堤防加固在河道治理中的應(yīng)用
——以《清水縣南道河清隴路大橋至南峽段綜合治理工程》為例

善小平SHAN Xiao-ping

（天水市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天水 741000）

0 引言

清水縣南道河項(xiàng)目段已建堤是治理南道河主要工程之一，經(jīng)過(guò)多年的洪水的侵蝕、淘刷及人為活動(dòng)影響，河床下切嚴(yán)重，護(hù)坡垮塌、堤身坍塌、滑脫、斷裂及基礎(chǔ)外露，威脅沿岸產(chǎn)業(yè)、居民及基礎(chǔ)設(shè)施安全等，故做好堤防加固工程，對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)、居民及其它設(shè)施安全，改善河道生態(tài)環(huán)境，減少水土流失有十分重要意義。

1 工程概況

南道河是牛頭河一級(jí)支流，發(fā)源于清水縣隴東鎮(zhèn)庵兒下，流經(jīng)隴東鎮(zhèn)安兒村、永清鎮(zhèn)雙場(chǎng)、南峽、東關(guān)村，于清水縣新城區(qū)匯入牛頭河，流域面積為60.9km2，河道平均比降23.6‰，全長(zhǎng)14.2km。南道河位于天水市清水縣祁呂弧形褶皺帶，南道河河谷呈“ U”型，兩岸發(fā)育有I、II 級(jí)階地，I級(jí)階地呈斷續(xù)狀分布，II 級(jí)階地不甚發(fā)育，谷坡表層多覆蓋有風(fēng)積黃土層，局部覆蓋有坡積碎石、碎石土。按其地貌形態(tài)可分為兩個(gè)地貌單元，即黃土覆蓋的低中山梁峁溝壑區(qū)和河谷區(qū)。

項(xiàng)目段流域面積60.9km2，項(xiàng)目段比降21.18‰，20 年洪水重現(xiàn)期洪峰流量為159m3/s，2 年洪水重現(xiàn)期洪峰流量為31.6m3/s。治理段已建堤長(zhǎng)3717m，其中左岸3322m，右岸395m，原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 年洪水重現(xiàn)期，堤高在4.20～5.00m，已建堤為斜坡式砂礫石梯形斷面結(jié)構(gòu)，護(hù)坡材料采用干砌石，近年來(lái)，洪水頻發(fā)，河道比降大，洪水流速快，致河床下切嚴(yán)重，護(hù)坡垮塌、堤身坍塌、滑脫、斷裂及基礎(chǔ)外露。

2 工程治理范圍、標(biāo)準(zhǔn)及措施

治理范圍為清隴路大橋至南峽村，左岸起點(diǎn)清隴路大橋左岸八字墻，終點(diǎn)南峽大橋左岸八字墻；右岸起點(diǎn)南峽村附近高岸坎，終點(diǎn)為南峽大橋右岸八字墻；設(shè)計(jì)堤防起點(diǎn)、終點(diǎn)與已有建筑物平順銜接，接入岸坎的右岸堤首嵌入岸坎，防洪水侵入。項(xiàng)目段為清水縣規(guī)劃新城區(qū)，遵照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范，堤防設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為城市Ⅳ等，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 年洪水重現(xiàn)期設(shè)防，堤防工程級(jí)別4 級(jí)，主要建筑物級(jí)別4 級(jí)，次要及臨時(shí)性建筑物級(jí)別5 級(jí)；工程措施主要堤防加固工程、防沖肋墻工程等。治理河長(zhǎng)2.3km，堤防加固3717m，新建防沖肋墻4座。

3 堤防加固工程

3.1 水面線推求

項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有堤防經(jīng)計(jì)算，由于防洪標(biāo)準(zhǔn)提高、河床下切堤壩埋深不足及護(hù)坡垮塌、堤身坍塌，已有堤均未達(dá)到設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期洪水位，故對(duì)此段左右岸已有防洪堤除險(xiǎn)加固。能量方程逐段試算法對(duì)南道河行洪斷面進(jìn)行檢算，治理段綜合糙率n=0.036；水面線計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 治理段水面線計(jì)算成果

3.2 沖刷深度計(jì)算

沖刷深度計(jì)算采用規(guī)范要求公式，依計(jì)算結(jié)果，治理段落沖刷深度計(jì)算值在1.24～1.81m，考慮地質(zhì)資料、實(shí)際沖刷及安全余地，敲定堤防加固基礎(chǔ)埋深2.0m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 治理段沖刷深度計(jì)算成果

3.3 堤高復(fù)核

計(jì)算堤頂超高Y=1.42m=R+e+A=0.82m+0.0026m+0.6m，設(shè)計(jì)堤頂超高Y 取1.5m。計(jì)算成果對(duì)已建堤防復(fù)核，已建堤現(xiàn)狀堤頂高程均低于設(shè)計(jì)堤頂高程，故不滿足洪水安全過(guò)洪。結(jié)合實(shí)測(cè)現(xiàn)狀地形，水流沖刷致河床下切、堤基外露，依當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)，堤高4.2～5.0m，實(shí)測(cè)計(jì)算目前深泓以上堤防高2.7～4.71m，得已有堤基礎(chǔ)埋深0.0～0.8m，不滿足設(shè)計(jì)安全埋深2.0m 要求。（表3）

表3 治理段計(jì)算成果及已建堤防堤頂高程復(fù)核

3.4 堤防加固斷面型式選擇

堤防加固斷面應(yīng)結(jié)合堤段位置、重要性、地質(zhì)、填筑材料、耕地占用、建設(shè)條件、安全經(jīng)濟(jì)等方面比較后綜合確定[1]。依設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)、工程級(jí)別及已建堤現(xiàn)狀，結(jié)合工程區(qū)地形地質(zhì)等條件，本次對(duì)仰斜式、斜坡式、復(fù)合式護(hù)堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選；根據(jù)表4 各斷面優(yōu)缺點(diǎn)及以上條件，按照項(xiàng)目區(qū)河道實(shí)際、取材便利、安全經(jīng)濟(jì)的原則，為與已建堤防銜接，堤防加固斷面型式選擇復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)[2]。

表4 堤防加固斷面型式優(yōu)缺點(diǎn)比較表

3.5 堤防護(hù)坡及堤身填筑材料選擇

堤身填筑材料應(yīng)與河道實(shí)際、取材便利結(jié)合，并考慮施工難易程度、占地、所需投資等方面考量選取，項(xiàng)目區(qū)砂礫卵石料豐富，故本次堤壩填筑料選擇開(kāi)挖砂礫卵石填筑。

護(hù)坡材料有細(xì)粒砼砌塊石、素砼和生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)3種，這幾種材料在當(dāng)?shù)仡愃乒こ淌褂妙l繁。從技術(shù)層面分析，細(xì)粒砼砌塊石護(hù)坡施工簡(jiǎn)便，防凍脹和抗水流沖刷好，附近塊石原料儲(chǔ)備豐富，然斷面尺寸較大，適應(yīng)地基變形能力差；素砼護(hù)坡斷面相對(duì)小，防凍脹好、抗?jié)B能力強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)好，施工時(shí)避免低溫時(shí)段修筑，透水性差、易出現(xiàn)裂縫、支模工序復(fù)雜；生態(tài)格網(wǎng)柔性結(jié)構(gòu)，適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)、透水、抗風(fēng)浪防沖刷能力強(qiáng)、有利于內(nèi)外水循環(huán)，保障河水與岸邊耕地灌溉水交換，發(fā)揮河流、土壤、植被自凈功能。從經(jīng)濟(jì)角度比較，3 種護(hù)坡材料在相同斷面下，細(xì)粒砼砌塊石每延米投資比素砼護(hù)坡、生態(tài)格網(wǎng)投資少。綜上優(yōu)劣解析及實(shí)際情況，已有堤為斜坡式干砌石堤防，現(xiàn)狀堤坡迎水面坡比1：1.5，比降大，河道較順直，流速大，且地質(zhì)勘察堤基位置處為較密實(shí)的砂卵礫石層，考慮到堤防加固少占地、整體性好、后期管護(hù)維修便捷、單米價(jià)格低，故堤防加固堤坡材料采用細(xì)粒砼砌塊石。

3.6 堤防加固斷面設(shè)計(jì)

堤防加固考慮到運(yùn)行期間巡查、維護(hù)、堤壩自身安全穩(wěn)定、機(jī)械和村民正常生產(chǎn)生活通行便利，設(shè)計(jì)堤頂寬3m，加固斷面結(jié)合已建堤采用復(fù)式梯形斷面結(jié)構(gòu)，在原堤上加高、加深、培后，使新舊護(hù)坡聯(lián)成一體，一起分擔(dān)各種不利荷載。堤防總高度5.37～5.73m，護(hù)坡材料采用C20 細(xì)粒砼砌塊石，砂礫石堤身背水坡坡比1：1.25；深泓高程以下斷面型式為仰斜式護(hù)坡，護(hù)坡迎水坡1：0.25、護(hù)坡背水坡1：0.1，護(hù)坡上部厚0.6m，基底寬1.2m，墻趾寬0.5m、趾高0.6m；深泓高程以上斜坡式護(hù)坡，迎水面邊坡1：1.5，護(hù)坡厚0.4m；在深泓高程處設(shè)戧臺(tái)，沿戧臺(tái)水平防護(hù)長(zhǎng)度為1.5m、厚0.5m；堤頂設(shè)0.5×0.2m 砼壓頂?shù)堂?。堤防設(shè)置比降為3.5%直徑75mmPVC 排水管，呈梅花型按2m×2m 布置，對(duì)原干砌石護(hù)坡先打孔后埋設(shè)排水管，為防止細(xì)顆粒進(jìn)入排水管，排水管進(jìn)水包裹400g/m2土工布[3]。伸縮縫10m 設(shè)一道，用高密度閉孔聚乙烯泡沫板，縫寬2cm。堤壩夯填要求相對(duì)密度大于0.6。（圖1）

圖1 堤防加固設(shè)計(jì)斷面示意圖

3.7 護(hù)坡內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算

堤防加固采用1 種斷面型式，結(jié)合地質(zhì)及護(hù)坡材料，護(hù)坡穩(wěn)定計(jì)算公式采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D1.1-4～9 公式；計(jì)算K=1.32＞規(guī)范允許[K]=1.1，復(fù)式梯形斷面護(hù)坡各個(gè)工況下符合穩(wěn)定性條件，說(shuō)明堤防加固護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)合理。[4]

3.8 堤身穩(wěn)定計(jì)算

堤身穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧法。正常情況：設(shè)計(jì)洪水位驟降期臨水側(cè)堤防岸坡；非常情況：設(shè)計(jì)洪水位時(shí)遭遇地震的臨水堤防岸坡。

表5 可得，選取典型斷面各種工況下，堤身均滿足抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求，可達(dá)到堤防加固目的，說(shuō)明設(shè)計(jì)斷面合理。

表5 堤身穩(wěn)定計(jì)算成果表

4 結(jié)論與建議

文章針對(duì)項(xiàng)目區(qū)河道比降大，河床下切，堤壩欠高、埋深不足、垮塌等現(xiàn)狀，對(duì)損毀嚴(yán)重已建堤壩經(jīng)各種方案必選確定采用C20 細(xì)粒砼砌塊石復(fù)式堤防斷面，經(jīng)加高、培后、加深，使新舊護(hù)坡緊密連接，新建防沖肋墻控制河灘穩(wěn)固，確保堤壩健康運(yùn)行，沿岸居民、產(chǎn)業(yè)安全及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，改善河道生態(tài)、減少水土流失。建成后，運(yùn)行管理單位要加強(qiáng)河道巡查管護(hù)，防止人為損壞，阻止采砂等影響河道行為?？傊谭兰庸淌蔷S護(hù)水利工程的一個(gè)重要措施，保證水利工程自身安全方能確保沿岸居民、產(chǎn)業(yè)的安全，方可保證生態(tài)環(huán)境和水土保持的良性循環(huán)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展敦實(shí)基礎(chǔ)。