鐘橋右岸下段堤身加培設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

夏晶芹

（安徽省郎溪縣水利局,安徽 宣城 242100）

郎溪縣城地處長(zhǎng)江下游支流水陽(yáng)江中游,北靠鐘橋河,南臨老郎川河。郎川河上游為廣德山區(qū),山洪居高而下,穿城而過(guò),自古至今就是個(gè)洪澇災(zāi)害十分頻繁的地區(qū)。洪澇災(zāi)害是郎溪縣最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,有資料記載的洪澇年就有160 余年,平均每三年中就有一年是洪澇年。鐘橋河河道堤防實(shí)施堤身加固、防滲處理等工程措施,進(jìn)一步提高其防洪能力,為郎溪縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供切實(shí)的防洪安全保障。

1 工程概況

郎溪縣鐘橋河右岸下段防洪工程位于安徽省郎溪縣境內(nèi),涉及郎溪縣、第二聯(lián)合圩和永寧圩,堤段長(zhǎng)5.97 km。工程區(qū)溝渠坑塘密布,交通較便利。

第二聯(lián)合圩易澇區(qū)面積13.01 km2,耕地1.2 萬(wàn)畝,圩內(nèi)大部分為農(nóng)田,圩內(nèi)農(nóng)村人口0.88 萬(wàn)人,考慮到該圩區(qū)面積較大、人口較多,洪標(biāo)準(zhǔn)采用20 年一遇。

永寧圩為千畝圩口,根據(jù)《南漪湖流域治理規(guī)劃》治理要求,現(xiàn)狀堤頂高程對(duì)堤身進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

根據(jù)《郎溪縣治澇規(guī)劃》,工程涉及圩區(qū)主要位于農(nóng)村地區(qū),除澇標(biāo)準(zhǔn)采用10 年一遇最大3 日暴雨3 日排出,不考慮滯蓄水深。

1.1 工程加固前狀況

加固段堤防堤身為歷次加高培厚形成。地勢(shì)自窯下閘至楊墩由高變低,堤頂高程為11.8 m~12.4 m,堤高0~3.7 m,堤身斷面大部分呈梯形。堤頂寬2.1 m~5.5 m,內(nèi)、外邊坡坡比大部分為1∶1.5~1∶2,局部坡比為1∶0.5~1∶1。其中樁ZQR0+030~ZQR0+223 段堤身寬0.7 m~1.2 m,高2.3 m~2.6 m；樁ZQR0+798~ZQR1+613 段未建設(shè)堤防,陡坎形式與河床銜接。堤ZQR0+560~ZQR0+610 段堤內(nèi)已設(shè)置松木樁支護(hù),其它堤段內(nèi)外坡腳均未做處理。

1.2 歷史險(xiǎn)情

工程段發(fā)生外脫坡2段,歷史潰口1處和滲漏與散浸4處（見表1）；且多處斷面存在滲漏,面出逸點(diǎn)高程均較高,堤腳滲透比降大于允許值,嚴(yán)重影響岸線安全（見表2）。

表1 鐘橋河右岸下段堤防堤身險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)表

表2 加固前典型斷面滲流計(jì)算結(jié)果表

2 堤身加培設(shè)計(jì)

2.1 堤防標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)

2.1.1 堤頂超高堤頂超高按以下公式計(jì)算：

式中：Y為堤頂超高；R為設(shè)計(jì)波浪爬高,R=0.5 m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅高度,e=0.001 m；A為安全加高,A=0.6 m。

由計(jì)算可知第二聯(lián)合圩堤頂超高值1.101 m?？紤]到本河段受南漪湖高水位頂托時(shí)間較長(zhǎng),同時(shí)考慮圩區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)遠(yuǎn)景發(fā)展需求,確定堤頂超高取1.2 m。永寧圩面積較小,距離南漪湖口較近,堤頂高程維持現(xiàn)狀。

2.1.2 堤身加培設(shè)計(jì)

對(duì)永寧圩、第二聯(lián)合圩堤防現(xiàn)狀堤頂高程、寬度、堤內(nèi)邊坡不足的堤段,進(jìn)行加高培厚。

1.4 魚苗培育 剛孵化的魚苗要首先在60 L的長(zhǎng)方形玻璃槽中進(jìn)行培育。出膜后6～8 h，卵黃吸收完成，幼苗能短暫地?zé)o方向地間歇游動(dòng)，開始投喂活體草履蟲；10 d后可以改投全人工制作的蛋白質(zhì)含量為36%的膨化飼料粉末、輪蟲及其他配合飼料，每天3～5次，投喂量以每次10 min內(nèi)吃完為標(biāo)準(zhǔn)；魚苗長(zhǎng)大到2.5 cm以后移到10 m3的正方形流水池中培育，繼續(xù)投喂蛋白質(zhì)含量為36%的飼料粉末。

工程堤外灘地較窄（基本沒有灘地）,且外培影響河道行洪,因此本次加固工程采用堤內(nèi)坡培土。下楊橋西側(cè)、楊墩段因堤身外側(cè)陡峭,內(nèi)側(cè)房屋鄰近,為避免拆遷,采用外培加固,并設(shè)置防洪墻。堤身加培時(shí),為便于新老填土牢固結(jié)合,原堤防邊坡開挖成臺(tái)階形狀,清基平均厚度0.3 m。堤身加培土壓實(shí)度不小于0.91。鐘橋河現(xiàn)狀堤防大部分堤基土體基本成流塑~軟塑,為高壓縮性土,在附加應(yīng)力的作用下,會(huì)有部分的沉降。在堤防施工時(shí),預(yù)留部分沉降量,同時(shí)控制筑堤速度,必要時(shí)進(jìn)行沉降觀測(cè)。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）的要求,并結(jié)合當(dāng)?shù)叵嗨乒こ痰牡谭罃嗝鏄?biāo)準(zhǔn),工程范圍內(nèi)斷面進(jìn)行了分別設(shè)計(jì)。

（1）永寧圩（樁號(hào) ZQR0+00~ZQR3+253）

1）窯下至渡頭閘堤防加固段（樁號(hào) ZQR0+00~ZQR0+765）。該段采用梯形土堤,堤頂高程為10年一遇水位加0.5 m；堤頂寬度5 m；堤防外坡坡比1∶2.5；堤身高度超過(guò)6 m 時(shí),內(nèi)側(cè)設(shè)一寬3 m的平臺(tái),平臺(tái)以上坡比1∶2.5,平臺(tái)以下坡比1∶3；堤身內(nèi)側(cè)不設(shè)平臺(tái)的,內(nèi)坡坡比1∶2.5。

下楊橋西至永寧閘段（樁號(hào)ZQR1+845~ZQR3+253）斷面同上（見圖1）。

圖1 永寧圩堤防加固段斷面

2）渡頭閘至下楊橋東（樁號(hào) ZQR0+765~ZQR1+581）該段起點(diǎn)為渡頭閘,終點(diǎn)為下楊橋東。涉及基本農(nóng)田,新建堤防設(shè)計(jì)考慮根據(jù)政策規(guī)定,建設(shè)道路的占地寬度≤8 m。所以該段堤防采用新建防洪墻結(jié)構(gòu),減少降低寬度。

新建防洪墻墻身厚300,墻高 2.7 m,底板寬2.6 m,底板厚400 mm,底板高程+8.50 m。防洪墻墻頂高程為10年一遇水位加 0.5 m,堤頂寬度3.5 m,堤頂高程11.05 m；內(nèi)外坡坡比1∶2.5（見圖2）。

圖2 永寧圩涉及基本農(nóng)田段新建堤防段斷面

3）下楊橋東段（樁號(hào) ZQR1+581~ZQR1+768）。下楊橋東段（樁號(hào) ZQR1+581~ZQR1+768）共 187.6m,分為2種情況加固。其中：

ZQR1+580.6~ZQR1+685.1段104.5 m及ZQR1+742.4~ZQR1+768.2段25.8 m,共計(jì)130.3 m,該段為居民集中居住區(qū),房屋密集且建造位置瀕臨水邊,根據(jù)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)溝通結(jié)果,該段不進(jìn)行拆遷,在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上將混凝土道路改建為瀝青道路。路面結(jié)構(gòu)為（自上而下）：4 cm改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13）、6 cm 中粒式瀝青混凝（AC-20 C）、1 cm 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、聚脂玻纖布、處治后原路面結(jié)構(gòu)。

樁號(hào)ZQR1+685.1~ZQR1+742.4ZQR1+768段57.3 m,該段房屋密集,屋外道路狹窄,道路臨河,岸坡陡峭,深泓逼岸。該段道路加寬至6 m,堤防為外培,坡比為1∶3。為保證岸坡穩(wěn)定,在7.60 m高程設(shè)置梯形拋石鎮(zhèn)腳,鎮(zhèn)腳頂寬4 m,內(nèi)外坡比1∶2.5,鎮(zhèn)腳內(nèi)填筑粘土,壓實(shí)度為0.91（見圖3）。

圖3 下楊橋道路外側(cè)岸坡陡峭段堤防斷面

4）下楊橋西段（樁號(hào) ZQR1+768~ ZQR1+845）。該段堤身臨河側(cè)陡峭,內(nèi)側(cè)房屋密集,緊貼現(xiàn)狀道路,現(xiàn)狀道路寬度3 m,為避免房屋拆遷,采用土堤結(jié)合防洪擋墻結(jié)構(gòu)。加固后堤頂寬度6 m,堤頂高程+11.4~+11.6 m,堤身采用外培,堤防外坡坡比1∶2.5,為避免拆遷房屋內(nèi)坡坡比基本維持現(xiàn)狀。堤身外側(cè)上部設(shè)置防洪墻,墻頂高程同現(xiàn)狀路面,墻身上部厚 300 mm,墻身下部厚 1000 mm,底板長(zhǎng)4.2 m,厚500 mm。為防止外坡沖刷,在外坡底+7.60 m高程設(shè)置波浪樁鎮(zhèn)腳,波浪樁樁長(zhǎng)8 m,采取“S”拼接型式,樁外側(cè)為5 m寬,平均1 m 厚拋石。外坡坡面設(shè)置砼聯(lián)鎖塊護(hù)坡。

（2）第二聯(lián)合圩（樁號(hào) ZQR3+253~ZQR5+102；YCR0+000~YCR0+697）

1）永寧閘~渡口（樁號(hào) ZQR3+253~ZQR5+102）。該段采用梯形土堤,堤頂高程為20 年一遇水位加1.2 m；堤頂寬度6 m；其余處理同樁號(hào) ZQR0+00~ZQR0+765。

2）渡口~楊墩（樁號(hào) ZQR5+102~ZQR5+273）。該段為土堤結(jié)合防洪擋墻結(jié)構(gòu)。該段堤身臨河側(cè)陡峭,內(nèi)側(cè)房屋密集,緊貼現(xiàn)狀道路,道路寬度3 m,為避免房屋拆遷,采用土堤結(jié)合防洪擋墻結(jié)構(gòu)。堤頂寬度5.5 m,采用外培,堤防外坡坡比 1∶2.5,為避免拆遷房屋內(nèi)坡坡比基本維持現(xiàn)狀。堤身外側(cè)上部設(shè)置防洪墻,墻頂高程為+13.23 m（20 年一遇水位加 1.2 m）,墻身上部厚 300 mm,墻身下部厚 500 mm,底板長(zhǎng)4 m,厚500 mm。為防止外坡沖刷,在外坡底+7.60 m 高程設(shè)置波浪樁鎮(zhèn)腳,波浪樁樁長(zhǎng) 8 m,采取“S”拼接型式,樁外側(cè)為 5 m 寬,平均1 m厚拋石。外坡坡面設(shè)置砼聯(lián)鎖塊護(hù)坡。

3）永寧閘~魚場(chǎng)（樁號(hào) YCR0+000~YCR0+697）。該段采用梯形土堤,堤頂高程為20 年一遇水位加1.2 m；堤頂寬度4 m；堤防外坡坡比1∶2.5；內(nèi)坡坡比1∶2.5（見圖4）。

圖4 永寧閘~渡口段堤防斷面圖

2.2 防滲處理

經(jīng)歷史險(xiǎn)情及滲流安全分析,堤防背水坡腳出逸點(diǎn)比降較大,滲漏嚴(yán)重,出逸點(diǎn)高程高。為了確保堤身安全,對(duì)滲漏段堤身及堤基進(jìn)行防滲處理。

第二聯(lián)合圩堤防永寧閘-楊墩段土堤2.02 km 采用水泥摻入比10%~12%多頭小直徑防滲墻進(jìn)行防滲加固,沿線防滲墻一般情況下入堤基重粉質(zhì)壤土層 0.5 m 左右,平均深度約10 m,墻體抗?jié)B厚度按下式確定：

式中：T為墻厚,m；H為上下游水頭差,本次設(shè)計(jì)取6.5 m~7.5 m；i為水泥土允許坡降,取i=60。

經(jīng)計(jì)算得水泥土防滲墻厚度為108 mm~125 mm時(shí),即可滿足抗?jié)B要求,考慮到施工連續(xù)性、均勻性和豎向偏差,初擬成孔孔徑400 mm,樁體間水平向搭接長(zhǎng)度240 mm,則多頭小直徑墻體有效理論厚度可達(dá)250 mm,滿足抗?jié)B要求。

2.3 防滲處理后土堤滲流穩(wěn)定分析

對(duì)堤防進(jìn)行防滲加固處理后,計(jì)算選取2個(gè)最不利斷面作為滲流復(fù)核計(jì)算斷面。

（1）計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）的規(guī)定,堤防土料的物理力學(xué)指標(biāo)均采用地勘報(bào)告的建議值（見表3）。

表3 滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面各土層強(qiáng)度指標(biāo)表

（2）計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果

滲流穩(wěn)定分析采用河海大學(xué)土木工程學(xué)院開發(fā)的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析 系統(tǒng)（AUTOBANK）》土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法采用畢肖普法。計(jì)算結(jié)果見表4,結(jié)果表明采用多頭小直徑防滲墻后,滲透穩(wěn)定能夠滿足規(guī)范要求,計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖5~圖6。

表4 堤防典型斷面滲流計(jì)算成果表

圖5 ZQR0+637堤防斷面加固后滲流等勢(shì)線圖

圖6 ZQR0+338堤防斷面加固后滲流等勢(shì)線圖

2.4 加固后土堤邊坡穩(wěn)定分析

2.4.1 分析方法

堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用穩(wěn)定分析軟件 Autobank,根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》3.2.3 條,計(jì)算方法采用畢肖普法,穩(wěn)定滲流期及水位降落期堤身抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用有效應(yīng)力法。根據(jù)堤段地質(zhì)條件和堤身高度等因素,取2 個(gè)加固后典型斷面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

2.4.2 計(jì)算工況及結(jié)果

計(jì)算工況及成果見表5,成果表明,在設(shè)計(jì)洪水位、水位降落期、施工期工況下,加固后的堤防整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。堤身臨界滑裂面示意圖見圖7~圖8。

表5 加固后典型堤防斷面抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況及成果

圖7 ZQR0+637段堤身臨界滑裂面示意圖

圖8 ZQR3+338段堤身臨界滑裂面示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

郎溪縣鐘橋河右岸下段防洪工程實(shí)施后,具有顯著的防洪效益,多年平均效益約450萬(wàn)元,工程的經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為 7%,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足工程經(jīng)濟(jì)合理性要求,即使工程費(fèi)用增加10%或效益降低10%,工程仍是經(jīng)濟(jì)可行的,說(shuō)明本工程具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力,因此,本工程在經(jīng)濟(jì)上是合理的。工程的實(shí)施具有巨大的社會(huì)和環(huán)境效益,可降低洪災(zāi)發(fā)生頻率,消除堤防潰口的隱患,從而避免因洪災(zāi)而造成的社會(huì)不穩(wěn)定,生態(tài)環(huán)境污染以及對(duì)社會(huì)正常生產(chǎn)、生活的干擾,有效地保障疫區(qū)人民的身體健康和生命安全,為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)性協(xié)調(diào)發(fā)展創(chuàng)造條件。