北分干劉家閘至蒲河景觀路段護(hù)岸工程設(shè)計(jì)綜述

王曉文

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 東港 118300)

1 概 述

北分干位于遼寧沈陽城區(qū)，于2013年、2014年進(jìn)行整治實(shí)施，其中北分干閘至于虎鐵路涵為一期工程，于虎鐵路涵至蒲河濱河路段為二期工程。北分干劉家閘至明星二橋全長960m。現(xiàn)狀渠道兩岸為漿砌石擋墻護(hù)岸結(jié)合草皮護(hù)坡，左岸為民房及沈馬公路，右岸為引水渠和待征遷區(qū)，渠道斷面窄，過流能力不足?，F(xiàn)狀鐵皮橋橋面破損嚴(yán)重，且渠道改造后，該橋跨度不夠，且阻礙渠道過流，無法滿足設(shè)計(jì)排澇流量安全下泄要求。

2 護(hù)岸形式

2.1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式

渠道常見橫斷面形式主要包括梯形橫截面，復(fù)合橫斷面和矩形橫斷面，通常情況下，在條件允許的情況下可以采用梯形斷面或復(fù)合斷面，這樣可以占用更多的土地但可以節(jié)省投資，矩形橫截面用于土地特別困難的地方，可以根據(jù)河流的地形和地質(zhì)條件以及景觀規(guī)劃的要求使用不同的組合。

護(hù)岸工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的總體要求：①斷面符合設(shè)計(jì)流量；②根據(jù)實(shí)際的堤岸坡高和堤岸兩側(cè)堤臺(tái)的狀況確定斷面結(jié)構(gòu)；③為提高河道景觀的生態(tài)效益，選擇既能滿足防洪抗沖要求又能兼顧景觀生態(tài)建設(shè)的河岸保護(hù)型[1]。

2.2 方案比選

2.2.1 自嵌式擋土墻

其優(yōu)點(diǎn)是大多數(shù)組件都是工廠生產(chǎn)的，具有高度的自動(dòng)化集成，外觀規(guī)則，美觀，無需后期裝飾。①柔性結(jié)構(gòu)無需考慮凍脹問題。②維修方便。其缺點(diǎn)為整體性相對(duì)較差，工程進(jìn)度受預(yù)制砌塊產(chǎn)能影響較大，需要一定的坡度，占用部分河道斷面，開挖占地約12000m2。

2.2.2 石籠擋墻護(hù)岸

優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，石籠護(hù)坡具有良好的整體穩(wěn)定性和耐久性，可以長期滿足穩(wěn)定性要求[2]。②施工簡單，無需特殊技術(shù)，可以使用現(xiàn)有的砌體材料節(jié)省成本。③它具有強(qiáng)大的抵抗自然破壞，抗腐蝕和不利天氣影響的能力。它適用于北方的嚴(yán)寒天氣，并且具有很強(qiáng)的抗霜凍性。④可以承受大范圍的變形仍不坍塌。⑤石籠縫隙之間的淤泥有利于植物生長，可與周圍自然環(huán)境融為一體，有利于生態(tài)環(huán)境。⑥它具有良好的滲透性，可以防止靜水壓力造成的損壞。⑦節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用，它可以折疊運(yùn)輸，在現(xiàn)場組裝，并且易于維護(hù)。缺點(diǎn)：①材質(zhì)要求較高，網(wǎng)片若有質(zhì)量缺陷，上銹或斷裂整體穩(wěn)定性將難以達(dá)標(biāo)。②若水中有垃圾漂浮物等則容易掛到網(wǎng)絲不好清理。③可以根據(jù)實(shí)際情況將鋼絲網(wǎng)箱改良為鋼筋籠，可以有效降低該兩種弊端產(chǎn)生的負(fù)面效果。但造價(jià)會(huì)上浮10%左右。④自身占用斷面較大。⑤開挖占地約8600m2。

2.2.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土護(hù)壁樁

優(yōu)點(diǎn)：①耐久性能好。采用C60高性能混凝土，可以滿足本工程結(jié)構(gòu)的耐久性要求。②結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。確保樁端進(jìn)入穩(wěn)定土層，穩(wěn)定性強(qiáng)，同時(shí)可減少傳統(tǒng)施工中軟基處理工程費(fèi)用。③抗凍融、抗腐蝕能力強(qiáng)。④結(jié)構(gòu)垂直，斷面過流能力強(qiáng)，占地少。缺點(diǎn)為成本較高。需要較大機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工。無需開挖，基本不占地。

2.3 方案對(duì)比

綜合以上方案對(duì)比，自嵌式擋土墻投資最省，但整體性差，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土護(hù)壁樁方案投資最大，但占地最少[3]。結(jié)合本工程特點(diǎn)，劉家閘至明星二橋段現(xiàn)狀大部分為房屋侵占河道，且右岸為林斑，無法征占，需在林斑外側(cè)新開挖渠道采取分流措施。在新建暗渠出口至明星二橋段，為減少征占地，且要在冬季施工，避免開挖臨時(shí)占地等問題，本工程需采用預(yù)制鋼筋混凝土樁防護(hù)型式才能解決問題。其他部位封閉老渠道段右岸，則采用投資相對(duì)節(jié)約的固濱籠擋墻護(hù)岸型式與現(xiàn)狀渠道平順銜接。

3 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)新建暗渠出口至明星二橋段渠道采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁護(hù)岸，防護(hù)長度634m；封閉老渠道段采用固濱籠擋墻護(hù)岸，防護(hù)長度48m。

1)新建暗渠出口至明星二橋段河岸防護(hù)為復(fù)式斷面型式，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土護(hù)壁樁護(hù)岸結(jié)合草皮護(hù)坡。護(hù)壁樁邊長400mm、內(nèi)徑為240mm、樁長9m，其中2.5m位于設(shè)計(jì)河底以上。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土護(hù)壁樁共布置一排，采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60F200W6，采用的預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑為10.7mm(低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土用螺旋槽鋼棒)，非預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑為18mm(三級(jí)鋼)，端板(Q235B鋼)厚度為20mm，螺旋筋直徑為5mm(冷拔低碳鋼絲)，螺旋筋加密區(qū)間距為45mm，非加密區(qū)間距為80mm。樁兩端2m范圍內(nèi)為加密區(qū)。樁頂以上岸坡設(shè)計(jì)坡比1∶1.5，坡面播撒草籽。樁頂以上岸坡設(shè)計(jì)坡比1∶1.5，坡面播撒草籽。

2)老渠道封閉段右岸采用固濱籠擋墻護(hù)岸，與下游渠道平順銜接。固濱籠擋墻迎水面為階梯型結(jié)構(gòu)，共 4 層，河底以下一層，固濱籠單體尺寸為 2m×1m×1.5m(長×寬× 高，下同)，河底以上 3 層，固濱籠單體尺寸由上至下依次為 2m×1m×1m、1.5m×1m×1m和 2m×1m×1m。在固濱籠擋墻背水側(cè)及底部鋪設(shè)土工布(400g/m2)。

3.1 沖刷深度計(jì)算

計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中局部沖刷深公式進(jìn)行計(jì)算[4-5]。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處水深，m；U為行近流速，m/s；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s;Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=0.25；η為水流流速不均勻系數(shù)，取1；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3，γs取17.7kN/m3、γ取9.8kN/m3；d50為床沙的中值粒徑，取0.1mm。

經(jīng)計(jì)算得沖刷深度如表1所示，基礎(chǔ)埋深應(yīng)綜合地形、地質(zhì)、沖刷深度、凍土深度，同時(shí)還應(yīng)滿足地基穩(wěn)定要求，故本次工程基礎(chǔ)埋深均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

表1 沖刷深度計(jì)算成果表(P=10%)

3.2 預(yù)制鋼筋混凝土護(hù)壁樁穩(wěn)定計(jì)算

護(hù)壁樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、整體穩(wěn)定及嵌固深度均采用了北京理正深基坑支護(hù)軟件7.0PB5進(jìn)行計(jì)算[6]。護(hù)壁樁計(jì)算截面均換算成等剛度C30鋼筋混凝土樁支護(hù)形式進(jìn)行計(jì)算。支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，內(nèi)力采用增量法進(jìn)行計(jì)算。

壁樁穩(wěn)定計(jì)算：計(jì)算斷面采用北分干樁號(hào)G3+092標(biāo)準(zhǔn)斷面為典型計(jì)算斷面。計(jì)算模式：本次設(shè)計(jì)9m長護(hù)壁樁，地下嵌固深度6.5m，外露2.5m。背水側(cè)填土高度為2.7m，土坡為1∶1.5。岸頂無恒荷載及活荷載。土層參數(shù)均按原狀土參數(shù)。內(nèi)側(cè)降水按設(shè)計(jì)河底進(jìn)行計(jì)算。

地勘根據(jù)實(shí)際地勘數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,次設(shè)計(jì)9.0m護(hù)壁樁設(shè)計(jì)截面受彎承載力設(shè)計(jì)值為161kN·m，受剪承載力設(shè)計(jì)值為161kN，均滿足彎矩及剪力要求。

3.3 整體穩(wěn)定計(jì)算

有效應(yīng)力法條分法中的土條寬度:1.00m滑裂面數(shù)據(jù)圓弧半徑(m)R=14.291圓心坐標(biāo)X(m)X=0.415圓心坐標(biāo)Y(m)Y=7.791，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.634>1.35,滿足規(guī)范要求。

抗傾覆(對(duì)支護(hù)底取矩)穩(wěn)定性驗(yàn)算：

(4)

式中：Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩,對(duì)于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定；對(duì)于錨桿或錨索，支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值[7-9]。

(5)

式中：Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

Kov=1.317>=1.200,滿足規(guī)范抗傾覆要求。

嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算：

Ps=239.904≤Ep=322.455

(6)

式中：Ps為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力，kN；Ep為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的被動(dòng)土壓力合力，kN。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果顯示本次預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土護(hù)壁樁設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.4 固濱籠擋墻穩(wěn)定計(jì)算

本工程固濱籠擋墻高度為3.0m?？紤]可能出現(xiàn)的最不利工況并分析其穩(wěn)定性，具體計(jì)算工況見表2。

表2 工況匯總表

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)、基底應(yīng)力計(jì)算公式如下：

(7)

式中：KC為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；K0為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；P為擋土墻基底應(yīng)力，kPa；Φ為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑M為作用在擋土墻上全部荷載對(duì)于水平面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和，kN·m；∑MV為對(duì)擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對(duì)擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m；A為擋土墻基底面的面積，m2；W為擋土墻基底面對(duì)于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩，m3。

計(jì)算采用《理正擋土墻設(shè)計(jì)軟件》，固濱籠擋土墻計(jì)算參數(shù)見表3，計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 固濱籠擋土墻穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

表4 固濱籠擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，本次設(shè)計(jì)的固濱籠擋墻結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定要求。

4 結(jié) 語

本工程是以河道為主線的水系治理工程，以防洪排澇為主，主要為解決沈陽市排水防澇問題，通過對(duì)北分干劉家閘至蒲河景觀路橋段河道進(jìn)行綜合整治，有效提高北分干劉家閘下游段排澇能力，緩解城市內(nèi)澇。