線溝河堤堤防設(shè)計(jì)探析

李日芳

(遼寧省江河流域管理局，沈陽(yáng) 110003)

線溝河堤堤防設(shè)計(jì)探析

李日芳

(遼寧省江河流域管理局，沈陽(yáng) 110003)

線溝河為穿越開(kāi)發(fā)區(qū)的一條山洪溝，地形條件復(fù)雜，沿岸村落多，人口多，汛期山地坡度大，流程短，來(lái)勢(shì)兇猛，洪水峰急量大，下游地勢(shì)平坦，受潮水頂托，山洪往往不得以宣泄，對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)的防洪造成較大威脅。目前該流域下游入?？谥粮咚俟窐蚨我堰M(jìn)行了綜合整治，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，文章計(jì)劃對(duì)高速公路橋以上河段進(jìn)行防洪治理，以保證該流域防洪能力有效提升，形成比較完整的防洪體系。

線溝河堤；堤防設(shè)計(jì)；滲流穩(wěn)定；抗滑穩(wěn)定

0 引 言

線溝河為穿越開(kāi)發(fā)區(qū)的一條山洪溝，主流流經(jīng)遼寧鲅魚(yú)圈蘆屯鎮(zhèn)、紅旗鎮(zhèn)兩個(gè)重鎮(zhèn)，地形條件復(fù)雜，汛期山地坡度大，流程短，來(lái)勢(shì)兇猛，洪水峰急量大，下游地勢(shì)平坦，受潮水頂托，山洪往往不得以宣泄，對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)的防洪造成較大威脅。急需整治。

1 堤防橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)治理河段特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地形條件進(jìn)行護(hù)岸工程橫斷面設(shè)計(jì)，護(hù)岸斷面采用漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)型式，護(hù)岸設(shè)計(jì)頂高程為10a一遇洪水位加0.5m超高，設(shè)計(jì)頂寬4.0m，背水坡坡比1:2，堤頂路面結(jié)構(gòu)為瀝青路面，路面以下設(shè)C10混凝土墊層厚100mm，水泥砂礫穩(wěn)定層200mm，山皮石層厚200mm。沿墻背設(shè)直徑0.1mPVC排水管，間距2.0m，排水管后包無(wú)紡布并通常設(shè)置中粗砂替代反濾料。擋土墻頂設(shè)置欄桿，欄桿柱間距3.0m。

2 堤防頂高程的確定

線溝河堤所在區(qū)域汛期盛行西北風(fēng)，即主風(fēng)向?yàn)镾W，根據(jù)規(guī)范要求，本次計(jì)算以主風(fēng)向SW進(jìn)行堤防波浪爬高計(jì)算。

按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，根據(jù)實(shí)際情況，采用不允許越浪式堤防工程。

線溝河堤防等級(jí)為5級(jí)，堤頂高程采用10a一遇設(shè)計(jì)水面線加超高確定。依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286)有關(guān)規(guī)定，堤頂超高應(yīng)為風(fēng)浪爬高加安全加高再加風(fēng)壅增水高度。計(jì)算公式如下：

堤防超高計(jì)算公式：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為堤頂超高，m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度，m；A為安全加高，m，按規(guī)范5級(jí)堤防工程：不允許越浪為0.5m；R為設(shè)計(jì)波浪爬高，m。

其中風(fēng)浪計(jì)算要素按下式確定：

(2)

設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度由以下公式確定：

(3)

式中：e為風(fēng)壅增水高度，m；K為綜合摩阻系數(shù)，可取K=3.6×10-6；β為風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角；其余符號(hào)意義同前。

波浪爬高按下式計(jì)算：

(4)

式中：Rp為累積頻率為p的波浪爬高，m；K△為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)；KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp爬高累積頻率換處系數(shù)，對(duì)不允許越浪的堤防爬高累積頻率取2%。

該工程堤防波浪爬高計(jì)算參數(shù)及成果見(jiàn)表1。

表1 堤頂超高計(jì)算成果表(P=10%)

本次堤頂高程取0.70m。

堤頂高程確定

Z=H+Y

(5)

式中：Z為堤頂高程，m；H為設(shè)計(jì)洪水位，m，10a一遇；Y為設(shè)計(jì)堤頂超高，m。

因此堤頂高程采用設(shè)計(jì)水面線以上加0.70m超高確定。

3 護(hù)岸滲流穩(wěn)定計(jì)算

3.1 滲流計(jì)算

根據(jù)河道沿線工程布置情況，選擇最不利斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，根據(jù)工程的筑堤材料和堤基情況，堤防按不透水地基均質(zhì)土堤計(jì)算浸潤(rùn)線是偏于安全的，所以本工程按下游無(wú)水穩(wěn)定滲流計(jì)算浸潤(rùn)線。計(jì)算如下：

(6)

式中：q為單位寬度滲流量，m3/s·m；k為堤身滲透系數(shù)，m/s；H1為上游水位，m；H2為下游水位，m；h0為下游出逸點(diǎn)高度，m；m1為上游坡坡率，m1=2.5；m2為下游坡坡率，m2=2.0。

聯(lián)立解上面兩方程，得q/k=0.336；h0=0.84

得浸潤(rùn)線計(jì)算式為：

(7)

3.2 滲透穩(wěn)定計(jì)算

1)堤防背水坡滲透坡降J0：

滲出點(diǎn)A點(diǎn)：

(8)

堤坡與不透水面交點(diǎn)B點(diǎn)：

(9)

式中：m2=2.0為背水坡坡率。

2)臨界水力坡降：

(10)

式中：G為土的比重，取G=2.74；e為土的孔隙比；比照勘察試驗(yàn)資料平均最大干容重為1.64g/cm3，5級(jí)堤防壓實(shí)度按規(guī)范取0.91,由此推算e=0.671。

代入公式得ic=1.04，取安全系數(shù)為2.0，則允許水力坡降為：i允=ic/2.0=0.52。

因J0

4 堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算

采用土壩穩(wěn)定分析(圓弧滑動(dòng)條分法)計(jì)算程序，計(jì)算公式如下：

(11)

式中：b為條塊寬度，m；W1為堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為堤坡外水位以下的條塊重力,kN；Z為堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離，m；u為穩(wěn)定滲流期間堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；在本次計(jì)算中，令此項(xiàng)為零而將孔隙水壓力包含在土體重量的計(jì)算之中；β為條塊的重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；γW為水的重度，kN/m3；C′、φ′為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3、°。

堤身采用河道內(nèi)開(kāi)挖土方進(jìn)行堤身填筑，填筑料計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

穩(wěn)定計(jì)算中對(duì)堤兩側(cè)不同水位進(jìn)行組合，臨水側(cè)水位從無(wú)水至設(shè)計(jì)水位高程，背水側(cè)水位按無(wú)水計(jì)算，分別對(duì)臨水側(cè)和背水側(cè)進(jìn)行穩(wěn)定分析。穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 堤防(單式斜坡)段抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表3計(jì)算結(jié)果可知：抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范對(duì)5級(jí)堤防的要求。

5 擋土墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算

主槽采用重力式漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)型式，墻頂高程為3.50m，頂寬0.6m，底寬3.20m，背水面坡比為1∶0.4，迎水面坡比為1∶0.4，前后趾寬均為0.3m，下設(shè)插石墊層灌漿0.2m厚。

5.1 擋土墻運(yùn)用工況

擋土墻運(yùn)用工況按完建期、正常運(yùn)用期、墻前水位驟降1.0m三種運(yùn)用工況考慮。

5.2 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算

重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻后填土為黏土，應(yīng)采用等值內(nèi)摩擦角計(jì)算作用于墻被的主動(dòng)土壓力，地基土承載力特征值fak=90kPa。

擋土墻的抗滑穩(wěn)定按下式計(jì)算：

(12)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和，kN；f為底板與土基之間的摩擦系數(shù)，取0.35。

擋土墻抗傾穩(wěn)定按下式計(jì)算：

(13)

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；MV為抗傾覆力矩，kN·m；MH為傾覆力矩，kN·m。

擋土墻基底壓應(yīng)力按下式計(jì)算：

(14)

表4 擋土墻穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

由上表計(jì)算成果可以看出，擋土墻的抗滑穩(wěn)定、抭傾穩(wěn)定及基底應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)鲅魚(yú)圈線溝河重點(diǎn)山洪溝進(jìn)行防洪治理及堤防設(shè)計(jì)是非常必要的，目前該流域下游入?？谥粮咚俟窐蚨我堰M(jìn)行了綜合整治，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，本次計(jì)劃對(duì)高速公路橋以上河段進(jìn)行防洪治理，以保證該流域防洪能力有效提升，形成比較完整的防洪體系。

[1]朱三華,黎開(kāi)志,劉飛.生態(tài)堤防設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005 (06)：76-77.

[2]梅金煥,王府義.長(zhǎng)江中下游干流堤防設(shè)計(jì)洪水位分析[J].人民長(zhǎng)江，2001(12)：12-14，29.

1007-7596(2017)07-0068-03

2017-06-18

李日芳(1983-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，從事水利管理工作。

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