论文部分内容阅读
摘要：文章结合笔者从事河堤设计实践总结，主要针对某河堤结构存在的病害现象进行了分析，采取加固设计。主要对加固方案进行选择，在此基础上，针对河流堤防加固设计要点进行了分析与研究，旨在为类似的工程设计提供参考。
关键词：水利工程；河堤加固；设计方案；稳定计算
1项目概述
广东省某县级河流，为一级支流，干流长28km，流域面积180km2。本治理工程主要位于河流入口段，河段全长6km。通过现场检测分析，该河道存在局部淤堵，沿河两岸堤防堤坡偏陡、堤顶欠高欠宽，跨河桥梁下游消能防冲设施破坏严重，穿堤建筑物年久失修、老化损毁严重，加上汛期巴河干流水位顶托，河道行洪能力不足，防洪能力不能满足规范要求。
2 堤线布置
经过历史洪水的考验的分析得知，现有堤线布置总体是合理的，绝大部分河段两岸堤防基本顺直，既能满足河道宣泄洪水及地基稳定要求，也有利于兴利除弊，同时能够兼顾上下游及两岸防洪需要。仅右岸桩号0+800～1+160之间段河堤凸出于河道之中，致使左岸河堤迎流顶冲。因此本阶段河道治理除本段河堤外，都是在现有堤身基础上进行，加固后堤身轴线略有调整，以减轻对岸河堤的冲刷。
3 设计方案选择
为了减少工程占地，本阶段以外培加高为主，部分堤段采用内培加高。结合实践，本堤身整险加固方案有两种：
（1）防渗处理和堤身加培结合方案。迎水坡填筑黏性土防渗，背水坡填筑代料土。迎水坡黏性土填筑厚度1m，顶面同堤顶高程，下部设1m深齿槽。
（2）堤身加培后防渗处理方案。采用代料土加高培厚堤身后进行防渗处理，主要采用锥探灌浆，局部渗漏严重堤段采用水泥土防渗墙。锥探灌浆孔布设于迎水侧，共6排，深8 m，排距1m，孔距1m，梅花形布置；水泥土防渗墙布置在迎水侧堤肩，深10m，成墙厚度0.25 m。
两方案技术上都是堤坝防渗处理的常规措施，能够较好地满足工程需要。但方案一为土方填筑工程，施工简便，一般的土方机械即能满足工程需要，工期容易保证，方案二除需要常规的土石方施工机械外，还需要大型的深层搅拌机械，水泥土防渗墙孔斜和施工单元之间的连接控制较为困难，且由于工序多，需要的施工工期较长。综合技术、施工难度、工期等方面，防渗处理和堤身加培结合方案较为优越，技术可行、施工简便、工期短，因此采用迎水坡采用黏性土料填筑方案作为河道两岸堤防的加固方案。
4 堤身加固设计
4.1 堤身填筑设计
为了减少工程永久占地，堤身采用外帮加培为主，迎水坡填筑黏性土料防渗。根据《碾压式土石坝设计规范》的规定，斜墙防渗体底部厚度不小于设计水头的1/5，顶部宽度应满足机械碾压的需要。因此拟定黏性土填筑厚度为1m（水平厚度2.23m）下部设1m深齿槽填筑土料渗透系数<5×10-5cm/s；黏性土压实度最小值根据本河段堤防级别按《堤防工程设计规范》确定为0.90。其他部位采用代料土填筑，代料土相对密度按≥0.60控制。堤身加培应清基后开挖牙口，以利新老堤身结合。填筑时应水平分层铺土、碾压，不得顺坡铺填。
根据工程现状，本河段堤防左岸现状堤顶高程38.42～41.70m，右岸现状堤顶高程 37.47～42.88m，堤身高度一般为5～6m，堤身单薄，堤顶宽度1.5～5m，坡比一般为1：1～1：2，所有堤段均未护砌。本次河道治理设计按5级堤防标准达标，堤身达标处理总长 12.28 km。堤身断面达标主要包括：1）堤顶高程按10年一遇洪水设计洪水位加0.8m超高控制，为不降低现有堤防的防洪能力，堤顶高程按“只抬不降”的原则进行；2）设计堤顶宽度4.0m；根据工程地质条件和填筑土料的物理力学指标，各堤段堤身内外边坡均按1：2设计。
4.2 堤身护坡设计
根据设计洪水水面线计算成果，在设计洪水工况下，河道水流速度大部分都>1m/s，58 个断面中流速>1m/s的有37个，占63.8%，其中流速>1.5 m/s的断面为14个，占24.1%。因此为了保护防渗黏性土料，避免汛期洪水冲刷，拟对堤坡进行护砌。
护坡通常采用草皮护坡、干砌块石护坡、预制混凝土块护坡、植草混凝土框格护坡等型式。草皮护坡施工简单，造价低廉，具有保持水分、防止水土流失的作用，但抗冲性能差，适用于堤内坡和外滩较宽且流速较小堤段的堤外坡护砌；干砌块石消浪能力较强，但对块石料的要求较高，受料源限制，且较难铺砌，铺砌后外观稍差；预制混凝土块防浪能力、抗冲性能强，铺砌后坡面平整、外观美观，且易于铺砌、取材容易、方便管理。干砌块石护坡与预制混凝土块护坡，均适用于外滩窄迎流顶冲堤段，干砌块石护坡与预制混凝土块护坡造价相对较高。植草混凝土框格护坡兼备草皮护坡和预制混凝土护坡及浆砌块石护坡的优点，造价比混凝土块护坡低。
本次河道堤身防渗体填筑一般不在主河槽，局部主河槽堤段下部需设置垂直挡土墙固脚，护坡一年中绝大部分时间是在水面以上，因此本次加固堤内坡采用草皮护坡，外坡采用植草混凝土框格护坡。根据类似工程经验，植草混凝土框格采用C20预制混凝土结构，净空尺寸取 800×800，边框宽150mm，厚200mm，护坡从坡脚护至堤顶线，采用M10水泥砂浆勾缝，空心部位填土种植草皮 坡脚设断面0.6m×0.6m的浆砌石脚槽，堤顶设断面0.3m×0.6m的混凝土路缘石。
5 整治后渗流及稳定计算分析
5.1 渗流分析
1）渗流计算。根据工程布置设计成果，陈庙河堤身防渗采用迎水坡加培黏土处理方案，防渗体渗透系数1×10-4cm/s。整治后堤防防渗能力将会有较大的提高。通过计算，各断面下游水力渗透坡降及渗透量成果见表1。
2）结果分析。根据地质报告成果，背水坡水平出逸坡降允许值为0.3，从上表可以看出，在设计水位工况下，各计算断面背水坡水平出逸坡降均能满足要求，且单宽流量较小。
5.2 稳定计算分析
本工程采用不计及条块间作用力的瑞典圆弧法进行抗滑稳定计算。计算采用北京理正软件研究所编制的岩土工程边坡稳定的计算程序完成，自由水面线由渗流分析成果确定压缩性较大的填土中发生水位降落时，将产生附加孔隙压力，因为水位骤降过程中孔隙水压力来不及消散，这次计算按设计规范采用了近似的方法来确定，即不考虑降落时孔隙水压力的消散，对孔隙水压力系数取近似值为 1，并对土单元总应力的变化根据土条重量变化予以简化处理，得出近似公式：
u=u0-（△hw+△hsne）γw
u0=γw（h1+h2+h3-h'）
式中：u0为水位降落前的孔隙压力；hw为计算点土柱的坝面以上水位降落高度；hs为计算点土柱中砂壳无黏性土区内库位降落高度；h1为计算点上部黏性填土的土柱高度；h2为计算点上部砂壳无黏性填土的土柱高度；h3为坝面以上至水面的高度；ne为砂壳无黏性填土的有效孔隙率；h'为在稳定渗流期水流达A点的水头损失值。
通过以上稳定计算成果可以看出，本次河道流域通过整治后，上背水坡在各种工况下形成稳定渗流期稳定安全系数均满足规范要求。
6 结语
综上所述，本文结合中小河流堤防存在的堤坡偏陡、堤顶欠高欠宽，抗洪能力低等问题，对其采取加固设计。通过方案比选而优化选取迎水坡采用黏性土料填筑方案作为河道两岸堤防的加固方案；同时深入地提出其采取的可行设计措施，通过加固分析表明，加固后河堤渗流及其稳定性均满足要求。
参考文献：
[1]朱三华.生态堤防设计[J].中国农村水利水电，2005（06）.
[2]孙东亚.关于改进我国堤防工程护坡设计的建议[J].水利水电技术，2007（02）.
关键词：水利工程；河堤加固；设计方案；稳定计算
1项目概述
广东省某县级河流，为一级支流，干流长28km，流域面积180km2。本治理工程主要位于河流入口段，河段全长6km。通过现场检测分析，该河道存在局部淤堵，沿河两岸堤防堤坡偏陡、堤顶欠高欠宽，跨河桥梁下游消能防冲设施破坏严重，穿堤建筑物年久失修、老化损毁严重，加上汛期巴河干流水位顶托，河道行洪能力不足，防洪能力不能满足规范要求。
2 堤线布置
经过历史洪水的考验的分析得知，现有堤线布置总体是合理的，绝大部分河段两岸堤防基本顺直，既能满足河道宣泄洪水及地基稳定要求，也有利于兴利除弊，同时能够兼顾上下游及两岸防洪需要。仅右岸桩号0+800～1+160之间段河堤凸出于河道之中，致使左岸河堤迎流顶冲。因此本阶段河道治理除本段河堤外，都是在现有堤身基础上进行，加固后堤身轴线略有调整，以减轻对岸河堤的冲刷。
3 设计方案选择
为了减少工程占地，本阶段以外培加高为主，部分堤段采用内培加高。结合实践，本堤身整险加固方案有两种：
（1）防渗处理和堤身加培结合方案。迎水坡填筑黏性土防渗，背水坡填筑代料土。迎水坡黏性土填筑厚度1m，顶面同堤顶高程，下部设1m深齿槽。
（2）堤身加培后防渗处理方案。采用代料土加高培厚堤身后进行防渗处理，主要采用锥探灌浆，局部渗漏严重堤段采用水泥土防渗墙。锥探灌浆孔布设于迎水侧，共6排，深8 m，排距1m，孔距1m，梅花形布置；水泥土防渗墙布置在迎水侧堤肩，深10m，成墙厚度0.25 m。
两方案技术上都是堤坝防渗处理的常规措施，能够较好地满足工程需要。但方案一为土方填筑工程，施工简便，一般的土方机械即能满足工程需要，工期容易保证，方案二除需要常规的土石方施工机械外，还需要大型的深层搅拌机械，水泥土防渗墙孔斜和施工单元之间的连接控制较为困难，且由于工序多，需要的施工工期较长。综合技术、施工难度、工期等方面，防渗处理和堤身加培结合方案较为优越，技术可行、施工简便、工期短，因此采用迎水坡采用黏性土料填筑方案作为河道两岸堤防的加固方案。
4 堤身加固设计
4.1 堤身填筑设计
为了减少工程永久占地，堤身采用外帮加培为主，迎水坡填筑黏性土料防渗。根据《碾压式土石坝设计规范》的规定，斜墙防渗体底部厚度不小于设计水头的1/5，顶部宽度应满足机械碾压的需要。因此拟定黏性土填筑厚度为1m（水平厚度2.23m）下部设1m深齿槽填筑土料渗透系数<5×10-5cm/s；黏性土压实度最小值根据本河段堤防级别按《堤防工程设计规范》确定为0.90。其他部位采用代料土填筑，代料土相对密度按≥0.60控制。堤身加培应清基后开挖牙口，以利新老堤身结合。填筑时应水平分层铺土、碾压，不得顺坡铺填。
根据工程现状，本河段堤防左岸现状堤顶高程38.42～41.70m，右岸现状堤顶高程 37.47～42.88m，堤身高度一般为5～6m，堤身单薄，堤顶宽度1.5～5m，坡比一般为1：1～1：2，所有堤段均未护砌。本次河道治理设计按5级堤防标准达标，堤身达标处理总长 12.28 km。堤身断面达标主要包括：1）堤顶高程按10年一遇洪水设计洪水位加0.8m超高控制，为不降低现有堤防的防洪能力，堤顶高程按“只抬不降”的原则进行；2）设计堤顶宽度4.0m；根据工程地质条件和填筑土料的物理力学指标，各堤段堤身内外边坡均按1：2设计。
4.2 堤身护坡设计
根据设计洪水水面线计算成果，在设计洪水工况下，河道水流速度大部分都>1m/s，58 个断面中流速>1m/s的有37个，占63.8%，其中流速>1.5 m/s的断面为14个，占24.1%。因此为了保护防渗黏性土料，避免汛期洪水冲刷，拟对堤坡进行护砌。
护坡通常采用草皮护坡、干砌块石护坡、预制混凝土块护坡、植草混凝土框格护坡等型式。草皮护坡施工简单，造价低廉，具有保持水分、防止水土流失的作用，但抗冲性能差，适用于堤内坡和外滩较宽且流速较小堤段的堤外坡护砌；干砌块石消浪能力较强，但对块石料的要求较高，受料源限制，且较难铺砌，铺砌后外观稍差；预制混凝土块防浪能力、抗冲性能强，铺砌后坡面平整、外观美观，且易于铺砌、取材容易、方便管理。干砌块石护坡与预制混凝土块护坡，均适用于外滩窄迎流顶冲堤段，干砌块石护坡与预制混凝土块护坡造价相对较高。植草混凝土框格护坡兼备草皮护坡和预制混凝土护坡及浆砌块石护坡的优点，造价比混凝土块护坡低。
本次河道堤身防渗体填筑一般不在主河槽，局部主河槽堤段下部需设置垂直挡土墙固脚，护坡一年中绝大部分时间是在水面以上，因此本次加固堤内坡采用草皮护坡，外坡采用植草混凝土框格护坡。根据类似工程经验，植草混凝土框格采用C20预制混凝土结构，净空尺寸取 800×800，边框宽150mm，厚200mm，护坡从坡脚护至堤顶线，采用M10水泥砂浆勾缝，空心部位填土种植草皮 坡脚设断面0.6m×0.6m的浆砌石脚槽，堤顶设断面0.3m×0.6m的混凝土路缘石。
5 整治后渗流及稳定计算分析
5.1 渗流分析
1）渗流计算。根据工程布置设计成果，陈庙河堤身防渗采用迎水坡加培黏土处理方案，防渗体渗透系数1×10-4cm/s。整治后堤防防渗能力将会有较大的提高。通过计算，各断面下游水力渗透坡降及渗透量成果见表1。
2）结果分析。根据地质报告成果，背水坡水平出逸坡降允许值为0.3，从上表可以看出，在设计水位工况下，各计算断面背水坡水平出逸坡降均能满足要求，且单宽流量较小。
5.2 稳定计算分析
本工程采用不计及条块间作用力的瑞典圆弧法进行抗滑稳定计算。计算采用北京理正软件研究所编制的岩土工程边坡稳定的计算程序完成，自由水面线由渗流分析成果确定压缩性较大的填土中发生水位降落时，将产生附加孔隙压力，因为水位骤降过程中孔隙水压力来不及消散，这次计算按设计规范采用了近似的方法来确定，即不考虑降落时孔隙水压力的消散，对孔隙水压力系数取近似值为 1，并对土单元总应力的变化根据土条重量变化予以简化处理，得出近似公式：
u=u0-（△hw+△hsne）γw
u0=γw（h1+h2+h3-h'）
式中：u0为水位降落前的孔隙压力；hw为计算点土柱的坝面以上水位降落高度；hs为计算点土柱中砂壳无黏性土区内库位降落高度；h1为计算点上部黏性填土的土柱高度；h2为计算点上部砂壳无黏性填土的土柱高度；h3为坝面以上至水面的高度；ne为砂壳无黏性填土的有效孔隙率；h'为在稳定渗流期水流达A点的水头损失值。
通过以上稳定计算成果可以看出，本次河道流域通过整治后，上背水坡在各种工况下形成稳定渗流期稳定安全系数均满足规范要求。
6 结语
综上所述，本文结合中小河流堤防存在的堤坡偏陡、堤顶欠高欠宽，抗洪能力低等问题，对其采取加固设计。通过方案比选而优化选取迎水坡采用黏性土料填筑方案作为河道两岸堤防的加固方案；同时深入地提出其采取的可行设计措施，通过加固分析表明，加固后河堤渗流及其稳定性均满足要求。
参考文献：
[1]朱三华.生态堤防设计[J].中国农村水利水电，2005（06）.
[2]孙东亚.关于改进我国堤防工程护坡设计的建议[J].水利水电技术，2007（02）.