孤山川堤型建設方案與穩(wěn)定性探析

田艷菊,王 彪

(府谷縣水利工作隊， 陜西 榆林 719499)

1 工程概況

本次規(guī)劃府谷縣重點段防洪工程包括府谷縣城廟溝門鎮(zhèn)沙洼右岸段、廟溝門鎮(zhèn)北草焉左岸段、孤山鎮(zhèn)下申家峁左岸段，治理河道長度共計32 000.00 m，工程布置總長度2164.77 m，均為新修墻式護岸。具體建設內容均為：沙洼右岸段新修墻式護岸869.23 m，北草焉左岸段新修墻式堤防516.40 m，下申家峁左岸段新修墻式護岸779.14 m。工程區(qū)涉及人口約1.6萬人[1]，防洪標準為20 a一遇。

2 堤型方案選擇

2.1 堤型擬定

孤山川堤防型式按照因地制宜、就地取材的原則，結合各河段致災原因及已成堤防斷面型式，對灘岸較高易于崩塌的河段采用護坡處理措施，對于地勢較低易受水淹的成片灘地采用堤防工程。

(1)廟溝門鎮(zhèn)沙洼段河道較窄，灘岸較高，且河道兩岸狹窄，易于塌岸，為不擠壓河道行洪斷面，滿足上下游堤防平順銜接，盡量減少占地，擬采用墻式護岸結構。

(2)廟溝門鎮(zhèn)北草焉段河道距沙洼段較近，河道情況基本相同，河道較窄，灘岸較高，兩岸狹窄，易于塌岸，為不擠壓河道行洪斷面，滿足上下游堤防平順銜接，盡量減少占地，擬采用墻式護岸結構。

(3)孤山鎮(zhèn)下申家峁段河道較窄，灘岸較高易于塌岸，為不擠壓河道行洪斷面，滿足上下游堤防平順銜接，盡量減少占地，擬采用墻式護岸結構。

2.2 堤型比選

工程涉及的3處河段河道均較窄，河道橫斷面呈倒梯形，河道兩岸存在明顯的變坡點，原河道主要靠河槽兩岸較陡的堤岸阻擋洪水。治理區(qū)段內堤岸無有效的護岸措施，黃土裸露，抗沖能力差，堤岸防護需采取坡面較陡、抗沖流速大、結構穩(wěn)定的護岸形式。根據工程區(qū)段現(xiàn)實情況，本階段初步擬定采用墻式護岸進行防護，重點比選仰斜式擋墻、衡重式擋墻及懸臂式擋墻護岸三種擋墻型式。

仰斜式擋墻是堤岸防護中常用的一種傳統(tǒng)防護形式，擋墻材料可采用混凝土或漿砌石，具有抗沖刷性能好、施工方便、結構穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點，其特點是土方開挖及回填量?。粚υ械贪痘虻缆酚绊懖淮?；可針對原有堤岸坡度靈活調整墻背坡比，迎水面坡比可調范圍也較大；只要邊坡不存在深層滑動面，仰斜式擋土墻防護高度可達到10 m左右。

衡重式擋墻材料可采用混凝土或漿砌石，具有抗沖刷性能好、結構穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點；缺點是結構斷面變化較多，底部墻背有反坡，墻體施工較為麻煩，墻后回填土壓實度要求較高。衡重式擋土墻防護高度可達到12 m左右。

懸臂式擋土墻構造簡單，結構穩(wěn)定，施工方便，能適應較松軟的地基[2]，墻高一般在6～9 m之間，高度過高時墻背需增加扶助。懸臂式擋土墻對墻背回填土的壓實度要求較高。

比選幾種擋墻，結構均比較穩(wěn)定，施工難易程度基本相當。重力式擋墻結構受力條件較好，但對地基處理要求較高；仰斜式擋墻適用于坡度較陡、不宜大開挖的河堤，且受力條件較好，土方開挖量小；懸臂式擋墻適用于護坡高度較高，具有大開挖條件的河堤。結合工程區(qū)天然骨料分布和當?shù)匾延械谭赖慕ㄖ问?，綜合比較，本次3鎮(zhèn)3段防洪工程堤型均采用仰斜式漿砌石式擋墻。

2.3 堤型布置

廟溝門鎮(zhèn)沙洼段治理長度869.23 m，起于居民區(qū)河岸石崖處，與右岸岸坡連接，止于蓄水池、彩鋼房附近，與石陡坎相連接。最短控制堤距為70 m；廟溝門鎮(zhèn)北草焉段治理長度516.40 m。最短控制堤距為70 m；孤山鎮(zhèn)下申家峁段治理長度779.14 m，起于上游石坎，向下游延伸706 m，與左岸石畔連接。最短控制堤距為80 m；三段堤防均采用仰斜式漿砌石重力式擋墻護坡形式?？紤]到一定安全余度及方便施工，工程區(qū)全段堤頂超高統(tǒng)一取1.2 m，各段防洪堤在起終點位置處均與原河堤逐漸過渡，平順連接。

3 沖刷深度計算

本次3段堤防治理按20 a一遇洪水流速對護岸進行沖刷深度計算。根據《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)中的堤岸沖刷計算方法[3]，順壩及平順護岸沖刷深度按式(1)計算：

(1)

式中：hs為局部沖刷深度,m；H0為沖刷處的水深,m；Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；Uc為床面上泥沙的啟動速度,m/s；n與防護岸坡在平面上的形狀有關，取1/4。

Ucp按式(2)計算：

(2)

式中：U為行近流速,m/s；η為水流流速分配不均勻系數(shù)，根據水流流向與岸坡交角確定；堤防工程沖刷相關參數(shù)取值及深度計算結果見表1。

表1 堤防沖刷深度計算結果表

由表1可知，沙洼村段河床最大沖刷深度為2.11 m，北草焉村段河床最大沖刷深度為2.34 m，下申家峁村段河床最大沖刷深度為2.55 m。根據現(xiàn)場實際調查，沙洼村段及北草焉段河床大面積基巖出露，抗沖能力強，河道下切速度很慢；下申家峁段平順段河床實際沖刷深度約0.5～0.8 m，頂沖段沖刷深度約1.2～1.5 m[4]。

根據堤防設計規(guī)范，堤防基礎埋深應滿足沖刷深度以下0.5～1.0 m。結合計算值及地勘調查結果，在滿足沖刷要求的前提下，大部分堤基均能坐落于砂卵石層上，綜合確定，沙洼村段、北草焉村及下申家峁村段堤防基礎埋深不小于1.5 m，斜沖段堤防基礎埋深不小于3.0 m。

4 擋墻穩(wěn)定及計算分析

本次治理三段堤防相應工程等級為4級。擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)見表2，計算參數(shù)見表3。

表2 擋墻計算安全系數(shù)

表3 地基土的物理力學性質指標

4.1 計算方法

(1)擋墻抗滑穩(wěn)定計算

土質地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應按式(3)計算

(3)

式中：Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載,kN；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載,kN。

(2)擋墻抗傾覆穩(wěn)定計算

擋墻抗傾覆穩(wěn)定按式(4)計算

(4)

式中：K0為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

(3)擋墻應力計算

根據《水工擋土墻設計規(guī)范》(SL 379—2007)[5]規(guī)定，擋土墻基底應力應按照式(5)計算

(5)

式中：Pmaxmin為擋土墻基底應力的最大值或最小值,kPa；∑M為作用在擋土墻上的全部荷載對于水平面平行前墻方向形心軸的力矩之和(kN·m)；A為擋土墻基底面的面積,m2；W為擋土墻基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩,m3。

(4)計算斷面及結果

計算斷面從3個河段內分別選取典型斷面，計算斷面墻背回填土按設計最大高度計。計算結果見表4。

表4 計算結果表

根據表4可知，3段防護區(qū)擋墻在各種工況下，抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，各種工況下?lián)鯄Φ幕讘∮诘鼗休d力，擋墻基底應力均沒有出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求。

4.2 滲透及滲流穩(wěn)定性分析

本工程3段防洪堤擋墻均為M7.5漿砌塊石砌筑，墻身布置直徑75 mm排水管，墻后均采用砂礫石回填。沙洼村段、北草焉村段及下申家峁村段堤頂寬度均為4 m。背水堤基本為1∶2反坡與原地面線銜接，局部堤段堤頂與原河岸線相連，擋墻不存在滲透失穩(wěn)問題。

正常擋水時，河道內水位較低，擋墻墻后地下水位線與河道水面基本持平，堤防不存在滲透失穩(wěn)問題。遇設計洪水時，由于擋墻墻背均為砂礫石回填，屬于強透水料，過洪時，墻面水位較高，墻背浸潤線會存在升高現(xiàn)象，但洪水歷時較短，加之墻背填料透水性好，擋墻墻背地下水位線降落不會延遲，擋墻穩(wěn)定不會受到影響。

5 結 語

由于標準不一、堤防不連續(xù)，使得孤山川城廟溝門鎮(zhèn)沙洼右岸段、廟溝門鎮(zhèn)北草焉左岸段、孤山鎮(zhèn)下申家峁左岸段沒有形成防洪體系，為了確保當?shù)胤篮榘踩?，通過堤型選擇和穩(wěn)定性探討，提出三段堤型均采用仰斜式漿砌石重力式擋墻護坡形式，其抗滑抗傾均滿足規(guī)范要求，不存在滲透失穩(wěn)問題，為類似防洪工程建設提供了參考。