博罗县彭南河治理工程堤防工程设计

漆 云

(广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610)

0 引 言

堤防工程是河道防洪治理工程的重要措施[1-2]。针对不同的河道情况可采用不同的型式，可在一定程度上降低工程投资，加快施工工期，提高工程耐久性[3-4]。堤防高程是堤防设计过程中的一个重要因素，只有选取科学、合理的堤防设计高程，方可保证堤防工程的防洪作用，保护沿线居民生命财产安全[5-6]。

1 工程概况

工程位于博罗东北部观音阁镇，地处东江流域中游，涉及观音阁镇联星村、彭村和菱湖村。治理段包括彭南河河干流及其4条支流，治理河道总长度为13.703km，主要建设内容：清淤疏浚8.940km，堤防加固2276.5m，护脚护岸6427.4m，拆除重建机耕桥2座，新建人行桥1座，拆除重建水陂1座，设置沿河绿道4.807km，新建水景观节点2处，新建下河步级7处。

2 堤防加固工程

2.1 堤防超高设计

堤顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定。

1)设计波浪爬高：

波浪爬高采用下式计算确定。

(1)

(2)

(3)

当斜坡坡率m=1.5-5.0时，在单一斜坡上的波浪爬高可按下式计算：

(4)

式中：Rp频率为P波浪爬高，m；kΔ斜坡糙率及渗透系数，；Kv经验系数；Kp换算系数。

当m≦1.0时，波浪爬高可按下式计算：

(5)

式中：R0为系数。

2)设计风壅水面高度：

有限风区水域的风壅水面高度可按下式计算：

(6)

式中：e为风壅水高；K为摩阻系数，可取3.6×10-6；V为风速；F为由计算点逆风向量到对岸的距离，m；d为平均水深，m；β为风向与堤轴线法线夹角，°。

3)安全加高：

安全加高按5级堤防确定，安全加高为0.5m。

4)堤顶超高：

堤顶超高应按下式计算：

Y=Rp+e+A

(7)

式中：Y为堤顶超高，m；Rp为设计爬高，m；e为风壅水高，m；A为安全加高，m。

计算成果见表1。

2.2 堤防断面形式的选择

堤防断面型式一般分为：直墙式、斜坡式和复合式三种型式。根据工程现场情况和3种护岸型式的优缺点见表2，选择与本工程相适应的堤防断面形式。

表1 堤防加固堤顶超高计算成果表

表2 3种护岸优缺点

本次工程范围大部分位于各行政村和自然村，根据现场实际地形同时考虑尽量减少工程占地和节省工程投资等因素。本次彭南河治理工程堤防加固工程断面型式选择复合式断面。

2.2.1 堤防护面材料的选择

护坡材料用于复合式断面上部坡面的护砌，护坡结构应坚固耐久、就地取材、利于施工和维修。传统的护坡结构型式有砌石、混凝土、草皮护坡等。随着河道治理观念的改变，河道护坡结构型式也发生了改变，一些新型的具有保持河流生态要求的护坡结构运用而生，生态型护坡一般采用天然石、木材、植物、多孔渗透性混凝土及土工材料等。

本次设计结合工程实际情况，选用能保持河流生态要求的混凝土砌块护坡、现浇生态混凝土护坡和草皮护坡进行方案比选。

表3 3种护坡结构型式优缺点比较表

由表3可知，护坡抗冲能力从大到小上比较为：现浇生态混凝土护坡>混凝土砌块护坡>框格梁+草皮(撒草籽)护坡>草皮(撒草籽)护坡；造价上由高到低比较为：现浇生态混凝土护坡>混凝土砌块护坡>框格梁+草皮(撒草籽)护坡>草皮(撒草籽)护坡；生态绿化率由大到小比较为：草皮(撒草籽)护坡>框格梁+草皮(撒草籽)护坡>草皮(撒草籽)护坡=现浇生态混凝土护坡>混凝土砌块护坡。根据彭南河的实际情况，河道流速较小，除河道顶冲段、干支流汇入口段等局部段河道流态紊乱对抗冲有一定的需求外，大部分河段草皮护岸能满足河道所需的抗冲要求。经综合考虑后，对个主要干支流汇合口、河道顶冲严重段、曾发生过坍塌段的堤段迎水面护坡材料选择具有一定抗冲能力的、造价较低、生态效果较好的框格梁+草皮(撒草籽)护坡；对河道流速不大的平顺段堤防引水面及堤防背水面选择造价低、生态效果好的草皮(撒草籽)护坡。

2.2.2 堤防护脚材料的比较

本次护脚挡墙选取了格宾石笼挡墙、C20混凝土镂空预制件挡墙和C20混凝土挡墙3种型式进行比较分析确定。

表4 3种挡墙结构型式优缺点比较表

根据工程经验，3种材料挡墙的抗冲能力从大到小为：M7.5浆砌石挡墙>格宾石笼挡墙>C20混凝土镂空预制件挡墙；造价上由高到低比较为：C20混凝土镂空预制件挡墙>M7.5浆砌石挡墙>格宾石笼挡墙；生态效果优劣比较为：C20混凝土镂空预制件挡墙>格宾石笼挡墙>M7.5浆砌石挡墙。

彭南河河道坡降较缓，河道流速较小，本次挡墙护脚主要对岸坡堤脚进行防护，防止坡脚因水流冲刷导致岸坡坍塌。综合彭南河的实际情况后，本次大部分河道平顺段挡墙护脚选择造价较低、生态性、透水性能更佳的格宾笼挡墙型式；对河道转弯顶冲段、干支流汇合口及曾发生过滑坡等需要重点防护的堤段，挡墙护脚选择防护功能强、稳定性高、抗冲能力强的C20混凝土挡墙护脚型式。

2.3 堤型结构和稳定计算

2.3.1 堤型结构

彭南河治理工程堤防加固主要布置在彭南河干流及支流B，堤防加固总长2276.5km(其中干流堤防加固长563.1m，支流B堤防加固长1713.4m)，本次堤防加固断面型式采用两种型式。

1)第一种堤防加固典型断面(见图1)：下部格宾笼挡墙护脚+上部撒草籽护坡+堤顶道路型式+堤背撒草籽护坡

该型式主要布置在岸坡冲刷不太严重的堤防平顺段。下部采用垂直叠加两层格宾石笼挡墙护脚(1.5m×1.0m+1.0m×1.0m)，挡墙埋深1.0m，格宾石笼底部及背部铺设300g/m2土工布；上部现状岸坡陡于1∶1.5时，按照1∶1.5进行削坡，缓于时则保持现状坡度与护脚衔接，堤防迎水面撒草籽护坡(狗牙根)，防止冲刷破坏；堤顶高程按满足5a一遇防洪标准控制，堤顶设置防汛道路(兼做绿道)，迎水侧设置0.5m宽绿篱缓冲带，防汛道路宽3.0m，路面结构自上而下分别为：20cmC20混凝土路面，15cm碎石垫层，并设置C20混凝土路肩，堤背填筑坡比为1∶1.5，坡面撒草籽(狗牙根)。堤防加固段适用于以下河段：GY2+143.1-GY2+631.5;BY0+086.5-BY0+582.0、BY0+652.3-BY0+847.2、BY1+146.3-BY1+766.6，合计1799.1m。

图1 第1种堤防加固典型断面

2)第2种堤防加固典型断面(见图2)：下部C20混凝土挡墙护脚+框格梁护坡+堤顶道路型式+堤背撒草籽护坡

本型式主要布置在河道转弯顶冲段、岸坡曾发生过滑塌及干支流交汇口等需要对岸坡进行防护的堤防段。下部C20混凝土挡墙护脚，挡墙高2m，顶宽0.5m，迎水侧垂直，背坡坡比为1∶0.45，与墙踵和墙趾分别设置0.3×0.5m(宽×高)趾脚，挡墙埋深1.0m；上部现状岸坡陡于1∶1.5时，按照1∶1.5进行削坡，缓于时则保持现状坡度与护脚衔接，为增强堤防的抗冲能力，堤防迎水面设置框格梁护坡，框格梁岸坡坡脚和坡顶分别设置地梁和横梁，中部框格梁尺寸为0.3m×0.4m(宽×深)，框尺寸为2.0m×2.0m，框内播撒草籽(狗牙根)。堤顶高程按满足5a一遇防洪标准控制，堤顶设置防汛道路(兼做绿道)，迎水侧设置0.5m宽绿篱缓冲带，防汛道路宽3.0m，路面结构自上而下分别为：20cmC20混凝土路面，15cm碎石垫层，并设置C20混凝土路肩。堤背填筑坡比为1∶1.5，坡面撒草籽(狗牙根)。堤防加固段适用于以下河段：GY2+125.1-GY2+143.1、GY2+631.5-GY2+688.2；BY0+582.0-BY0+652.3、BY0+847.2-BY1+146.3、BY1+766.6-BY1+799.9，合计477.4m。

图2 第2种堤防加固典型断面

2.3.2 稳定计算

1)堤防整体稳定计算：

本次选取堤高较高的4个代表断面进行堤防稳定计算。

稳定渗流期的安全系数，按公式(8)计算(有效应力法)：

(8)

施工期及河道水位降落期的安全系数，按下式计算(总应力法)：

(9)

式中：b为条块宽度；W1、W2为土堤坡外水位以上、下条块实重、浮重；Z为坡外水位高出底面中点距离；u为坝体或地基中的空隙水压力；β为重力线与底面中点的半径之间夹角；γw为水容重；C’、φ’为土的有效强度指标；ui为水位降落前坝体中的空隙压力；Ccu、φcu为土的总应力强度指标。

各工况选用的计算方法及土料参数的选取为：①施工期工程采用总应力法(土料参数采用快剪指标)；②稳定渗流期采用有效应力法(土料参数采用慢剪指标)；③水位降落期采用总应力法(土料参数采用快剪指标)。计算结果见表5。

表5 各种工况堤防加固段整体稳定安全系数

续表5 各种工况堤防加固段整体稳定安全系数

经计算堤防稳定安全系数满足5.1.4章节所列的设计允许值，堤防设计是安全的。

2)堤防渗流稳定分析：

堤基主要土层土的渗透变形类型：素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土渗透变形类型为流土，粉细砂、中粗砂的渗透变形类型为管涌。根据地质报告单行本堤基各主要土层的允许水力坡降：素填土0.4-0.45、粉质黏土0.45-0.50、淤泥质粉质黏土0.3-0.35，粉细砂0.15-0.25、中粗砂0.1-0.2。

本次渗流稳定计算选取设计洪水位与场地高差大及堤基防渗层薄的断面处进行计算，经计算该堤段堤基渗透稳定计算结果如表6：

表6 渗流稳定计算表

经计算堤防出逸口渗透坡降均小于允许渗透降，堤防渗透稳定满足要求。

3)堤脚冲刷深度计算：

本堤段河床大部为粉质黏土，根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)附录D.2.2计算，计算公式：

(10)

(11)

(13)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；U为行进流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状系数有关，取n=1/4-1/6，本次直立式堤防结构取1/5，斜坡式堤防结构取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，交角≤15°时，取1.0；Uc为泥沙起动流速，m/s；d50为床沙的中值粒径，m；γs、γ为泥沙与水的容重，kN/m3。

本堤段水流流向与岸坡最大交角≤15°，因此水流流速不均匀系数均取1.0，本次选取最大流速与最大水深断面计算冲刷深度，根据上式计算结果见表7。

表7 计算冲刷深度表

根据冲刷深度计算成果，局部冲刷最大冲刷深度为0.77m。结合观音阁镇河流特点及已建堤防堤脚防冲的处理方式，对河道堤脚抗冲刷深度按不小于1.00m设置。

4 结 论

1)博罗县彭南河河道延伸长，条件复杂。通过方案对比选用复合型堤防型式。通过对比，不同的河道类型选取不同的护坡、护脚材料。

2)对个主要干支流汇合口、河道顶冲严重段、曾发生过坍塌段的堤段迎水面护坡材料选择框格梁+草皮(撒草籽)护坡；对河道流速不大的平顺段堤防引水面及堤防背水面选择造草皮(撒草籽)护坡。

3)河道平顺段挡墙护脚选择格宾笼挡墙型式；对河道转弯顶冲段、干支流汇合口及曾发生过滑坡等需要重点防护的堤段，挡墙护脚选择C20混凝土挡墙护脚型式。

4)通过计算分析，堤防工程渗流、稳定性及抗冲刷均满足相关要求。