典型横断面仿真下的堤防固坡施工技术

◎ 习雄杰 吉水县白沙镇综合执法队

水利工程河道堤防施工质量不仅影响水利工程使用寿命，还是泄洪排洪功能的重要环节[1-2]。但是河道堤防施工建设存在较多问题，施工人员重视不足影响防洪工程建设效益[3]。所以，在河道堤防工程中，应当采用科学的施工技术，确保河道堤防的安全性及稳定性。在河道横断面变化的研究中发现，河流的汛期动态变化与横断面形态互相联系。以河流汛期的水流动力为依据，模拟河流横断面的形态演变，构建不同时期堤防固坡施工的工程量，保证其防洪防涝的施工技术标准[4-5]。本文以太平河堤防工程建设为例，在典型横断面仿真模拟下，对堤防工程建设提出防固施工应用方法。

1.太平河堤防工程概况分析

太平河全长为36.53km，河道全程较为直顺，首端位于高升镇边道村京沈高速公路边，末端位于新生农场为太平河闸，河口段宽50m。正常年份上游河宽12m，太平镇段24m，太平镇的下游段至河口段的堤距为60m，堤顶宽2.5m，堤顶高程在陆家乡段变为5.0m，上游段基本无堤，高程降为3.0m。河道内两边在1：0.7到1：1左右，陆家乡到河口段堤防有宽8～10m的坝坑，河床淤积厚约1～1.5m。目前的主要问题为：一是正常年份的排水量少，河道流速小且严重淤积，产生内涝；二是丰水年份少，排水不畅，政府资金短缺，无人组织同时清淤，河床底高程逐年抬高，上游段因流量较小基本无堤防，在河道过流断面逐渐减小的情况下，河水蔓延直接威胁沿岸村屯和农田。

2.选择治理范围布置工程等级

为解决上述问题，对太平河全线36.53km进行清淤处理，治理长度达到30.4km即可。对未达标堤段堤防加高，两岸建设生态护坡，维修改造穿堤建筑物。城镇保护区不超过20万人的防洪标准为20年到50年一遇；乡村保护区人口不超过20万人的保护区耕地面积小于2万hm2。太平河保护的人口约9.5万人，保护耕地近1.53万hm2，本次设计主要为河道的综合整治，治理措施主要有河道清淤、堤防加固与护坡，穿堤建筑物改建，左右岸堤防全长加高培厚，两岸进行生态护坡[6]。

3.实例分析

3.1 设置横断面围压受力条件

除了自身的常规负载外，堤坝两侧在水流冲击下需要维持稳定状态，保证堤坝自身能够在较大压力下具备对抗内力。对施工管体的刚性位移进行模糊处理，以简化的静力加载方式分析各横截面的受力性能。堤坝两侧的基础防护为钢筋混凝土结构，材质的弹性模量均为3.45×104MPa，内力比较如表1所示。

表1 不同形态横断面的内力比较

根据表1内容，外侧受正向负压，内侧受负向负压，外部轮廓曲线越平滑的横断面受力性能越高。由此设置太平河河段堤坝的轮廓形状，为最大程度减少内力，以棱角较少的形态进行内部横纵隔板设计。通过横断面仿真受力建模，对堤坝自身的连接段进行局部效力，并设置堤坝横断面的围压受力条件。对占据主要工程量典型河段的堤坝进行施工难度分析，得到河道堤坝的防护等级。

3.2 计算洪水位设计河堤防固高度

洪水位设计的准确性直接影响堤坝加固工程的进度，关乎整个工程的质量问题。不同的河堤洪水量计算方法都有其适用的范围，根据不同季节的雨水补给条件，洪水位设计边界不同，其计算结果会和实际情况产生少许偏差，因此需要因地制宜选择计算方法。根据工程水文地质勘察规程，对太平河河段的堤坝洪水位计算采用均衡法，主要是由于该河段处于温带地区，降水量较为标准，符合质量守恒定律。将所在的水文地质单元假设为一个均衡区，通过某一地区的雨水收支量关系，建立雨水均衡方程：

式中：△q储为堤坝的平均储水量，t；q补和q排分别为雨季的补水量和排水量，t。由此确定堤坝防固建设平衡要素。为减少对河堤的勘探时间，计算洪水位，参考降水渗透法设计太平河的堤坝高程，最高洪水位的表达式为：

式中：j为最高洪水位，m；α为降雨的入渗系数，其中引入转换系数2.74；l为区域内多年的年降雨量，mm；y为坝体中含水体的积水面积，m2；k,h为降雨对堤坝两侧的影响宽度。洪水位较大时对堤坝的冲击会增加，排水量会对应增加，需要加大河堤防固高度；洪水位较小时刚好相反，减少河堤防固高度，最终堤坝高度应以最高洪水位为标准，防止较大洪水位对堤坝的冲击力度。

3.3 结果分析

为验证此次设计的固坡施工技术应用方法的实际效果，通过实地测试的方式测试坝体的平整度和承载力。分析太平河自然条件，设定防固指标。该河段为盘锦市内最大的一条排水河，地势呈现北高南低势态，地面高差距离3.5m，耕地面积占1.07万公顷，平均年降水量为623.2mm，平均年相对湿度在68%，汛期水位受辽河水位控制呈现回水状态。

太平河的稳定堤坝施工工程建设对沿线的经济发展和生态环境起到重要影响，遵循10年一遇的设计标准。现阶段河堤堤防瘦小破旧，堤顶和堤身有多处冲沟坑洼，土堤断面不能达到规范化要求。为此，在全河段进行河道清淤工程，设置河堤左右两岸堤防工程，并改建两处穿堤建筑物。整体护坡为多孔自锁生态预制块护坡和三维土工格网草皮护坡。

根据5级堤防规范化要求，堤坝高程越浪最高为0.5m。选择6处位置测试加固后的河段承载力，太平河堤防加高设计参数如表2所示。

表2 太平河堤防加高设计参数（单位：m）

按照5级堤防设计进行堤防加固平均培厚，迎水坡和背水坡的比值分别为1：2.0和1：2.5。选择滩地土料为筑堤材料，以C20混凝土多孔自锁式预制块结构进行现浇混凝土固坡施工，坡顶压顶框格为0.3m×0.5m，沿坡线每隔20m设置0.3m×0.4m框格，坡脚为0.4m×0.6m框格固脚。以典型横断面为内堤肩设计轴线，结合堤顶宽度和防汛管理确定总高程为4.0m，其中右堤断面如图1所示。

图1 下太平河右堤防护典型横断面

根据图2内容，设定右堤的渗透系数，按照各个工程段的地层岩性，以粉质黏土为主，局部夹少量粉土、粉砂，表层粉质黏土夹粉土。采用中高压缩性的渗透系数进行微弱透水性测试，最终水力渗透指数1.0×10-5cm/s，主要为流土型渗透破坏样式，总渗出高度为0.71m，为满足堤防渗透的稳定要求，下游堤脚无须采取措施，太平河右堤稳定渗流浸润线断面如图2所示。

根据图3内容，两侧的堤防加固厚度比值符合设定标准，在按比例进行堤坝材料加固后，对其进行单位压力下标准贯入量的强度荷载测试。按照每个位置50次和99次的击打标准，使用加固材料对上述堤坝加固位置进行抗击打测试，不同击打标准下堤基压力负载测试结果如图3所示。

图3 不同击打标准下堤基压力负载测试结果

根据图4内容，两个击打标准下，击打次数越多，单位压力越大，堤基贯入量越高。以贯入量为位移测试标准，在不同的打击压力条件下，对此次施工的加固材料进行负载测试，两个不同的抗击打测试次数的堤基贯入量均小于0.07m，能够维持堤基稳定，表明此次施工技术应用下的太平河堤基水平位移情况符合建设标准，满足堤防设计要求。由于堤基的位移情况处于变化状态，施工结束后仍需设置观测点，定期观察其边坡变形情况，用于后期的定时定点维护。

为进一步验证此次的施工技术满足防固要求，验收施工完成后的堤坝填筑工程，选择多名检测人员对整个坝坡进行检查。保证验收成本和效率，仍以上述6个样点进行固坡的平整度测试，其行业要求规范为±5cm范围内。将整个监测位置导入在MATLAB测速平台中，利用全站仪监测工具进行坡面平整度测量，具体测试结果如表3所示。

表3 加固工程施工后边坡平整度测试结果

根据表3内容，此次设计的固坡平整度均能满足规范要求，不需要补充额外的垫层材料，最大限度地保证施工成本。加大对工程施工技术的研究力度，提高堤防护岸工程施工技术的应用水平，建立健全科学的水利施工管理体系，对堤防护岸施工环节进行全过程的监督和管控，提高堤防护岸工程的施工质量，确保水利工程建设的稳定性和安全性。

4.结论

（1）边坡的平整度较高，避免了传统垫层施工方法的繁杂的坡面作业和相互干扰，是一种简便、高效、安全、经济可行的施工新方法。能够更好地适应坝体变形，保证施工材料在静置状态下具有较强的防裂效果，较长时间下具备更高的防渗效果。

（2）在分析太平河的工程概况基本条件下，设置其横断面的周围受压情况，对改建的堤坝路段进行等级加固，通过洪水位计算堤坝高程，在典型横断面仿真技术下进行坝体施工，模拟后期堤基位移量和平整度，均符合堤坝工程标准。

（3）在平整度实验中，不需要补充额外的垫层材料，最大限度地保证施工成本。

5.结语

在太平河实际堤防工程中设计固坡施工方法，从而对其堤坝两岸进行加固。经实例分析，施工完成的堤坝位移和平整度均符合建设标准，具有实际效果。但由于此次时间有限，只针对右岸进行验证，结果具有一定偏差性，后续研究中需要对另一方进行测试，为综合评价堤坝的加固效果，进行多轮验证。对太平河进行综合治理，通过河道清淤和堤防加固，完成生态护坡工程，提高河道两岸的防洪能力，为恢复和维护河道生态环境提供理论支持。