进行空隙的充填，其单方水泥用量与常规混凝土相比减少了65%左右。

2） 结构稳定提高了河道防洪标准

堆石混凝土施工所使用的机械设备均为常规设备，利用了隧洞开挖施工中的机械，免除了混凝土浇注的振捣工序，减少了温控措施，施工工艺简单。建成后河堤横断面稳定性较高，提高了河道防洪标准，经受了当地2015年6月29日暴雨（注：为近60年夏初同期少见，仅次于2002年“6.9”暴雨）考验。