大韩堤段防洪堤方案优化设计

陈顺辉

(厦门仁铭工程顾问有限公司，福建 厦门 361013)

1 工程概况

赛江为福建省“五江一溪”之一，闽东地区最大河流，流域面积5635 km2，干流河道全长175 km，平均坡降3.50‰。赛江在东口以上分为东溪和西溪，东溪流域面积2092 km2，河长94 km，坡降5.74‰，西溪流域面积1178 km2，河长105 km，坡降5.80‰。赛江流域防洪三期工程寿宁县大韩堤段位于赛江主要支流西溪右岸大韩村，武曲镇区上游，距离镇政府所在地 5 km。该村位于西溪右岸地势较开阔，但高程较低，现状村庄位于大韩大桥上游，大桥下游主要为茶园，是规划用地区。大韩堤段防洪堤堤全长1.128 km，设防标准P=10%。防洪堤所在的武曲镇西溪右岸属于山间河谷冲洪积地貌，河段两岸地面高程在68～77 m之间，河床高程67～71 m，河滩发育，河滩宽度最小的仅数米，较大的河滩宽度达40～60 m，河道右岸岸坡高度一般在3～5 m左右，堤基主要土层为杂填土厚约0.70～3.50 m，耕植土厚度0.60 m，细砂厚约0.70～3.60 m，砂卵石厚约3.50～4.30 m，下为强风化凝灰熔岩。

2 堤型选择

大韩堤段保护区有首批“福建省爱国主义教育基地”“宁德市少先队张高谦精神体验营地”的张高谦烈士陵园以及防洪堤建设范围内有着浓厚历史文化的古道知青路，同时根据武曲镇总体规划，大韩堤段保护区内将建成 333.33 hm2工业园区，落户规模企业80余家，实现产值约 60 亿元。 所以，防洪堤的断面型式选择非常重要，要综合考虑各方面因素，不但要满足防洪等安全可靠基本要求，还需要满足造型美观、生态及保留现状古文化等要求。通过多次实地踏勘，结合该堤段所在河段水文、河岸地质地形条件，设计阶段选定了直墙式、台阶式、斜坡式3种防洪堤断面型式进行比选[1-3]。

直墙式堤型：墙身采用衡重式挡墙型式，高度7～8 m，墙顶宽0.8 m。迎水侧边坡1∶0.15，上墙背水侧边坡1∶0.25，衡重台宽1.0 m，下墙背水侧边坡为1∶0.25，墙趾设置1.0×1.0 m趾脚，基础挖深1.1 m。堤顶重建知青路，设置防汛道路，堤背填土边坡为1∶2.0，采用草皮护坡，堤脚设置C20排水沟。

台阶式堤型：下级C20埋石混凝土挡墙+上级生态砌块加筋土挡墙(面板为混凝土砌块)型式。上级加筋土挡墙墙高2.6 m，砌块规格为40 cm×30 cm×15 cm(长×厚×高)，迎水侧坡度1∶0.17，墙背30 cm范围内回填级配碎石+黏土混合料(配比3∶2)，PP单向土工格栅(60 kN/m)加筋，墙顶设置40 cm厚C20混凝土压顶。堤顶设置宽4.5 m的防汛道路。背水侧设置草皮护坡，坡度为1∶2.0，坡脚设置C20混凝土排水沟。下级C20埋石混凝土挡墙墙高3.40～5.40 m，墙顶宽1.0 m，迎水面边坡1∶0.15，背水面边坡1∶0.40，底坡1∶10.00，基础挖深1.1 m，防止堤脚受水流淘刷，墙趾及墙踵均设置100 cm×100 cm(长×高)的趾角。挡墙开挖后基础坐落在砂卵石层上。上下级中间设置2.50 m宽亲水平台。

坡式堤型：堤顶设防汛道路，宽4 m，迎水侧坡比为1∶2.0，护面采用厚为150 mm现浇生态混凝土，坡脚为C20混凝土小挡墙防冲护脚，顶宽0.5 m，高2.5 m；背水侧设置草皮护坡，坡度为1∶2.0，于坡脚设置C20混凝土排水沟。

以上三种防洪堤断面型式各有优势。本堤段涉及的河道属山区性，两岸防洪堤建设在做好防洪防冲措施前提下，考虑从集约节约用地，改善河道两岸生境，留住乡土气息、乡土历史文化，营造生态景观效果等角度，以及适应堤后城市规划建设需求，选择占地少、可比投资适中的台阶式堤型作为设计推荐堤型[4-5]。3种堤型比较如表1。

表1 3种断面型式比较情况

3 优化设计及结构稳定分析

大韩堤段所在河流属山区性河流，流域形状呈扇形，洪水暴涨暴落。按水文分析计算，河道行洪宽度为107.0～156.0 m，10 a一遇设计洪水流量为3053 m3/s，洪水流速3.07～4.49 m/s。防洪堤断面型式采用台阶式，上级墙采用有生态效果的加筋土挡土墙，下级墙考虑河道有防冲要求的重力式埋石混凝土挡土墙，在上、下级墙之间设置亲水平台(原知青路路面高程)，平台宽度2.5 m(恢复知青路1.5 m)。计算断面选取工程布置最不利断面进行：整墙高7.0 m，上级生态砌块加筋土挡墙墙高2.6 m。下级埋石混凝土挡墙墙高4.4 m，挡墙基础坐落在砂卵石层上。

3.1 上级墙内部稳定分析

生态砌块加筋土挡墙墙高为2.6 m，选用筋带拟采用单向土工格栅抗拉力Ts=60 kN/m，土工格栅与土的截面摩擦系数f′=0.25，土工格栅在砌块中的长度取常数0.4 m，深入土体3.0 m，土工格栅总长3.4 m，墙后填土来自合格的土料场。

根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—1998)附录K加筋土挡墙计算中加筋土挡墙内部稳定性验算包括筋材的强度验算、筋材的抗拔验算和筋材的长度确定，如式(1)：

T=[(σv+∑Δσv)Ki+Δσh]Sv

(1)

式中：T为筋材水平拉力，kN/m；σv为某层筋材所受覆盖土层压力，kPa；∑Δσv为超荷载引起的垂直附加压力，kPa；Ki为主动土压力系数；Δσh为水平附加荷载，kPa；Sv为筋材的垂直间距，m。经计算筋材的内部稳定成果见表2。

表2 土工格栅的拉筋强度及抗拔稳定计算成果

从上表可知，土工格栅抗拉力Ts=60 kN/m>T，筋带强度满足要求，筋带抗拔安全系数>1.3，满足抗拔要求。为施工方便，不同层的土工格栅按要求的最大长度等长度铺设，即土工格栅总长度选择为3.4 m。

上级的生态砌块挡土墙外部稳定性验算，一般包括抗滑稳定、抗倾稳定和地基应力验算，可按一般重力式挡土墙验算方法进行，即把拉筋的末端连线与墙面板之间的填料视为一整体墙。由于加筋土挡土墙的特性、体积庞大，因抗倾覆、抗滑动稳定不足而破坏的情况很少发生，一般情况下可不进行验算[6]。

3.2 整体稳定分析

墙体总高7 m，基础坐落在砂卵石层上。整体稳定计算程序采用铁道部第三勘测设计院、北京理正软件设计研究院所开发的《理正岩土系列5.5版》。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)附录F设计规范计算抗滑稳定安全系数、抗倾稳定安全系数、防洪墙基底应力。

经计算，各种工况下，挡墙整体稳定及基底压力计算结果如表3所示。

表3 下级埋石混凝土挡墙+上级生态砌块挡墙整体稳定计算成果

从以上计算结果可知，台阶式堤型在各种工况下均能满足规范GB 50286—2013要求。

3.3 渗流及渗透稳定计算

耕植土、粉质黏土、全风化凝灰熔岩的渗透变形类型为流土，杂填土、砂卵石的渗透变形类型为管涌。根据地质报告，堤基各主要土层的允许水力坡降：砂卵石0.15，耕植土、全风化花岗岩0.50。渗流稳定计算选取设计洪水位与场地高差最大断面(桩号DH0+899断面)处进行计算，程序采用河海大学编制的《水工结构有限元分析系统AutoBANK5.1》，经计算该堤段堤基渗透稳定计算结果见表4。

表4 渗流稳定计算

经计算，出逸口渗透坡降0.31，小于堤身允许渗透降0.5，堤身渗流满足要求。

3.4 堤岸防护设计

3.4.1 堤脚冲刷深度计算

本堤段河床大部为卵石，根据规范GB 50286—2013附录D.2.2计算。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，选取最大流速与最大水深断面计算冲刷深度，计算结果见表5。

表5 冲刷深度计算

根据冲刷深度计算成果，水平段的局部冲刷最大冲刷深度为1.02 m，结合寿宁地区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≥1.1 m设置，同时堤脚设置抛石，增强堤脚的抗冲性能[7-8]。

3.4.2 抛石护脚粒径计算

本堤段河床为卵石，根据规范GB 50286—2013附录D.3.4护脚块石保持稳定的抗冲粒径公式计算。按平均最大流速4.49 m/s计算，则d=0.43，折算成单块块石最小重为95 kg。

4 结 语

(1)寿宁县大韩堤段防洪堤因地制宜采用台阶式断面型式，巧妙利用上、下级挡墙间平台最大程度恢复知青路，以及利用加筋土挡墙面板种植绿植，构造生态景观效果，适应堤后规划要求。通过结构稳定分析计算，布置的断面型式能满足规范要求。大韩堤段防洪堤实施台阶式断面长度855 m，占整个堤段总长度76%。

(2)工程实践表明，工程设计的台阶式堤型整体结构稳定，对于保持好河道河岸生境、营造生态景观、提升当地人居环境、保护历史文化等方面、河道洪水抗冲刷(下级埋石混凝土挡墙)，有着经济、社会、生态效益，可为类似防洪堤设计提供借鉴经验。