潭江河某段治理工程堤型选择与稳定性计算

沈志平

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)

1 工程概况

江门市潭江河流治理工程是纳入《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》的江河主要支流及独流入海河流治理项目，治理范围为潭江上游恩城至下游银洲湖出海口，包括恩平、开平、台山、新会4段。台山市地处北回归线以南，属亚热带季风性气候，夏季以东南季候风为主，冬季以东北季候风为主；据台山气象站51年资料统计，台山市多年平均气温22℃，历史最高气温38.3℃(2005年7月19日)，最低气温-0.1℃(1957年2月11日)；多年平均日照时间1841.7h，多年平均相对湿度80%。台山市多年平均蒸发量1080.4mm，干旱指数为0.56。此外，台山市境内年径流也具有年际变化较大和年内分配不均的特点。台山市境内堤段普遍存在防洪(潮)标准低、堤身低矮单薄、穿堤水闸及涵闸结构老化、设备残旧等问题，同时本河段由于深槽迫岸，堤防迎流顶冲等多次出现险情，急需治理，本文主要讨论4段中的台山段治理工程。

2 防洪堤线布置

2.1 布置原则

防洪堤堤线布置的优劣，直接关系到整个工程的合理性和建成后所发挥的功用，尤其对工程投资大小影响重大[1]。堤线布置时，应根据防洪规划，以及地形、地势、地貌和地质条件，结合现有及拟建建筑物的位置、型式、施工条件和河流历史演变，充分估计下伏层地质状况，经过技术和经济比评后综合分析确定[2- 4]。本次潭江河流治理工程(台山段)堤线布置原则如下：

(1)维持原潭江河势流向，并与大洪水的主流线大致平行，修整局部不顺畅之处，以利行洪。

(2)堤线力求平顺，各堤段平缓连接，并尽可能利用现有堤防。

(3)堤线尽量布置在占地及拆迁房屋少的地带，以利于防汛抢险和工程管理，同时降低工程投资，减少施工难度。

2.2 堤线布置

经过对工程进行现场查勘，并结合当地水利行政主管部门对本工程建设的建议和要求，确定潭江河流治理工程台山段的治理范围为大江段、水步段及白沙段，全长23165m。其中大江段治理长度14190m，水步段治理长度4285m，白沙段治理长度4690m，共保护耕地12.64万亩，保护人口16.14万人。

(1)大江段

该段堤防位于潭江右岸，起于林冲口水闸(潭江台山段与新会段分界处)，止于渔业水闸(大江段与水步段分界处)。林冲口水闸至公益自来水厂段沿岸多为工厂、码头、学校及居民房等建筑，沿岸险工险段较多，曾多次出现险情；公益自来水厂至拆船厂段沿岸多为鱼塘及农田，现有堤防堤身低矮单薄，堤坡较陡，堤身填土欠压实，质量差；拆船厂段至渔业水闸段沿岸多为农田，分布有少量鱼塘，堤顶路面大部分为绿道，但损坏较严重。经过工程布置，本段堤防治理堤线桩号为0+000～14+190，治理长度14190m。其中0+233～0+455及1+921～2+000段已进行了加固，采用的直墙+平台混合式的均质土堤结构。根据堤防沿岸现状，0+000～0+233段采用直墙+平台混合式的均质土堤结构，以便与已加固堤段平顺连接。1+426～1+500、1+634.3～1+921、4+350～4+500、5+394.8～5+477、11+665～12+300及12+395～12+957段采用斜坡式结构。3+834～3+934及12+300～12+395段为造船厂，考虑到船厂的运行管理需求，本段采用防洪墙结构，并预留旱闸。4+500～5+100段为公益港及中国石化台山油库，本段外江侧建有围墙，考虑到占地及施工期的影响，本阶段暂不处理。

5+477～6+227段外江侧已建有防洪墙，且较为完好，路面均已硬化，排水条件通畅，本次仅局部加高防洪墙，并进行防护栏杆改造，使其满足本工程的防洪要求。其余堤段均采用直墙+斜坡混合式的均质土堤结构，并根据实际情况调整石墙与斜坡之间的平台宽度，以使堤轴线顺直。

(2)水步段

该段堤防位于潭江右岸，大江段上游，起于渔业水闸，止于冈宁村，沿岸多为农田及鱼塘。堤外坡度陡，石墙质量较差，大部分堤顶路面为已建的绿道，但路面损坏较为严重，且宽度不足3.0m，两侧为绿化树木。经工程布置，本段堤防治理堤线桩号为14+190～18+475，堤轴线长度4285m，其中17+820～17+880段为冈宁碉楼，不处理，故本段治理长度为4225m。堤防基本沿已有旧堤位置进行布置，主要采用直墙+斜坡混合式的均质土堤结构。

(3)白沙段

该段堤防位于潭江右岸，水步段上游，起于良新水闸，止于高咀村，沿岸多为农田、连片鱼塘或排水沟，“两水夹一堤”；堤外坡度陡，绝大部分堤身矮小单薄，堤身填土质量差，堤顶长满杂树，无法通行。经工程布置，本段堤防治理堤线桩号为白0+000～白4+690，治理长度4690m，堤防基本沿已有旧堤位置进行布置。白2+990～白3+185段外江滩地上有渔民居住，本次设计采用防洪墙加固；其余堤段主要采用直墙+斜坡混合式的均质土堤结构。

3 堤型选择

工程防洪堤断面型式一般可选择直墙式断面型式、斜坡式梯形断面型式以及直墙+斜坡混合式断面型式等[5]。表1展示了其优缺点。

表1 堤防型式对比表

本工程治理堤线较长，堤防型式选择应根据潭江沿岸现有防洪堤的实际情况，从控制工程投资、减少工程占地及房屋拆迁、降低工程施工难度、生态及美观效果好等方面综合考虑确定[6- 8]。结合本工程实际，堤防断面型式通过不同基础形式组合从而形成复合式断面堤防型式，如图1所示，具有综合优势以更大程度减少洪涝灾害。各分段加固堤型形式见表2，由于河段太长，此处只选取其中典型的断面作为展示。

图1 各断面堤型大样图(单位：mm)

表2 堤防分段堤型(提取部分)

4 挡墙计算与分析

4.1 稳定性计算

(1)抗滑移稳定性计算

根据SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》，土质地基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数，应用下列公式计算：

(1)

式中，Kc—抗滑稳定安全系数；ΣG—作用于挡墙上全部竖向荷载；ΣH—作用于挡墙上全部水平向荷载；f—挡墙基底面与地基之间的摩擦系数。

(2)抗倾覆稳定性计算

抗倾覆稳定安全系数按下式计算：

(2)

式中，K0—抗倾覆稳定安全系数；∑Mv—对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑MH—对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

(3)基底应力计算

挡墙基底压应力按下式计算：

(3)

(4)安全系数

潭江干流沿岸堤防防洪标准为30年一遇，属3级堤防，主要建筑物级别为3级。挡土墙及防洪墙属于主要建筑物。在各种计算工况下，挡墙平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。挡墙基底应力不均匀系数：松软地基，基本组合小于1.5，特殊组合小于2.0；中等坚实地基，基本组合小于2.0，特殊组合小于2.5。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》，土基上3、4级防洪墙稳定安全系数规定见表3。

表3 土基上挡土墙各种安全系数

4.2 挡墙断面计算

台山段挡土墙型式主要有重力式挡土墙及悬臂式挡土墙，典型设计断面如图2—3所示。

图2 典型断面1(单位：mm)

图3 典型断面2(单位：mm)

4.2.1计算参数

土压力采用库伦公式计算。采用粘性土回填堤身时，通过加大土内摩擦角，采用等值内摩擦角φD将粘聚力c包括进去，依据GB 50286—2013公式D.1.2-15计算：

(4)

依据地质报告，填筑土的抗剪强度指标[9- 11]：凝聚力c为16.2kPa，内摩擦角φ为22.2°。按照上述公式和挡土墙高度H计算等值内摩擦角φD，但最后选取用于计算的等效摩擦角不超过φ=35°。地基土与挡土墙底的摩擦系数f，依据各挡土墙所座落的土层不同而选择不同的土层力学指标，f值依据SL 379—2007条文说明6.3.5表4选取，具体见表4。

表4 挡土墙计算参数表

表5 挡土墙计算参数表

4.2.2计算工况及结果

根据GB 50286—2013、SL 379—2007的荷载组合规定，结合该堤防可能遇见的水位，各挡土墙分别按基本组合和特殊组合进行稳定计算[12]。

(1)完建期：墙前墙后无水，属基本组合。

(2)设计洪水位：按墙前墙后都是设计洪水位，属基本组合。

(3)设计洪水位降落：按设计洪水位骤降0.5m计算，属特殊组合。

采用理正挡土墙软件进行计算，计算结果见表5。由表5可知：

(1)断面1，即防洪墙在施工完建期及设计洪水位降落的时候，抗滑稳定不满足规范要求，其余均满足规范要求。

(2)断面2，即迎水坡坡脚矮墙在各工况下的抗滑稳定不满足规范要求，其余均满足规范要求。

标准断面1，即悬臂挡土墙方案的堤段淤泥深厚，根据ZK70可知，淤泥层厚达16.2m，层顶高程0.5m，层顶高程-15.7m，本段挡墙墙底高程0.2m。结合当地工程经验，经技术经济比较采用AB型预制管桩，桩外径D=500mm，壁厚125mm，设计桩长18.0m，桩端持力层为粉细砂。此处采用地基处理修改2种工况下的抗滑稳定性，地基处理后抗滑系数工况1和工况3的抗滑系数分别为Kc1=127/52.7=2.4>1.25，Kc3=1.2>1.10，二者均达到设计规范要求。断面2墙身较矮，从安全经济的角度出发，设计采用抛填块石方式处理，处理后施工完建期、设计洪水期及水位降落工况的抗滑稳定系数分别2.26、2.21及1.27，满足规范要求。

5 结语

潭江干流台山段的治理，作为江门市潭江干流治理的重要组成部分，是广东水利“十二五”规划的要求。现正值“十四五”规划开局之年，全国各省水利工作面临新形势、新矛盾、新挑战，本文所述工程案例可为相似工程提供有益的实践基础和先例，为相似工程建设或改造提供参考。