某防洪堤工程结构设计和堤防稳定分析

王绪彬， 刘鹏程， 朱健

（1.徐州市南水北调工程管理中心,江苏 徐州 221200；2.上海千年城市规划工程设计股份有限公司淮海设计院,江苏 宿迁 223800）

1 河道现状

某项目区位于河道左岸,现状主要为竹林,目前尚未建设防洪堤,也没有规划岸线,出现暴雨洪水时农田受淹道路设施冲毁。工程的建设将解决左岸居民地开发建设的防洪安全问题,将使防洪标准满足要求,提升居民生活品质,同时工程按需改造排涝涵洞,及时排除堤内涝水。本次治理河道长度为 3.19 km,总体布置上形成两条线,一条为防洪岸线,一条为亲水驳岸线,防洪岸线背水侧为规划居民用地,并沿岸线设置通道,亲水驳岸线沿现状临水线布置,防洪岸线与亲水驳岸线间为休闲亲水平台,防洪岸线长1.5 km,亲水驳岸线长1.69 km。本文主要对河道防洪堤进行设计,并对防洪堤堤岸及护岸挡墙进行抗滑稳定分析计算。

2 结构设计

2.1 断面方案选择

本工程只涉及河道左岸,断面形式的选择主要为护岸形式的选择。河道护岸形式一般可采用斜坡式、复合式、直立式三种形式,三者各有优劣,根据本工程实际情况,为充分利用滩地的亲水性提高居住乐趣,尽可能保持河道的生态功能,本工程主要采用复合式断面,上游约60 m为与上游已建护岸衔接则采用直立式断面。

本工程复合式断面下部挡墙高3 m～4 m,一般可以采用重力式挡墙、生态砌块挡墙或板桩式挡墙。就三种挡墙形式而言,重力式挡墙采用传统施工工艺,施工较为简单,但生态性较差,生态砌块挡墙生态性较好,但是需要进行大量土方开挖,同时造价也比较高,板桩式挡墙施工相对简单,但造价很高,生态性也较差。综合上述分析,本次项目拟采用传统重力式挡墙结构,该方案施工工艺简单、造价也较为便宜。

2.2 护坡形式比选

根据选定的土堤型式以及河道断面平均流速,对土堤边坡的防护型式进行比较。由于该河道平均流速较大,且考虑河道转弯段,流态复杂、流速较大,并且充分结合现场冲刷情况及上下游护坡相统一,考虑采用 M7.5 浆砌块石护坡、干砌条（块）石护坡、联锁式生态护坡、生态砼护坡护坡及三维水土保护毯等多种方案进行比选[1],土堤护坡型式主要工程量及投资比较见表1。几种护坡结构形式如下：

表1 土堤护坡型式主要工程量及投资比较表

（1）M7.5 浆砌块石断面型式为：按设计坡度培厚填土修坡后,在坡面用250 mm厚 M7.5 浆砌块石护砌,下设150 mm 厚碎石垫层。

（2）干砌条石断面型式为：按设计坡度培厚填土修坡后,在坡面用250 mm厚干砌条石(块石）进行护砌,下设150 mm厚碎石垫层。

（3）联锁式生态护坡的断面型式为：迎水坡按设计坡度填土修坡后,面层铺砌环保砼预制块,预制块厚度0.15 m。

（4）生态混凝土护坡的断面型式为：按设计坡度培厚填土修坡后,在坡面用120 mm 厚生态砼护坡（表面植草）。

（5）三维水土保护毯生态护坡的断面型式为：按设计坡度填土修坡后,撒播草种,然后铺设标准型三维开孔合成网垫,再覆20 mm厚耕植土层。

经济比较方面,从上表可以看出,生态混凝土护坡价格最高,干砌条石护坡最便宜。

技术方面比较：M7.5 浆砌块石护坡及干砌条、石护坡的抗冲流速可以达到2.5 m/s～4.0 m/s,其中M7.5 浆砌块石护坡稍好,联锁式生态护坡已在国内部分省市应用,其采用自锁式预制块,标准孔洞率达37.5%左右,理论抗冲流速可以达到4 m/s～5 m/s,三维水土保护毯的抗冲流速可以达到 5 m/s～5.57 m/s,绿化覆盖率≥95%。

美观方面比较：M7.5 浆砌块石护坡整体性较好,外观上比干砌条、块石稍好,但其与环境相融性差,目前提倡保护生态资源,条块石开采难,市场难以购买,三维水土保护毯、联锁式生态护坡及生态混凝土护坡绿化效果好,与周边环境相融性好。

工程管理方面比较：M7.5浆砌块石护坡整体性较好,较干砌条、块石护坡更方便管理；而三维水土保护毯、联锁式生态护坡及生态混凝土护坡由于存在草皮,后期存在草皮养护问题。

经过技术经济比较,结合工程整体性,M7.5浆砌块石护坡造价高,浆砌或干砌石护坡容易造成河道渠化,生态性较差；生态混凝土护坡的工程可靠性还有待检验；联锁式生态护坡和三维水土保护毯达到河道抗冲流速要求,也可满足生态景观要求。综上所述,本工程选用联锁式生态护坡。

2.3 设计断面

本段堤防采用复合式断面,上部采用土坡结构,下部为重力式挡墙结构,10 年一遇设计水位35.86 m～35.01 m,设计堤顶高程约为38.24 m～35.90 m。上部土坡高1.4 m～3.0 m左右,堤顶为 C30 砼路面厚200 mm,内侧场地在蓝线保护范围外整平作为居住地。迎水面外坡坡比 1∶2.0,坡面采用生态砌块护坡厚0.15 m,坡脚设置C20 砼阻滑体高1m,背水面坡比1∶1.5,采用草皮护坡。滩地临水侧亲水驳岸采用重力式挡墙。挡墙墙身采用C20 埋石砼浇筑,墙顶宽0.9 m,临水侧坡为直立挡墙,背水侧坡比1∶0.4。挡墙基础采用C25钢筋砼底板厚1.0 m。墙前河底采用抛石护脚。墙顶采用C25砼压顶厚0.3 m,并设置仿木纹栏杆。墙背采用中粗砂回填（相对密度＞0.65）,面层采用亚粘土夯填（压实度≥0.91）厚 0.5 m。

图1 堤防断面设计图

2.4 冲刷计算

（1）计算方法

按照《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的规定,对防洪堤脚冲刷坑深度进行计算,计算公式采用规范附录 D.2 规定的公式。

（2）冲刷深度hs计算

本工程冲刷深度计算分别选取以下几组典型断面进行计算,各断面不同地质条件下冲刷深度计算成果见表2。

表2 护岸平行岸坡冲刷最大冲刷深度

从计算结果可知护岸及防冲护脚段局部冲刷深度为 0.45 m～1.05 m,本次设计护岸段采用抛填块石护脚,厚800 mm措施进行防护,基础埋深位于冲刷深度线以下,可有效提高地基防冲能力。

3 堤防整体稳定计算

3.1 渗透稳定分析

本次新建防洪堤背水侧为规划居民区,将与防洪堤同步实施。项目实施后, 背水侧地面均抬高至堤顶。因此,不存在由防洪堤迎水侧向背水侧渗透的水头差, 故设计堤岸不存在渗透稳定问题。

3.2 堤岸滑坡稳定分析

根据地形、地质和水文、波浪条件以及断面型式,选择具有代表性的断面进行稳定分析,计算在最不利荷载和最不利水位组合情况下的最小安全系数,并满足在正常运行条件下的最小安全系数 K＞1.10,非正常运行条件Ⅰ下的最小安全系数K＞1.05 的要求。稳定分析计算方法采用瑞典圆弧滑动法,计算公式如下[2]：

式中：Ro为滑弧半径,m；Mc为水平向地震惯性力（∑Dh）对圆心的力矩,kN·m,非抗震工况此项计零；∑h为某一土条的总高度,m；∑Dh（∑DV）为某一土条的水平（垂直）地震力总和,kN,非抗震工况此项计零；a为土条底面中点处切线与水平线的夹角,°；Z 为坝坡外水位高出土条底面中点的距离,m采总应力法时此项计零；r0为水容重（r0=1）；US为在条块底面中点处的孔隙水压力值,kN,采用总应力法时此项计零；c、分别为土的强度指标,根据采用计算方法而定；∑Wk（∑Wh）为计算抗滑滑动时单位宽度土条的重量。

根据工程地质勘察报告,根据土工试验和静探、标贯试验成果,其他材料容重、力学性能指标根据地区经验取值。

选取JSFH0+250作为典型断面进行计算,计算工况为：工况①：设计洪水位下临水坡的稳定；工况②：完建期临水坡的稳定；工况③：设计洪水位降落期临水坡的稳定。

稳定计算结果见表3。

表3 边坡稳定分析成果表

根据《堤防工程设计规范》相关规定以及表3边坡稳定计算结果,正常运行条件下的最小安全系数 K=2.13＞1.10,非常运行条件下的最小安全系数 K=3.34＞1.05,因此,堤岸滑坡稳定均满足规范要求。

图2 堤防断面设计图

3.3 护岸挡墙稳定应力分析

抗滑挡土墙抗滑稳定应力分析前,应先进行抗滑稳定安全系数的计算,计算公式采用《堤防工程设计规范》中土质地基的挡土墙抗滑稳定安全系数计算公式, 不再列出,稳定要求安全系数应不小于《堤防工程设计规范》中5级堤防工程的规定值,计算参数和工况如下：

（1）计算参数

埋石砼的容重γ=24 kN/m3,墙背填土容重γ土=18 kN/m3；墙背回填中粗砂的等效内摩擦角 =33°,土体与墙背间的摩擦角δ= /2；挡墙基底摩擦系数1=0.45。

（2）计算工况

①工况 1：正常水位下挡墙稳定；②工况 2：堤防设计洪水位降落期挡土墙稳定；③工况 3：工程完工期,墙背已填土,外江侧无水。

（3）稳定分析结果

根据各工况荷载组合,采用北京理正软件设计研究所编制的岩土计算系列软件 5.11 版的挡土墙设计分析模块,各工况挡墙稳定与应力计算成果见表 4。

表4 挡墙稳定与应力计算成果

经计算,挡墙抗滑、抗倾覆计算值均大于允许值,基底应力比均在允许范围内,挡土墙稳定可以满足规范要求。

4 结论及建议

通过对河道防洪堤工程建设,解决左岸居民地开发建设的防洪安全问题,将使防洪标准满足要求,提升居民生活品质,同时工程按需改造排涝涵洞,及时排除堤内涝水,确保沿河两岸人民的生命财产安全,改善环境质量。工程于2018 年 5 月完工,确保了洪水期来临时能够抵御洪水,目前效果显著。