雄安新区南拒马河防洪治理工程新建及改线段右堤设计分析

崔少英

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

1 工程概况

南拒马河是大清河北支的主要行洪通道，在南拒马河防洪治理工程中，绝大部分右堤堤线布置原则为原堤线基础上加高配厚。为确保大清河北支洪水不向南支串流，闭合起步区北部防线，需新建5.8 km中易水河右堤，防洪标准200年一遇。南拒马河右堤上游及老里村五一闸弯道段如在原堤线基础上实施加高培厚方案，占迁费用较高、水流条件不好，故南拒马河右堤上游及老里村五一闸弯道段均按新建堤防设计，堤型与中易水河右堤一致。

2 新建堤防型式

考虑就近取材、便于施工、能适应堤基变形、便于维护以及便于新旧堤衔接和便于拒马河生态廊道建设等因素，新建堤防型式考虑3种堤防形式：壤土均质堤、河道开挖料筑堤壤土斜墙、砂壤土筑堤壤土斜墙。

2.1 方案一：壤土均质堤

该方案全部采用堤外料场壤土筑堤，堤顶宽10 m，两侧边坡1∶3.0。见图1。

图1 新堤方案一示意图

2.2 方案二：河道开挖料筑堤壤土斜墙

为降低筑堤土料成本，减少堤外料场土用量、减少临时征地、复耕等，以河槽开挖料为主筑堤，迎水侧设置壤土斜墙。开挖料为细砂、砂壤土等混合料，控制允许出逸比降为0.2；考虑料场土虽然渗透系数较小，但黏粒含量偏低，仅略高于均质堤下限，同时考虑施工机械化等因素，斜墙顶宽参照土石坝防渗体分区要求取3.0 m、底宽5.0 m、下设防渗齿槽；堤防主体采用河槽开挖料填筑，结合稳定计算，确定堤身迎水侧边坡为1∶3.0、背水侧边坡为1∶5.0。见图2。

图2 新堤方案二示意图

2.3 方案三：砂壤土筑堤壤土斜墙

为减小新堤占地宽度，该方案主要采用砂壤土筑堤。经调查，中易水河右岸滩地及南拒马河主槽卡口疏浚段的土料存在一定厚度且可区分的砂壤土，且压实后渗透系数较小，为3×10-5cm/s，允许出逸比降0.3，黏粒含量6.8%～7.2%。堤身两侧边坡均采用1∶3.0，考虑留有一定安全余量，斜墙顶部宽度调整为4 m。见图3。

以新建中易水河右堤为例，平均堤高5.7 m，延米堤防填筑量及占地面积对比见表1。

图3 新堤方案三示意图

表1 新堤方案填筑及占地情况对比表

综合考虑投资、占地、开挖料利用等，本次推荐方案三，即砂壤土筑堤壤土斜墙方案。

3 堤防稳定计算

筑堤土c、φ、γ值采用料场击实试验成果。现状堤身、堤基岩性及c、φ、γ根据地质勘察成果取值，堤防渗流稳定及抗滑稳定计算参数见表2。

表2 土体物理力学指标

3.1 渗流稳定计算

3.1.1 出逸坡降计算

渗流采用有限元数值分析方法计算，应用河海大学工程力学研究所研制的《水工结构有限元分析系统》程序Autobank7.7进行计算。

上述程序假定渗透介质不可压缩，渗流符合达西定律，计算域内没有源密度的情况，各向异性连续介质二维稳定渗流场的控制方程为：

式中：H为渗流场的水头；kx、ky为主渗透方向的渗透系数。边界条件有3种，分别是：

已知水头边界：H(x,y)|Γ1=Φ(x,y)

渗流逸边界：H=Z

根据泛函与变分原理，将计算区域划分为有限个单元，单元任意点水头由单元结点水头插值确定，通过对单元集成，建立代数方程组。求解方程组可得到渗流场的数值解即各结点的水头值，进而可进行渗透比降和渗流量的计算。

3.1.2 计算工况

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)关于渗流及渗透稳定计算的相关规定，拟定右堤渗透稳定计算工况如下：

工况一：稳定渗流计算，迎水侧为200年一遇设计水位，背水侧无水时，复核堤防背水坡出逸比降。

工况二：非稳定渗流计算，迎水侧由200年一遇设计水位经历水位下降较快时段时，对迎水侧堤坡稳定的不利影响，复核堤防临水坡渗透出逸比降。

3.1.3 计算结果

计算结果见表3及图4。

表3 渗流稳定计算成果表

图4 渗流稳定计算结果示意图

根据地质报告，允许水力比降建议值为砂壤土0.30、粉细砂0.12。由于新建中易水河右堤及南拒马河上游改线段大部分堤段堤基存在中细砂层，且除南拒马河上游改线段顶部相对不透水层较厚为7 m左右外，其余砂基以上相对不透水层较薄约3 m。经计算，砂基且顶部相对不透水层较薄堤段出逸比降均大于允许渗流坡降，可能发生渗透破坏，应采取堤基处理措施。

3.2 边坡抗滑稳定计算

3.2.1 代表断面选取和土岩物理力学指标选用

抗滑稳定计算选取的断面采用渗透稳定计算选取的断面，共11个断面。浸润线采用渗透稳定中计算结果。

3.2.2 地 震

防洪右堤地震烈度按Ⅷ度设防，地震动峰值加速度为0.2 g。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)，堤防进行抗震设计。

3.2.3 公路荷载

因堤顶路面有交通要求，在边坡稳定分析中将堤顶路面荷载按土的容重简化为分布荷载作用在路面上。堤顶荷载按公路-Ⅰ级考虑。

3.2.4 计算方法

边坡稳定分析采用简化毕肖普圆弧滑动法计算，公式如下：

式中：K为某滑弧的安全系数；R为滑弧半径；Ci、φi分别为土条的凝聚力和内摩擦角；θi为土条底面中点切线与水平线的夹角；γi为土条的湿容重；γw为水的容重；hi为土条滑弧至分层线的高度；hiw为土条滑弧至浸润线的高度；bi为土条宽度；CsWiai为地震力作用；Wi为土条重。

具体计算采用河海大学工程力学研究所研制《水工结构有限元分析系统》程序Autobank7.7软件计算。

3.2.5 计算工况

正常工况Ⅰ：堤内设计洪水位，堤外无水，计算堤防背水坡稳定

正常工况Ⅱ：堤内设计洪水位骤降期，计算堤防迎水坡稳定

非常工况Ⅰ：施工期，大堤内外均无水，计算堤防迎水坡、背水坡稳定

非常工况Ⅱ：多年平均水位(景观水位)时遭遇地震，计算堤防迎水坡、背水坡稳定

3.2.6 安全系数

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)，1级堤防边坡允许最小安全系数(简化毕肖普法)如下：

正常运用条件：1.50

非常运用条件Ⅰ：1.30

非常运用条件Ⅱ：1.20

3.2.7 边坡抗滑稳定计算

计算结果见表4及图5。

根据计算结果，各断面边坡稳定均满足稳定要求。

表4 边坡稳定计算成果表

图5 边坡稳定计算结果示意图

3.3 堤基处理

由于新堤大部分堤段堤基均有粉细砂、中砂层，出逸比降高于允许比降，外堤地面易发生流土破坏。根据勘察地层条件，新堤及改线段采用水泥土搅拌桩防渗墙措施进行堤基处理，处理范围为桩号X0+000～X0+743及X1+400～X5+800。水泥土深层搅拌桩适用于处理正常固结的粉土、淤泥与淤泥质土以及黏性土等，施工工艺较简单，工程造价较低。桩径取0.7 m，桩打入相对不透水层1 m，平均桩长约7 m，采用套打法施工，搅拌桩中心距0.5 m。经处理后的出逸比降满足规范要求。渗流稳定计算见表5和图6。

表5 打桩后渗流稳定计算成果表

图6 渗流稳定计算结果示意图

4 结 语

1) 新建中易水河右堤5.8 km、南拒马河右堤上游改线及老里村五一闸弯道段改线必不可少。

2) 综合考虑投资、占地、开挖料利用等，新堤及改线段采用砂壤土筑堤壤土斜墙方案为最优方案。