水利工程中堤防設計方案研究與優(yōu)化

熊 姝

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510000）

面對日益頻繁的洪澇災害和低標準的防洪排澇體系高河道綜合防洪體系,加固或新建堤防,改善水利工程于運行管理成為當務之急[1]。隆都圍保護對象為澄海區(qū)隆都鎮(zhèn)和潮州市部分地區(qū),捍衛(wèi)人口19.5 萬人、耕地面積6.2 萬畝。現(xiàn)狀堤防是在原有土堤基礎上,經歷年逐次加高培厚形成的,堤身單薄、險段較多,每年汛期洪水來臨,堤防險情不斷,圍內人民生命和財產受到嚴重威脅。本工程現(xiàn)狀防洪標準已與該地區(qū)社會經濟發(fā)展目標不相匹配,應提高防洪標準,為地區(qū)經濟發(fā)展提供有力保障[2]。整個防護區(qū)堤圍包括東廂堤及隆都圍,目前東廂堤已達標建設完成,隆都圍達標加固工程的建設,有助于全圍發(fā)揮其應有的防洪效果,切實到位的保護防護區(qū)內的防洪安全,故應及早實施[3]。

1 工程概況

汕頭市澄海區(qū)隆都圍位于澄海區(qū)西北部、北與潮州市潮安縣官塘、磷溪兩鎮(zhèn)接壤,其它三面臨江,是捍衛(wèi)澄海區(qū)隆都鎮(zhèn)及潮安縣部分地區(qū)的重要堤圍工程,本次隆都圍加固達標工程的整治范圍為東溪堤段（樁號東溪6+120～8+211）、南溪堤段（樁號南溪0+000～9+528）及北溪堤段(樁號北溪0+000～6+543）,共計整治長度18.16km,重建8處穿堤涵,拆除重建東山關水閘及北關水閘、對南關水閘進行加固。隆都圍的工程任務以防洪為主,兼顧排澇。

工程區(qū)域內東南向有G324國道、西面有深汕高速接汕汾高速公路、梅汕高速公路等,省道S231從隆都鎮(zhèn)穿過,可達澄海和汕頭市區(qū),澄海市區(qū)距廣州475 km,距汕頭市區(qū)僅15 km。工程區(qū)距廣梅汕鐵路汕頭貨運站約11 km,水運和陸運都很方便。主要設備和建筑材料的運輸可采用以公路為主,水運、鐵路為輔的方式。工程地理位置及對外交通見圖1。

圖1 工程地理位置及對外交通

2 工程現(xiàn)狀及存在問題

隆都圍經過多年的運行,在產生巨大社會效益的同時也因為歷史原因、自然條件和人們的生產活動等存在一些工程隱患,主要存在以下問題：

（1）不良地基未進行處理。堤防基本是在原有民堤的基礎上,經歷年不斷加高培厚形成,未經認真勘探選線,對不良堤基也未進行必要的處理,致使遇較大洪水時,滲漏、滑坡等險象環(huán)生,特別是砂基部分較為突出[4]。

（2）堤身強度不足。堤身填土多數(shù)就地取土,未按標準要求選取土料填筑,堤身密實度較差、強度不足。一些堤段填筑土料含砂量大,管涌現(xiàn)象嚴重,歷史曾發(fā)生過滑坡、決堤。

（3）由于人們生產活動和河流主流的擺動變化,迎流頂沖,深槽迫岸,河床下切致使堤腳沖刷、崩岸、滑坡等,不斷產生險段。該部分堤段基本已作加固處理,如在迎水坡面上做砌石護坡、堤腳拋石及設置丁壩,但加固措施未能完全消除險患,每年仍需對險段進行拋石處理[5]。

（4）現(xiàn)狀堤防堤內外有果樹園地、稻田菜地,堤坡雜草叢生,局部存在鼠洞、蟻穴,危害堤身安全；部分堤圍前后坡存在大量建筑垃圾及生活垃圾填筑,影響堤防岸坡安全及發(fā)出臭味影響周邊環(huán)境。

雖經歷年進行了多次整修處理,但病害仍未得到根本治理,堤防仍存隱患、許多堤段尚未達到堤防防洪標準,汛期洪水來臨,險情不斷[6]。

3 堤防工程設計方案

3.1 堤身設計

隆都圍為3級堤防,按照《堤防工程設計規(guī)范》（GB 50286-2013）,堤防超高按下式計算確定：

式中：Y為堤頂超高,m；R為設計波浪爬高,m,按規(guī)范附錄C計算確定；e為設計風雍增水高度,m,按規(guī)范附錄C計算確定；A為安全加高,按規(guī)范表2.2.1確定,3級堤防取0.7 m。

隆都圍三面臨江,東溪、南溪、北溪的河道寬度相差較大,根據(jù)本工程的實際情況,分別選取各溪河道寬度較大部位進行計算作為各溪的堤頂超高。經計算堤頂超高計算成果見表1。

表1 堤頂超高計算成果表 單位：m

為減少占地、節(jié)省工程投資,結合現(xiàn)狀堤防的實際情況,堤頂高程加高采用堤身整體加高結合堤頂防浪墻加高的方法進行。其中土堤實體部分堤頂高程高出設計洪水位,堤頂防浪墻高0.4 m～0.7 m。局部堤段堤頂高程滿足要求則無需設置防浪墻。

3.2 坡面及護坡加固設計方案

根據(jù)現(xiàn)有坡面及護坡存在問題,綜合考慮當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境要求及類似堤防設計經驗,選定堤坡加固設計方案：

堤防迎水坡面原已有砌石護坡段均為河道迎流頂沖、彎道及流速相對較大堤段,受沖刷嚴重,該段防護措施仍考慮硬化式護坡,為節(jié)約工程投資,對砌石護坡清雜草、縫內充砂后砂漿勾縫；局部位置坡面砌石缺失的進行修補修復,護坡修補采用M7.5漿砌石厚600 mm（坡度采用1∶2.25）與上下游坡面平順連接,漿砌石護坡下設置碎石墊層和粗砂墊層厚各100 mm。設計斷面圖見圖2。

圖2 已有砌石護坡堤段斷面圖

堤防迎水坡面原無護坡段防護措施考慮河流生態(tài)要求,在河道迎流頂沖、彎道及流速相對較大的狹窄段采用植草磚護坡（南溪8+950～9+528）,其余采用草皮護坡。植草磚護坡坡比1∶2.25,磚厚80 mm,下墊土工布一層和碎石墊層厚150 mm；草皮護坡至現(xiàn)狀地面,坡比1∶2.5。設計斷面圖見圖3。

圖3 現(xiàn)狀無護坡堤段斷面圖

南溪樁號0+000～2+700段堤前有大范圍的灘地,且堤身高度僅2 m左右,故堤前不設護腳；其余原無護坡段堤防迎水坡坡腳設置0.7 m高M7.5 漿砌石護腳。堤身背水坡采用生態(tài)型的種草護坡,根據(jù)現(xiàn)狀原堤坡坡比,本次種草護坡坡比采用1∶2.25。背水坡坡腳需設置漿砌石擋墻,以明確堤圍界限：現(xiàn)有設置擋墻堤段對局部有質量問題擋墻進行拆除重建,現(xiàn)無設置擋墻堤段及后坡培厚堤段新增1.5 m高M7.5 漿砌石擋墻。設計斷面圖見圖4。

圖4 南溪景觀堤段斷面圖

3.3 堤身防滲處理

對滲透穩(wěn)定計算不滿足要求的堤段（東溪6+120～8+000、南溪1+140～1+560、南溪4+340～4+740共2700 m）選擇采用垂直防滲和堤腳堤后填砂壓滲兩種方案進行比選。垂直防滲方案采用垂直防滲措施穿透強透水的③-2層（粉細砂、中粗砂）,深至④層（淤泥及淤泥質粘土）頂以下0.5 m（東溪6+120～8+000段平均樁長12 m、南溪1+140～1+560段平均樁長11.8 m、南溪4+340～4+740段平均樁長10.6 m）；堤后填砂壓滲方案采用在堤防下游堤腳設置壓滲平臺寬10 m、厚1 m。對兩種方案分別進行滲透穩(wěn)定計算,結果詳見表2 。根據(jù)計算結果,采用兩種方案處理后滲透穩(wěn)定均可滿足要求。

表2 垂直防滲與填砂壓滲方案滲透變形計算成果表

考慮隆都圍堤內基本種植有果園（荔枝、香蕉等）,堤后填砂壓滲方案需要占用大片土地,征地范圍大,經核算,堤后填砂壓滲方案需征地40.5 畝,征地補償約350 萬元(含果園青苗補償、占地補償及安置費用等）,填砂壓滲工程投資約為80 萬元；而水泥攪拌樁垂直防滲方案投資為561 萬元。雖然水泥攪拌樁垂直防滲方案投資比堤后填砂壓滲方案稍大,但根據(jù)現(xiàn)場實際調查情況及結合業(yè)主意見,本階段選用垂直防滲方案。

3.4 堤防沉降分析

因為原堤防已修筑多年,沉降變形絕大部分已經完成,本次南溪5+500～9+528段及北溪0+000～0+530段達標加固新增加荷載不大,引起的相應沉降變形非常小,故可忽略該段達標加固后新增的堤身沉降量。因此本次只計算樁號北溪1+600～2+500段、北溪3+120～3+900段的新增堤身沉降量。

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007-2011）用壓縮模量計算主固結沉降量的計算公式：

式中：S 為地基最終沉降量,mm；φs為沉降計算經驗系數(shù)；n為地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數(shù)；P0為地基底面處的附加壓力,kPa；Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量,MPa；Zi、Zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離,m；ai、ai-1為基礎底面計算點至第i層土、第i-1層土地面范圍內平均附加應力系數(shù)。

經計算,北溪1+630斷面的主固結沉降量為：

北溪2+030斷面的主固結沉降量為：

堤身沉降量根據(jù)堤身填筑結構和填筑土料不同,預留沉降取堤高的3%～5%,對基本利用舊堤的取小值,對新填筑的取大值,本工程取4%,因此北溪1+630 斷面堤身預留沉降高度為1.5×4%+0.007=0.067 m=67 mm,北溪2+030 斷面堤身預留沉降高度為3.9×4%+0.08=0.236 m=236 mm。

4 結語

河道治理是一項系統(tǒng)性工程,當前堤防工程技術日漸成熟,但面對不同的地址情況和環(huán)境特點,仍然存在許多風險因素和施工難點,在河道治理過程中堤防設計方案的確定和優(yōu)化更是重中之重,本文以汕頭市隆都圍加固達標工程為例,分析了堤防工程中堤身設計、坡面及護坡加固設計方案、堤身防滲處理、堤防沉降分析等技術要點,工程任務為防洪為主,兼顧排澇及提升水環(huán)境、水景觀。本工程是社會公益性質的水利建設項目,對發(fā)展地區(qū)經濟具有積極和深遠的意義,經一定的投入進行達標加固后,原工程的各項功能得以延續(xù),其防洪效益得以恢復。