某擬建復(fù)合式河堤擋墻及邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析

麥麥提·阿吉吾布力

（喀什水文勘測局，新疆 喀什844000）

1 工程概況

某擬建堤防工程位于長江右岸的二級支流水尾河兩岸，堤防布置在場鎮(zhèn)段左右岸，保護(hù)對象為堤防后側(cè)的場鎮(zhèn)和耕地，保護(hù)區(qū)面積0.15km2，保護(hù)人口0.3萬人，河段綜合治理長度1km。水尾河流域面積583.7km2，河長80km。

根據(jù)前期規(guī)劃，并結(jié)合該場鎮(zhèn)防洪實(shí)際情況，水尾河防洪治理工程新建堤防總長1893.5m，左岸新建堤防總長1020m，右岸新建堤防總長873.5m。根據(jù)GB50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的規(guī)定，結(jié)合區(qū)域防洪規(guī)劃及防護(hù)對象的范圍和重要性，確定本防洪治理工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水，保護(hù)區(qū)排澇洪水標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇，同時(shí)確定堤防工程級別為5級，其主要建筑物按5級設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級設(shè)計(jì)。

工區(qū)內(nèi)無大斷層發(fā)育，區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動主要表現(xiàn)為大面積間歇性上升，工區(qū)附近上升顯著，新構(gòu)造運(yùn)動在區(qū)內(nèi)的活動具有持續(xù)性，晚近期仍有活動，屬相對穩(wěn)定區(qū)。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)深大斷裂活動存在，并遠(yuǎn)離地震帶，地震效應(yīng)主要受外圍地區(qū)中、強(qiáng)地震波及的影響，影響烈度均較小。據(jù)GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單，工程區(qū)50年超越概率10%地震動峰值加速度值為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為6°，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

2 堤型設(shè)計(jì)方案比選

在工程初步設(shè)計(jì)階段，對水尾河防洪治理工程的堤型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了系統(tǒng)比選。初步擬定了復(fù)合式和衡重式、斜坡式3種堤型進(jìn)行比較[2-4]，并以典型斷面左0+810.10為代表進(jìn)行比選。

2.1 復(fù)合式堤型

復(fù)合式堤型下部為仰斜式擋墻，擋墻頂寬0.5m，墻高3m， 迎水面邊坡1∶0.4， 背坡坡比1∶0.1， 擋墻設(shè)0.5m寬，0.5m高墻趾，墻底寬1.7m，墻身采用M10漿砌塊石，擋墻基礎(chǔ)置于沖刷深度0.5m以下，擋墻基礎(chǔ)采用0.5～1m高的石渣料進(jìn)行碾壓回填，上部采用1m高的大塊石進(jìn)行護(hù)腳，大塊石直徑大于30cm。馬道高程按2年一遇洪水加高50cm進(jìn)行設(shè)計(jì)，馬道寬2.0m，路面采用12cm厚C20混凝土，下鋪10cm厚碎石墊層，馬道距堤頂垂直高度2m。馬道以上采用C20混凝土框格梁草皮護(hù)坡，迎水面坡比1∶1.75，堤身采用石渣料碾壓填筑，干密度不小于1.9g/cm3，堤背坡填筑坡比1∶1.75。堤頂寬度3.0m，臨水側(cè)設(shè)置1.2m高金屬欄桿，堤頂路面采用20cm厚C20混凝土硬化，下鋪20cm厚碎石墊層，堤頂外側(cè)設(shè)置C15混凝土路沿石。堤防修建時(shí)必須清除其表層腐殖土及淤泥部分。堤腳基坑臨河側(cè)采用石渣回填和大塊石護(hù)腳。

2.2 衡重式堤型

衡重式堤型墻身采用M10漿砌塊石，墻高5.3m，墻頂寬0.6m，迎水面邊坡1∶0.1，背水面邊坡上坡1∶0.25，下坡1∶0.35，衡重臺寬1.0m。 擋墻設(shè)50cm寬、60cm高墻趾，墻底寬2.22m；墻后采用石渣碾壓填筑，干密度不小于1.9g/cm3。堤頂總寬3.0m，臨水側(cè)設(shè)置金屬欄桿，路面采用20cm厚C20混凝土硬化，下鋪20cm厚碎石墊層。墻后背坡填筑坡度1∶1.75，堤后回填至堤頂高程。擋墻基礎(chǔ)置于基巖弱風(fēng)化層上，堤腳采用石渣回填及大塊石護(hù)腳。

2.3 斜坡式堤型

斜坡式堤型堤頂寬度3.0m，迎水側(cè)采用1.2m金屬欄桿，堤頂路面采用20cm厚C20混凝土，堤頂外側(cè)設(shè)置C15混凝土路沿石。馬道高程按2年一遇洪水加高50cm進(jìn)行設(shè)計(jì)，寬2.0m，路面采用12cm厚C20混凝土，下鋪10cm厚碎石墊層，馬道距堤頂垂直高度2m。馬道以上采用C20混凝土框格梁草皮護(hù)坡，迎水面坡比為1∶1.75，堤身采用石渣料碾壓填筑，干密度不小于1.9g/cm3，堤背坡填筑坡比1∶1.75。馬道以下為20cm厚C20混凝土面板，坡比1∶1.75，下鋪5cm厚M10砂漿墊層。坡腳設(shè)C15混凝土齒墻，尺寸50cm×60cm（長×高），面板設(shè)75mmPVC排水管，堤腳采用石渣回填及大塊石護(hù)腳。

通過對上述3種不同堤型進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸擬定和工程量計(jì)算，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1。

表1 不同堤型方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

續(xù)表1

2.3.1 復(fù)合式堤型

復(fù)合式堤型建筑工程總投資769萬元，投資與斜坡式相差不大，結(jié)合城區(qū)規(guī)劃用地要求，根據(jù)堤線布置，不會侵占河道行洪斷面，能夠確保河道行洪安全，且方便施工。

2.3.2 衡重式堤型

從建筑投資上看，衡重式堤型建筑工程總投資1121萬元，高于復(fù)合式堤型、斜坡式堤型主要建筑投資，經(jīng)濟(jì)性不高，且后期施工開挖大，開挖邊坡較高，安全性也不高。

2.3.3 斜坡式堤型

斜坡式堤型建筑工程總投資756萬元，投資較少，但工程河段用地較緊張，斜坡式方案工程占地20.17m，坡比1∶1.75，坡腳已放置河道中心，嚴(yán)重侵占大石河的行洪斷面，不利于施工安全。

綜合比較，各堤型方案各有其特點(diǎn)和優(yōu)劣，從工程量、占地、施工及投資等各方面綜合分析，并結(jié)合城區(qū)建設(shè)規(guī)劃，本堤防工程最終推薦采用復(fù)合式堤型為宜。

3 穩(wěn)定計(jì)算方法及參數(shù)

3.1 計(jì)算方法

本次擋墻各項(xiàng)穩(wěn)定指標(biāo)的計(jì)算公式采用GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)規(guī)范要求，堤防工程相關(guān)穩(wěn)定計(jì)算的內(nèi)容包括：擋墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算、基底壓應(yīng)力計(jì)算及堤防整體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算[5-9]。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，水尾河防洪治理工程堤基巖土體主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值如表2。

表2 巖土物理力學(xué)指標(biāo)建議值

4 穩(wěn)定計(jì)算分析

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況，仰斜式擋墻基礎(chǔ)置于較密實(shí)的粉質(zhì)黏土上。本堤防工程斷面樁號左0+810.10斷面堤后填筑量較大，故采用樁號左0+810.10斷面作為典型斷面進(jìn)行仰斜式擋墻和堤防整體穩(wěn)定計(jì)算。

4.1 仰斜式擋墻穩(wěn)定計(jì)算

本工程計(jì)算項(xiàng)目包括擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定及擋墻基底壓應(yīng)力，工況分為施工完建期、設(shè)計(jì)洪水期和水位驟降期，其中水位驟降期設(shè)置為設(shè)計(jì)洪水位驟降至馬道高程。仰斜式擋墻計(jì)算成果如表3。

表3 仰斜式擋墻穩(wěn)定計(jì)算成果

分析可知，該堤防工程設(shè)計(jì)的復(fù)合式堤型馬道以下仰斜式擋墻的抗滑穩(wěn)定系數(shù)（Kc）和抗傾穩(wěn)定系數(shù)（K0）在3種不同運(yùn)行工況下均大于規(guī)范最小值要求。地基壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明在設(shè)計(jì)洪水期時(shí)仰斜式擋墻地基所受最大壓應(yīng)力0.088MPa，小于地基的允許承載力0.14MPa，說明擋墻基礎(chǔ)建在密實(shí)的粉質(zhì)黏土上可滿足要求。

計(jì)算結(jié)果表明，大石堤防設(shè)計(jì)滿足規(guī)范規(guī)定的抗滑和抗傾穩(wěn)定要求，在各種工況下均能正常運(yùn)行。

4.2 復(fù)合式堤整體穩(wěn)定計(jì)算

結(jié)合本工程實(shí)際情況，堤防整體穩(wěn)定計(jì)算包含正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行。

計(jì)算斷面采用樁號左0+810.10進(jìn)行分析。為便于建模，對模型邊界進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?/p>

本次計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室《Autobank》[10]軟件進(jìn)行，具體計(jì)算結(jié)果如表4，復(fù)合式堤型整體穩(wěn)定計(jì)算如圖1。

表4 復(fù)合式堤防整體穩(wěn)定計(jì)算成果

圖1 復(fù)合式堤型整體穩(wěn)定計(jì)算

由表4可知，在3種不同運(yùn)行工況下復(fù)合式堤防的整體設(shè)計(jì)安全系數(shù)均大于5級堤防的最小允許值，最小設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.245，出現(xiàn)在水位驟降工況。

5 結(jié)語

（1）以水尾河防洪治理工程為例，從工程量、占地、施工及投資等各方面綜合考慮，在初步擬定的復(fù)合式和衡重式、斜坡式3種堤型3種方案中擇優(yōu)選取復(fù)合式堤型（仰斜式擋墻基礎(chǔ)）作為該工程的推薦堤型。

（2）同時(shí)基于極限平衡基本理論，并結(jié)合GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，對本工程涉及的仰斜式擋墻的抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、地基最大壓應(yīng)力及堤防的整體穩(wěn)定進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算分析，在各運(yùn)行工況下，仰斜式擋墻的抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，地基最大壓應(yīng)力小于地基允許承載力，復(fù)合式堤防的整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。綜合說明本防洪治理工程采用復(fù)合式堤型（仰斜式擋墻基礎(chǔ)）作為推薦堤型是合理的。