直立式空箱結構在堤防達標工程中的應用

李 昱，吳人杰，孫 文，陳君儀

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及區(qū)域防洪規(guī)劃的相關調(diào)整，部分河道沿線堤防建設已經(jīng)不能滿足城市防洪規(guī)劃設計的標準，且部分區(qū)域堤防建設相對滯后，防洪包圍圈未有效封閉，可能威脅城市的防洪安全。為了解決上述問題，各區(qū)域重要河道先后開展堤防達標建設工程，如大運河(蘇州段)堤防達標建設等。河道建設戰(zhàn)線較長，區(qū)域現(xiàn)狀不同，采用的堤防建設方案也不同。對于現(xiàn)有護岸建設較好、現(xiàn)狀高程低于設計防洪高程的河段，可采用加高培厚堤防或增設防洪墻的方式進行堤防達標建設。

現(xiàn)有護岸多按照現(xiàn)狀邊界條件進行設計，在堤后進行培土加高增加了荷載，現(xiàn)有結構的穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范設計的要求，特別是局部征地受限段，缺乏后退筑堤的條件，無法采用該方式進行堤防建設；新建防洪墻的方案能有效降低新增荷載，但是考慮到現(xiàn)有堤防達標建設往往結合防汛道路共同建設，對于特殊區(qū)段并不能完全適用。

文章針對武澄錫虞中片沿江排水河道治理工程中現(xiàn)狀堤防加固中遇到的問題，針對性地提出直立式空箱結構的堤防加固方案，既減小了現(xiàn)有護岸后的附加荷載，保障了堤防的整體穩(wěn)定性及安全性，又為今后河道工程堤防達標建設的型式提出了新思路，具有重要的推廣意義與價值。

1 工程概況

白屈港位于武澄錫虞區(qū)中部，為區(qū)域南北向骨干通江引排河道，是一輪治太十一項骨干工程“武澄錫引排工程”的重要組成部分。武澄錫虞中片沿江排水河道治理工程充分利用白屈港現(xiàn)有工程，北起長江，入江段以北疏浚閘站樞紐段河道，并利用套閘段現(xiàn)狀河道，入江段以南利用現(xiàn)有河道疏(拓)浚至錫北運河；與錫北運河交匯處新建張村水利樞紐，由穿錫北運河立交地涵、立交北涵首頂部與錫北運河平交的節(jié)制閘組成；立交地涵南側平地開河連接寺頭港，并于運東大包圍嚴埭港樞紐南側連接嚴埭港，利用錫北運河以南的嚴埭港和寺頭港分別疏(拓)浚至北興塘河、木材倉庫河，河道整治工程全長49.23km，途徑無錫市江陰市、惠山區(qū)、錫山區(qū)及梁溪區(qū)。

北惠路—堰新路段河道位于界河—錫北運河段，該段河道西側現(xiàn)有護岸較好，除姑亭廟閘站翼墻區(qū)域外，沿線堤防已達標。本次工程未對防洪圈進行封閉，對該區(qū)域進行局部堤防達標建設。文章針對土堤加高培厚及直立式空箱兩種堤防加固型式進行研究對比，并對現(xiàn)狀護岸的穩(wěn)定性進行復核計算，最終選取合適的方式進行堤防達標建設。

2 堤防加固方案設計

2.1 方法和思路

姑亭廟閘站上下游銜接段設計標準斷面如圖1所示?？紤]到與上下游設計斷面的銜接，初步考慮采用方案一土堤加高培厚和方案二新建直立式空箱兩種型式，文章針對兩種不同的堤防達標型式的結構內(nèi)力和工程造價分別進行計算分析，最終選用最優(yōu)方案。

圖1 姑亭廟閘站上下游銜接段標準斷面(水位單位：m；尺寸單位：cm)

原擋墻的自身穩(wěn)定及造價采用自編Excel表格進行計算，整體邊坡穩(wěn)定采用河海大學AutoBank軟件進行計算。

2.2 計算假定及邊界條件

(1)堤防等級為二級，堤頂寬度為6m，兩側接坡按1∶2考慮，堤頂高程為6.5m(吳淞高程，下同)。

(2)擋墻穩(wěn)定計算是在各土層土質均勻的前提下進行的。

(3)土堤加高培厚覆土及直立式空箱結構自重均按附加荷載考慮，人行步道荷載暫按5kN/m考慮。

(4)河道施工采用干河圍堰預降水位的方式，施工最不利工況為墻前水位1.0m，墻后水位4.0m。

2.3 計算荷載的選取

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，擋墻主要承受的水平荷載為水壓力、土壓力(包括附加荷載作用產(chǎn)生的)等；豎向力主要有結構自重、揚壓力等。

2.4 設計方案介紹

(1)方案一土堤加高培厚

考慮到距離現(xiàn)狀廠區(qū)較近，設計范圍較小(僅8m)，如采取兩側放坡的型式，至少影響范圍為10m，綜合考慮墻體的結構穩(wěn)定以及實施范圍的限制，擬采用兩側擋土墻，中間筑堤的方案，如圖2所示。

圖2 方案一示意圖(水位單位：m；尺寸單位：cm)

(2)方案二：新建直立式空箱

考慮到步道寬度及方案的可比性，直立式空箱結構凈寬定為6m，中間設置支墩一道，方案如圖3所示。

圖3 方案二示意圖(水位單位：m；尺寸單位：cm)

2.5 計算結果分析

(1)結構內(nèi)力

墻后附加荷載主要對墻體的抗滑穩(wěn)定以及整體邊坡穩(wěn)定影響最為明顯，墻后填土按回填土考慮，等效內(nèi)摩擦角為30°，計算結果見表1。

表1 穩(wěn)定計算匯總表

根據(jù)上表可知，兩個方案的整體穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，抗滑安全系數(shù)方案二滿足要求，方案一不滿足。這主要是因為附加荷載距離墻體較近，附加荷載對擋墻產(chǎn)生的水平力較大，根據(jù)抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算公式，本身墻體自重相同，水平力越大，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)越小。由于直立式空箱結構中間沒有填土，整體附加荷載較小，對老擋墻的穩(wěn)定更為有利。

從表1可以看出，不同的附加荷載對整體邊坡穩(wěn)定影響較小，說明現(xiàn)狀堤防建設的不同方案對整體邊坡的影響有限，但考慮到結構的穩(wěn)定性，方案二更有優(yōu)勢。

從結構內(nèi)力而言，方案二附加荷載較小，穩(wěn)定性較好。

(2)工程造價

文章主要對兩種堤防加固型式的工程造價進行比較，造價對比結果見表2。

表2 造價對比結果匯總表

由上表可以看出方案二造價比方案一高，但是相差不大，主要有以下幾個原因：

(1)直立式空箱結構為鋼筋砼結構，材料價格相對較高；

(2)由于受地形限制，方案一局部需采用小擋墻結構進行擋土，造價偏高，且直立式空箱結構下部可不做路面基礎結構，故兩個方案造價相差不大。

綜上可知，方案一雖然造價比較低，但是其附加荷載較大，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；方案二雖然造價較高，但是其附加荷載較小，各安全系數(shù)滿足穩(wěn)定計算要求，故本工程采用方案二(直立式空箱結構)。

3 不同筑堤高度對比分析

不同的筑堤高度產(chǎn)生的附加荷載也不同，文章擬對不同的筑堤高度下兩種不同方案的結構穩(wěn)定系數(shù)進行計算，分析直立式空箱結構在不同邊界條件下的應用情況。計算結果見表3。

表3 不同筑堤高度穩(wěn)定系數(shù)匯總表

由上表分析可知，主要有以下幾點規(guī)律：

(1)隨著筑堤高度的增加，方案一的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)下降明顯，且下降幅度逐漸增大，這是因為隨著附加荷載的增大，對擋土墻產(chǎn)生的水平推力逐漸增大；

(2)隨著筑堤高度的增加，方案二的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)變化不大，主要是因為空箱結構高度的變化對附加荷載的影響影響較小(無填土)；

(3)整體邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化均較小。

4 結論

(1)當?shù)谭肋_標工程中局部用地受限且增設擋浪墻方案不適用時，可考慮采用直立式空箱結構；

(2)筑堤高度越高，直立式空箱結構內(nèi)力優(yōu)化越明顯；

(3)對于有附加荷載限制要求的現(xiàn)有結構上部堤防達標可采用直立式空箱結構；

(4)在實際運用過程中需綜合考慮方案的適用性及經(jīng)濟性，綜合選用合適的堤防達標方案。