基于洪水分析法的城市堤防除险加固实践研究

聂新桂

(封开县广信堤围养护中心，广东 封开 526500)

1 工程概况

广东省某河流地处粤东北山区，为一级支流，其堤防工程位于河流北岸，全长7.464 km，按50年 一遇标准加固，围内保护面积为22.2 km2。堤内保护16多万城市人口，是干流大堤的重要组成部分。本堤防工程已建成运行30多年，在防洪保安方面发挥巨大社会效益。2011年防洪标准提高至50年 一遇，在原防洪墙顶的基础上加高约0.8 m。

在近期例行的工程巡查中发现部分标段防洪墙长39 m有二处结构缝存在异常现象，分别是结构缝下游端开裂和结构缝上游端墙体存在不均匀沉降现象，存在较大的安全隐患。巡查中还发现防洪墙后原部分老旧房屋拆除的建筑淤泥垃圾等杂填后摊铺一层砂砾石建成门坪，填土压力直接作用至防洪墙，增加防洪墙向外倾覆趋势。根据对防洪墙监测结果来看，此段堤防的位移和裂缝在5个月内发生了剧增，且有持续增长发展的趋势，为了避免造成人身安全事故和财产损失，本次工程根据实际情况对该段堤防进行除险。

2 洪水分析法复核

2.1 设计洪水计算

项目区属亚热带气候，强降雨多为锋面雨和台风雨，暴雨大且集中[1]，由此引发的洪水洪峰流量大，影响范围广，是造成干流流域洪涝灾害的主要气象原因[2]；在地形图上分别量读河床纵坡变化特征点的高程及相应河长为36 km，采用加权平均法计算河流坡降J为0.0044、集水区为118 km2及流特征参数θ[3]。

设计暴雨，根据河流流域的中心位置，由2003年广东省水文局编制的《广东省暴雨参数等值线图》查得各历时点暴雨均值和变差系数Cv，采用Cs=3.5Cv，计算各频率设计点暴雨，面暴雨等于设计点暴雨乘以点面折算系数α[4]，设计暴雨见表 1。

初损后损法进行产流计算时，广东省分区产流参数平均后损率和三天平均损失率根据粤水电总字《关于<关于广东省暴雨径流查算图表>部分参数修改的通知》[5]中查得，参数成果见表 1。

表1 暴雨参数成果

河流缺少实测洪水资料，因此设计洪水由设计暴雨推求，采用广东省综合单位线法及推理公式法两种不同方法进行计算，通过反复试算调整汇流参数协调两种方法计算的成果[6]。

河流设计洪水根据断面所选定的地理参数和计算分区，采用广东省综合单位线法和推理公式法进行设计洪水计算，成果见表2。

由表2可知，各计算断面用两种方法计算的洪水成果相差均在20%以内，按《广东省暴雨径流查算图表使用手册》中规定，采用广东省综合单位线法计算成果。

表2 河流设计洪水计算成果表

2.2 施工洪水位

本工程处于水口站下游，属于一级支流，流域特性相近，采用水文比拟法推求工程分期设计洪水。计算式(1)如下：

Q1/Q2=(F1/F2)2/3

(1)

式中：Q1为水口站各时段流量,m3/s；Q2为工程分期洪水流量,m3/s;F1为水口站集水面积，取6480 km2；F2为本工程控制集水面积，取118 km2。

根据经验公式计算本工程分期洪水如表3。

表3 分期洪水计算成果 m3·s-1

由于河流缺乏洪水观测资料，难以对内外水进行遭遇分析，附近一电站位于河流河口下游6.2 km，该水电站建成蓄水后，电站上游的10.0 km 河段的水位上升至4～6 m，枯水期施工水位受水电站顶托影响，本次采用该水电站正常蓄水位作为施工洪水位，电站正常蓄水位为73.50 m(珠基高程)，高程转换后为74.24 m(85高程)。

3 堤防加固设计方案

3.1 堤顶高程复核

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，堤顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定。经复核现状堤顶高程满足50年一遇防洪标准，成果如表4。

表4 临城镇区综合生活用水量预测 m

3.2 加固堤岸

加固长39 m(桩号K0+526～K0+565)、新建堤内道路38 m长共468m2连接现状上下游道路。加固堤线基本按原堤防走线布置，两岸堤距基本不变，本次设计堤防加固长度39 m。

针对堤防存在的主要问题，加固措施主要是墙身贴坡加固，提高墙体的抗剪、抗滑能力。根据现场勘查原防洪墙迎水面边坡不规则，本次C25贴坡混凝土面板内侧边坡与原防洪墙一致，外侧边坡坡度按防洪墙现状设计为0.35。

先拆除原防洪墙至高程79.40 m处，在原防洪墙迎水面外侧布置C30钢筋混凝土灌注桩为基础，桩长约12.0 m，桩径为1.0 m，孔距1.3 m，桩顶设尺寸为2.8 m×1.5 m的C25钢筋混凝土桩承台，承台高于河床高程1 m，桩承台上布置C25钢筋混凝土贴坡，顶高程与原堤顶高程81.82 m持平，内坡为原堤防迎水面边坡，外坡设计为0.35，在墙体上设DN100排水管，孔距与排距为1.5 m。

3.3 防洪墙加固支护方案

拟整治堤段右岸岸坡转角处挡土墙墙面出现两道自地表至坡脚贯通的裂隙及多条小裂隙，局部墙面护面水泥皮已脱落裸露块石及砂浆，形成天然的渗水通道，墙体稳定性较差，应及时进行相应有效的加固支护，以免造成工程事故。

由于该挡土墙体几近垂直状，且墙后紧邻已有建筑物，墙体外侧与墙后的已有混凝土建筑物相距仅8 m，难以放坡及大型机械施工，建议采用抗滑(灌注)桩+加厚挡墙的加固支护方案，灌注桩建议采用钻孔灌注桩。

4 稳定性复核

4.1 计算工况及方法

本工程原堤防为仰斜式混凝土防洪墙，本次设计方采用在防洪墙前坡贴C25钢筋混凝土面板加固，基础处理采用C30钢筋混凝土灌注桩，桩顶设承台，加固后防洪墙断面仍为仰斜式。根据加固墙高、墙顶填土、地基条件，采用桩长为12 m，桩承台尺寸2.8 m×1.5 m，选取典型断面进行计算，根据建筑物断面设计。

取防洪墙高9 m，顶宽0.4 m，迎水面坡度0.35，背水面坡度-0.2，墙趾台阶尺寸2.8 m×1.5 m，桩长12 m，墙后填土为素填土，填土水平，墙顶附加荷载换算土层厚度取0.82 m，长度取15.0 m，计算简图如图1。

图1 防洪墙计算简图(单位：cm)

根据规范GB 50286—2013，作用在防洪墙上的荷载可分为正常运用条件和非常运用条件，正常运用条件应由基本荷载组合，非常运用条件应由基本荷载和一种或几种特殊荷载组合；根据各种荷载同时出现的可能性，选择不利的工况进行计算。经分析，本次稳定计算选择如下工况[8]：

工况一：完建工况(基本组合)；

工况二：设计洪水位(基本组合)；

工况三：设计洪水骤降，墙前水位骤降0.5 m(特殊组合)；

工况四：多年平均流量与地震(特殊组合)。

考虑降雨及渗流滞后的影响，在正常运行工况下挡土墙墙前、墙后的水位差可取0.5～1.0 m，结合本工程实际情况，设计洪水骤降工况时墙前后水位差按0.5 m考虑；计算结果如表5所示。

表5 防洪墙稳定计算成果

采用北京理正岩土软件进行防洪墙稳定计算，经计算，防洪墙抗滑、抗倾稳定系数满足规范要求，地基承载力满足设计要求，部分工况基底应力比大于允许值，根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)条文说明：对于人工加固的深基础，可不受应力比允许值的限制，故亦满足规范要求。

4.2 立墙截面强度验算

防洪墙加固后墙身抗剪最不利部位为桩承台顶与墙身结合部，墙身等级设计为C25，受弯构件的强度按式(2)进行验算，计算结果见表6。

表6 截面强度计算成果

(2)

式中：σi为受弯构件的应力,kN/m2;M为墙身截面弯矩，kN·m；W为墙身计算截面的截面距，m3；γ为受弯构件的混凝土受拉去塑性影响系数，取1.55；Ri为受弯构件的混凝土受拉强度，取1.55 MPa；Ki为混凝土构件抗拉强度安全系数,取2.65。

剪应力验算见式(3)：

(3)

式中：σj为计算剪应力，kN/m2；[σj]为混凝土容许剪应力，kN/m2；Q为截面剪力,kN;A为截面面积，m2。

5 结 语

该河流作为区域内的一条重要河道，担负着排洪、洪泄、御洪等多种功能，是防洪工程建设的一种工程措施，使堤防工程体系完善，从而提高堤防工程整体的抗洪灾能力，达到抵御设计洪水标准的能力。项目建设必将带动周边经济的发展，对促进城市建设的全面协调发展，将产生显著的社会效益。

当前城市堤防改造中，堤防工程往往承担着的生态景观的重要功能，研究集防洪和景观为一体的生态堤防是今后堤防工程的重要研究方向。