南豐鎮(zhèn)防洪工程防洪墻設(shè)計淺析

羅 超

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

1 工程概況

南豐鎮(zhèn)防洪工程位于廣東省封開縣南豐鎮(zhèn)賀江左岸,南豐鎮(zhèn)現(xiàn)狀防洪排澇設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)低,防洪能力差,經(jīng)常受外江洪水侵襲,需要進(jìn)行興利除害工程建設(shè)。南豐鎮(zhèn)防洪工程主要由防洪堤、泵站及水閘等組成,其中防洪堤包括土堤與防洪墻。工程等別為Ⅳ等,堤防級別為4 級,主要建筑物級別為4級,次要建筑物級別為5 級,防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇設(shè)計洪水。本文針對防洪墻段進(jìn)行分析計算。

2 防洪墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 防洪墻墻頂高程計算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）規(guī)定,設(shè)計波浪的計算風(fēng)速可用歷年汛期最大風(fēng)速平均值的1.5倍。汛期最大風(fēng)速平均值為8.1 m/s,現(xiàn)選用設(shè)計波浪風(fēng)速V=8.1×1.5=12.15 m/s。

防洪墻頂高程按設(shè)計洪水位加堤頂超高確定,堤頂超高按下計算公式計算：

式中：Y 為堤頂超高,m；R 為設(shè)計波浪爬高,m；e 為設(shè)計風(fēng)雍增加水高,m；A 為安全加高,m。

4 級堤防按不允許越浪取A=0.6 m,允許越浪取A=0.3 m。

設(shè)計波浪爬高R 及設(shè)計風(fēng)雍增加水高e 根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄C 計算。

堤頂超高按不允許越浪考慮,堤頂超高計算值為0.90 m,20年一遇設(shè)計洪水位為41.17 m,因此防洪墻墻頂計算高程為41.17+0.9=42.07 m,取42.10 m。

2.2 防洪墻結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)地面高程的不同,防洪墻的斷面形式也有所不同。防洪墻的主要斷面形式為折線形,擋水墻采用C30 鋼筋砼直墻+斜板結(jié)構(gòu),直墻高度3.0 m,厚度0.8 m,斜板垂直高度根據(jù)不同的地面高程而不同,地面高程有36.60 m、37.5 m、38.5 m、39.00 m 等4 種,當(dāng)?shù)孛娓叱谈哂?8.50 m 時不設(shè)斜板,直接用直墻擋水。斜板垂直高度有2.5 m~1.6 m,坡比1:2.4~1:3.75,斜板厚度0.4 m,每隔6 m 設(shè)一圓柱支承斜板,圓柱直徑為0.6 m?；A(chǔ)底板采用板梁結(jié)構(gòu),寬度6.0 m,冠梁尺寸1.0 m×1.0 m（寬×高）,聯(lián)系梁間距3.0 m,尺寸0.5 m×1.0 m（寬×高）,板厚0.2 m。防洪墻沿線每隔300 m 左右布置一道防洪門,供附近居民進(jìn)出外江側(cè)休閑步道,也可作為應(yīng)急排除內(nèi)澇通道,防洪墻與民房之間為雙向行車通道。

防洪墻地基為礫砂、砂卵礫石層,屬強透水地基,卵石粒徑2 cm~10 cm,含砂礫10%~25%。該層在工程區(qū)內(nèi)分布廣泛、連續(xù),層厚0.30 m~11.20 m,平均層厚4.91 m,層頂高程26.72 m~34.40 m。防洪墻基礎(chǔ)處理采用水中填筑施工平臺。結(jié)合基礎(chǔ)防滲,防洪墻基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)采用C30 砼連續(xù)墻,厚800 mm,外側(cè)采用C30 砼φ1000 mm 灌注樁,間距3000 mm。強風(fēng)化砂巖裂隙發(fā)育,具中等透水性,大部分堤段強風(fēng)化層厚度較小,部分甚至缺失,連續(xù)墻及灌注樁底部原則上均伸入弱風(fēng)化巖1.0 m,在強風(fēng)化層厚度較厚,巖石裂隙少,透水性弱的堤段,連續(xù)墻及灌注樁底部提升至伸入強風(fēng)化巖1.0 m。

防洪墻主體工程施工完成后,拆除水中填筑的施工平臺,防洪墻基礎(chǔ)由連續(xù)墻、樁基礎(chǔ)及砼底板組成的一個架空結(jié)構(gòu),防洪墻底板底面至河床,底板頂面至防洪墻斜板均為行洪斷面。典型斷面見圖1。

圖1 典型斷面圖

2.3 折線形防洪墻基礎(chǔ)防滲墻及灌注樁整體計算

2.3.1 主要設(shè)計允許值

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）,堤防建筑物安全系數(shù)要求如下：

（1）土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于表1 的規(guī)定。（2）

表1 土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

防洪墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)不應(yīng)小于表2、表3的規(guī)定。

表2 防洪墻沿基地面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表3 防洪墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)

2.3.2 計算斷面選擇

選取基礎(chǔ)覆蓋層較厚,巖層頂面高程較低,防洪墻最高的斷面作為計算斷面。計算斷面見圖1。

采用理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件,對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化,按雙排樁進(jìn)行計算,工程支護安全等級為一級。計算簡圖見圖2。

圖2 計算簡圖

灌注樁直徑1.0 m,樁長為26.3 m,樁距為3.0 m,樁頂設(shè)冠梁,尺寸為1.0 m×1.0 m。

連續(xù)墻模擬為矩形樁,樁長為26.3 m,寬為0.8 m,樁距為1.2 m,樁頂設(shè)冠梁,尺寸為0.8 m×1.2 m。

灌注樁與連續(xù)墻間距5.1 m,中間設(shè)聯(lián)系梁,聯(lián)系梁寬0.5 m,高1.0 m,間距為3.0 m。

防洪墻背水面高度范圍內(nèi)填土模擬為雜填土,各項計算指標(biāo)為0。

2.3.3 巖土層采用參數(shù)

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）第3.1.14第2 點“對地下水位以下的黏性土、黏質(zhì)粉土,可采用土壓力、水壓力合算方法；此時,對正常固結(jié)和超固結(jié)土,土的抗剪強度指標(biāo)應(yīng)采用三軸固結(jié)不排水抗剪強度指標(biāo)或直剪固結(jié)快剪強度指標(biāo),對欠固結(jié)土,宜采用有效自重壓力下預(yù)固結(jié)的三軸不固結(jié)不排水抗剪強度指標(biāo)”。

本工程地層屬于正常固結(jié)土,計算時應(yīng)采用三軸固結(jié)不排水抗剪強度指標(biāo)或直剪固結(jié)快剪強度指標(biāo),計算取值參數(shù)見表4。

表4 計算取值參數(shù)表

2.3.4 計算工況

工況一：正常運用條件,外江水位為32.10 m,堤內(nèi)水位比地面低1 m,35.60 m。

工況二：設(shè)計洪水位,外江水位達(dá)到防洪墻頂,堤內(nèi)水位比地面低1 m,35.60 m。

工況三：退水工況,外江水位降至河床,堤內(nèi)水位距墻頂4 m,水位差6 m。

工況一與工況三墻內(nèi)路面考慮汽車荷載（汽車荷載按公路Ⅱ級車道荷載計算）。

2.3.5 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表5。

表5 折線形防洪墻墻身、防滲墻及灌注樁整體計算成果表

由表2 中可以看出,正常運用條件,抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Ks>1.45；整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks>1.15,均滿足規(guī)范要求。

非常運用條件Ⅰ,抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Ks>1.35；整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks>1.05,均滿足規(guī)范要求。

墻頂最大位移為13.39 mm,滿足設(shè)計要求。

2.4 防洪墻結(jié)構(gòu)計算

正常運用工況：荷載只有飄板自重及不上人屋面活載,不上人屋面活載取0.5 kN/m2。計算模型為防洪墻、飄板及柱子組成的框架,防洪墻按800 mm×800 mm 的暗柱考慮,飄板按600 mm×400 mm 的暗梁考慮,圓柱直徑為600 mm。計算簡圖見圖3。

圖3 計算簡圖

采用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算結(jié)果為：防洪墻按800 mm×800 mm 的暗柱配筋面積2080 mm2,圓柱配筋面積1837 mm2,飄板按600 mm×400 mm 的暗梁跨中配筋面積1048 mm2,支座配筋面積1864 mm2。

擋洪工況：取1m 為計算單元,垂直豎向力為飄板自重,水平力為靜水壓力。由于柱子間距較大,為6 m,柱子剛度相對飄板及防洪墻的剛度很小,因此在擋洪工況不考慮柱子的作用,飄板按懸臂板計算,計算簡圖見圖4。

圖4 計算簡圖

經(jīng)計算,彎矩MA=97.3 kN?m,MB=-60.2 kN?m

剪力VA=151.25 kN,VB=31.25 kN

配筋A(yù)sA=1018 mm2,ASB=1781 mm2

A、B 點抗剪驗算采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL 191-2008)中計算公式：

當(dāng)hw/b ≤4.0 時,

當(dāng)hw/b ≥6.0 時,

當(dāng)4.0

2.5 防滲處理

防洪墻基礎(chǔ)采用連續(xù)墻及灌注樁的架空結(jié)構(gòu),連續(xù)墻采用C30 混凝土,墻厚0.8 m,深入不透水層不小于1.0 m。因此連續(xù)墻具有受力及防滲的雙重功能,滿足防洪墻基礎(chǔ)防滲的要求。

3 防洪墻景觀設(shè)計

結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜宋?、景觀,融入碧道建設(shè)理念,對防洪墻沿線進(jìn)行生態(tài)、人文景觀建設(shè),使防洪墻沿線成為集生態(tài)、旅游、人文、休閑的 “畫廊式”的風(fēng)光帶,成為廣大人民群眾喜游樂到的美好去處。突出“水環(huán)境、水文化、多自然”的特點,即能突出時代特點,又具有傳統(tǒng)的嶺南風(fēng)格。在防洪墻上采用了嶺南風(fēng)格的裝飾元素與傳統(tǒng)手法,如灰塑、陶塑、磚雕、木雕、洞門景窗、空花博古、貼地鋪地、彩色玻璃、鑲拼壁畫、匿名對聯(lián)等。在功能上具有隔熱、遮陽、通風(fēng)的特點,建筑物頂部常做成多層斜坡頂,外立面顏色以深灰色、淺色、白色為主,墻面材料以文化磚與真石漆噴涂為主,頂部貼琉璃瓦為主。

防洪墻外側(cè)形成休閑江邊景觀步道,融入當(dāng)?shù)氐臍v史文化,通過這種廊道空間的裝飾與燈光的營造氣氛打造成為當(dāng)?shù)匾坏懒聋惖男嘛L(fēng)景線,廊道內(nèi)布置石凳和仿木欄桿。而防洪墻內(nèi)側(cè),結(jié)合1.5 m 寬的綠化造景,采用爬藤植物、開花植物、造型灌木以及竹子來造景。墻面的窗花刻雕裝飾元素、石景小品、射燈、草坪燈來點睛,通過一步一景的手法,豐富景觀,增加層次景深,活躍空間氣氛見圖5、圖6。

圖5 休閑江邊景觀長廊效果圖

圖6 防洪墻背水面景觀效果圖

4 結(jié)語

南豐鎮(zhèn)防洪工程防洪墻折線型結(jié)構(gòu),滿足防洪設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)安全可靠,堤防穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。防洪墻基礎(chǔ)由連續(xù)墻、樁基礎(chǔ)及砼底板組成架空結(jié)構(gòu),連續(xù)墻兼顧受力及防滲的雙重功能,減少了工程投資,架空結(jié)構(gòu)避免侵占河段的行洪斷面。防洪墻運行管理簡單,造型新穎,結(jié)合步道可供居民休閑,滿足人們的親水性需求。折線型結(jié)構(gòu),降低直墻高度,既滿足擋水要求,又可有效減低空間壓抑感,提高居民的幸福指數(shù)。值得應(yīng)用于城市（鎮(zhèn)）及景區(qū)等對防洪墻有特殊要求的地區(qū)。