溧江河桃溪段河道治理工程設(shè)計探究

趙金蓮

(新干縣窯里水庫管理局，江西 新干 331300)

1 工程概況

溧江系贛江中游右岸一級支流。流域位于吉安市北部，發(fā)源于豐城市石江鄉(xiāng)坳上，位于E115°45′，N27°48′。由東北向西南，流經(jīng)豐城市的上舍、蜜蜂街進(jìn)入吉安市境內(nèi)，再經(jīng)新干縣窯里水庫、桃溪鄉(xiāng)，潭丘鄉(xiāng)、峽江縣，再折向北流經(jīng)水邊鎮(zhèn)，于新干溧江鄉(xiāng)的陳家從右岸匯入贛江，溧江全流域面213km2，主河道長度 36.4km，主河道縱比降 3.7‰。溧江由于河道坡降大，山洪暴發(fā)時洪水暴漲暴落，洪水沖刷力強(qiáng)。

根據(jù)沿河兩岸沖刷破壞的嚴(yán)重程度；河岸崩岸、農(nóng)田沖毀的位置；保護(hù)圩鎮(zhèn)、村莊的范圍，確定本次設(shè)計河道治理段如下：溧江河橫江村組段、桃溪村組段、板埠村組段、城頭村組段和溧源村組段，本次工程河道綜合治理總長 16.796km。存在的主要問題有：①河床淤積較嚴(yán)重；②河道迎流頂沖處較多，岸坡抗沖刷能力較差；③原有護(hù)岸標(biāo)準(zhǔn)低，老化嚴(yán)重，不能正常運行，影響防洪安全[1]。

2 護(hù)岸斷面設(shè)計

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)要求，防護(hù)工程頂部應(yīng)與灘面持平或略高于灘面。并力求頂部表面平順。河岸防護(hù)工程的護(hù)腳延伸范圍為：

1)在深泓逼岸段應(yīng)延伸至深泓線，并滿足河床最大沖刷深度的要求；

2)在水流平順段可護(hù)至坡度為1∶3-1∶4的緩坡河床處；

3)堤岸防護(hù)工程的護(hù)腳工程頂部平臺應(yīng)高于枯水位0.5-1.0m。

本工程主要為護(hù)岸工程，未新建堤防，綜合河岸工程地質(zhì)及現(xiàn)狀實測河岸(塌岸)坡比及岸邊農(nóng)田、村鎮(zhèn)、旅游區(qū)分布情況，分別采用以下四種護(hù)岸型式為:漿砌石擋墻護(hù)岸、混凝土預(yù)制塊護(hù)坡、干砌石護(hù)坡、草皮護(hù)坡。

2.1 漿砌石擋墻護(hù)岸斷面設(shè)計

本工程重力護(hù)岸主要布置在險工險段、橋梁上下游一定范圍內(nèi)、濱河公路段和傍河房屋密集段，采用漿砌石擋墻護(hù)岸。溧江屬山區(qū)河流，山洪暴發(fā)時水流速度快，洪水沖刷力強(qiáng)。為防止水流沖刷河堤岸腳，險工險段、橋梁上下游一定范圍內(nèi)、濱河公路段和傍河房屋密集段護(hù)岸削坡時危及岸坡穩(wěn)定安全并確保堤岸、岸灘穩(wěn)定，需采取M7.5漿砌石擋墻齒腳護(hù)岸，以增強(qiáng)河岸的穩(wěn)定[2]。

對河道坡降大的主流迎流頂沖、崩岸段結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗并考慮公路濱臨河道無法放坡削岸等因素，采用漿砌石擋墻護(hù)岸，斷面型式為重力式擋墻或仰斜式擋墻。重力式擋墻頂寬50cm，迎水面垂直，背水面坡比為1∶0.3，墻高2.5-3.0m，基礎(chǔ)持力層為砂卵石層，深入河床沖刷線以下1.0m，每10m設(shè)一沉降縫，縫內(nèi)填閉孔泡沫板；仰斜式擋墻頂寬50cm，迎水面坡比1∶0.5，背水面坡比為1∶0.3，墻高2.5-3.5m，基礎(chǔ)持力層為砂卵石層，深入河床沖刷線以下1.0m，每10m設(shè)一沉降縫，縫內(nèi)填閉孔泡沫板。

本工程現(xiàn)有漿砌石擋墻護(hù)岸0.834km；其中樁號TK12+475-TK12+610段漿砌石擋墻護(hù)岸，長0.135km現(xiàn)狀良好，予以保留，對其他河段現(xiàn)有老化損壞的漿砌石護(hù)岸采用漿砌石進(jìn)行加固修復(fù)。加固修復(fù)現(xiàn)有漿砌石擋墻護(hù)岸長0.699km。

2.2 混凝土預(yù)制塊護(hù)坡斷面設(shè)計

本次設(shè)計對邊坡較緩且靠近村莊河岸采用15混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。

本次設(shè)計針對險情情況，對臨水坡易沖刷堤段需對其進(jìn)行混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。混凝土預(yù)制塊采用六角形板邊長30cm，其混凝土標(biāo)號為C15。

混凝土預(yù)制板護(hù)坡厚度按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL189—2013)附錄A推薦的公式計算：

(1)

式中：η為系數(shù)，對整體式大塊護(hù)面板取1.0，對裝配式護(hù)面板取1.1；hp為波高，m；Lm為平均波長，m；b為沿壩坡方向板長，取1.0m；ρc為板的密度，取2.4t/m3；ρw水的密度，取1.0t/m3；m為坡度系數(shù)，取2.5。

經(jīng)計算t=9.1cm，參考類似工程10-20cm，上游壩坡預(yù)制塊護(hù)坡厚度取10cm，混凝土預(yù)制板下設(shè)碎石、卵(礫)石、砂料、墊層厚10cm。

護(hù)岸設(shè)計依據(jù)《長江中下游護(hù)岸工程技術(shù)規(guī)定》(試行)、《堤防工程設(shè)計規(guī)范》及我院實測水下地形圖等進(jìn)行。由于迎流頂沖、急流傍岸等原因形成的逼近岸腳的陡岸，需采取防護(hù)措施。根據(jù)工程現(xiàn)狀存在的問題，對迎流頂沖、急流傍岸等原因形成的直接危及安全的陡岸河段，一般采用平順護(hù)岸的形式進(jìn)行處理，采用C15混凝土齒腳上接混凝土預(yù)制塊護(hù)坡處理，C15混凝土齒腳頂高程與河床設(shè)計高程持平，齒腳頂寬0.5m，高0.8m，墻頂以上接0.1m厚混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，預(yù)制塊護(hù)坡底下為0.1m厚砂礫料墊層，護(hù)坡坡比為1∶1.5，坡頂為0.8m寬混凝土壓頂，護(hù)坡頂部高程平河岸高程，并力求平順。

2.3 干砌石護(hù)坡斷面設(shè)計

本次設(shè)計對迎流頂沖河岸和地質(zhì)條件較差的河岸采用干砌石護(hù)坡。

護(hù)岸厚度設(shè)計及選用：溧江河蜿蜒曲折，在河道凹岸，形成迎流頂沖。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和實測資料分析，溧江河兩岸共有迎流頂沖險段22處，長3.485km。塊石須選用新鮮完整、無風(fēng)化的塊石進(jìn)行護(hù)坡，下設(shè)砂卵石墊層，墊層厚0.10m。

河岸護(hù)坡所需塊石粒徑及護(hù)坡厚度按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)的有關(guān)公式:(塊石在最大局部波壓下所需的換算直徑、質(zhì)量、平均粒徑、平均質(zhì)量和護(hù)坡厚度為)計算。

(2)

式中：D為石塊換算成球形的直徑，m；D50為石塊的平均粒徑，m；Q為石塊的質(zhì)量，t；Q50為石塊的平均質(zhì)量，t；pω為水的密度，取1.0t/m3；pi為塊石的密度，取2.2t/m3；Lm為平均波長，m；hp為累積頻率為5%的波高，m；m為護(hù)坡坡率，m=2.0；Kt為隨坡率變化的系數(shù)，取Kt=1.3。

經(jīng)計算后，參考類似工程干砌石護(hù)坡的厚度選用30cm。本次設(shè)計采用C15混凝土齒腳上接干砌石護(hù)坡處理，C15混凝土齒腳頂高程與河床設(shè)計高程持平，齒腳頂寬0.5m，底寬0.86m，高1.0m，墻頂以上接0.4m厚干砌石護(hù)坡，干砌石護(hù)坡底下為0.1m厚砂礫料墊層，護(hù)坡坡比為1∶1.5，坡頂為0.75m寬0.1m厚混凝土壓頂，護(hù)坡頂部高程與河岸高程持平，并力求平順[3]。

本工程現(xiàn)有干砌石護(hù)坡0.356km，位于樁號TK10+184-TK10+540段右岸的干砌石護(hù)坡，現(xiàn)狀良好，予以保留。

2.4 草皮護(hù)坡斷面設(shè)計

對清淤河段進(jìn)行坡比1∶2.5整坡后鋪設(shè)草皮護(hù)坡，坡比緩于1∶2.5的保持現(xiàn)狀，頂高程為河岸高程。

3 護(hù)岸工程設(shè)計計算

3.1 基礎(chǔ)沖刷深度計算

堤岸沖刷深度的計算，按照規(guī)范《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286—2013)并參考相關(guān)文獻(xiàn)計算。

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷可按下式計算：

(3)

經(jīng)計算hB=0.88m，取整為1.0m，根據(jù)以上計算成果，水流彎段最大沖刷坑深度為0.88m，參照相關(guān)工程經(jīng)驗，混凝土齒腳采用C15現(xiàn)澆混凝土，埋深1.0m，其埋深大于最大沖刷深度，滿足堤腳抗沖刷要求。設(shè)計漿砌石擋墻基礎(chǔ)埋深取1m，墻前回填塊石護(hù)腳。即護(hù)岸基礎(chǔ)應(yīng)深入河床面以下1.0m。

3.2 邊坡穩(wěn)定計算

3.2.1 計算法

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，堤防整體抗滑穩(wěn)定計算采用瑞典圓弧滑動法，計算簡圖見圖1。土堤堤坡穩(wěn)定計算方法由于對土體抗剪強(qiáng)度計算方法的不同，分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。

1)總應(yīng)力法：

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

(4)

水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

(5)

W=W1+W2+γWZB

(6)

圖1 圓弧滑動法計算簡圖

2)有效應(yīng)力法：

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

(7)

式中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，W=W1+W2+γWZb，KN；W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為在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的距離，m；u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；u1為水位降落前堤身的孔隙壓力，kPa；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；γW為水的重度，kN/m3；cu，φu為直剪儀快剪或三軸儀不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3，°；Ccu，φcu為直剪儀固結(jié)快剪或三軸儀固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3，°；C′，φ′為直剪儀慢剪或三軸儀固結(jié)排水剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3，°。

3.2.2 計算參數(shù)

水：r水=10kN/m3，壤土料：r=18.1kN/m3，r浮=10.0kN/m3，等值內(nèi)摩擦角φ=19°。

設(shè)計斷面穩(wěn)定計算設(shè)計邊坡穩(wěn)定計算時，選擇TK0+800斷面進(jìn)行計算。計算程序采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編制的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)》進(jìn)行。設(shè)計斷面邊坡整體穩(wěn)定計算結(jié)果見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

從表1可以看出，各工況均大于規(guī)范規(guī)定的允許最小安全系數(shù)，故整體抗滑穩(wěn)定是滿足要求的。TK0+800段岸坡施工期穩(wěn)定計算成果圖見圖2，TK0+800段岸坡高水位穩(wěn)定計算成果見圖3。

圖2 TK0+800段岸坡施工期穩(wěn)定計算成果圖

圖3 TK0+800段岸坡高水位穩(wěn)定計算成果

3.3 擋墻穩(wěn)定及應(yīng)力計算

3.3.1 計算公式

按《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》(SL379-2007)擋土墻穩(wěn)定計算公式如圖4所示。

1)擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按規(guī)范式6.3.5-1計算:

(8)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為作用在墻體上全部垂直力總和，kN；∑P為作用在墻體上全部水平力總和，kN；f為底板與堤基之間的摩擦系數(shù)。

2)擋土墻的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按規(guī)范式6.4.1計算：

(9)

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為作用在墻體上全部垂直力總和，kN·m；∑MH為作用在墻體上全部水平力總和，kN·m。

3)擋土墻的基底壓應(yīng)力按下式計算：

(10)

式中：σmax、min為基底最大和最小壓應(yīng)力；∑G為垂直荷載，kN；A為底板面積，m2；∑M為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；∑W為底板的截面系數(shù)，m3。

3.3.2 計算工況

工況1：施工期完建情況，墻前無水。

工況2：常水位運行情況，墻前為常水位。

工況3：設(shè)計洪水運用情況，墻前為設(shè)計水位。

3.3.3 計算斷面

各型式防洪墻計算斷面選取最大的斷面進(jìn)行計算，本次選取的計算斷面簡圖如下：

(a)重力式擋墻結(jié)構(gòu)計算典型斷面圖 (b)仰斜式擋墻結(jié)構(gòu)計算典型斷面圖

3.4 計算成果

計算采用理正擋土墻計算軟件進(jìn)行計算。計算結(jié)果見表2、表3。

表2 荷載組合

表3 防洪擋土墻穩(wěn)定計算成果表

續(xù)表3 防洪擋土墻穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》(SL379-2007)規(guī)定，以上四種斷面型式，抗滑Kc和抗傾Ko的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

溧江河桃溪段河道治理工程的實施，能夠恢復(fù)河道原有功能、保持河勢穩(wěn)定和河道行洪暢通，是區(qū)域行洪、排澇的需要，可確保兩岸人民的生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展；同時，項目的實施可使項目區(qū)內(nèi)水體進(jìn)出暢通，增加了沿線區(qū)域水環(huán)境容量、改善了沿線區(qū)域水環(huán)境、提高了對周圍區(qū)域的灌溉能力，對改善水環(huán)境、提高水資源利用十分有利，可恢復(fù)河道原有的河暢、水清、岸綠、景美的狀態(tài)。