水利工程中堤防設(shè)計方案淺析

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［摘要］隨著城市化進程的發(fā)展,資源開發(fā)和利用強度也急劇增加,土地和水資源正面臨承載能力的閾值,人們生活方式、交通工具以及生產(chǎn)設(shè)施的改變對水利工程提出了更高的要求,而堤防仍是防洪抗洪的重要手段。隆都圍經(jīng)過多年運行,在產(chǎn)生巨大的社會效益的同時也因為歷史原因、自然條件和人們的生產(chǎn)活動等存在一些工程隱患,以汕頭市隆都圍加固達標工程為例,重點分析堤防工程中堤身設(shè)計、坡面及護坡加固設(shè)計方案、堤身防滲處理、堤防沉降分析等技術(shù)要點。提高了圍內(nèi)防災(zāi)減災(zāi)能力,捍衛(wèi)人民生命和財產(chǎn)安全,從根本上保障該地區(qū)經(jīng)濟的穩(wěn)步快速發(fā)展,也為類似工程情況的河涌改造提供一定的借鑒意義。

［關(guān)鍵詞］水利工程；堤防工程；防災(zāi)減災(zāi)；技術(shù)要點

面對日益頻繁的洪澇災(zāi)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(wù)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(chǔ)上,經(jīng)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(nèi)人民生命和財產(chǎn)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(jīng)濟發(fā)展目標不相匹配,應(yīng)提高防洪標準,為地區(qū)經(jīng)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(shè)完成,隆都圍達標加固工程的建設(shè),有助于全圍發(fā)揮其應(yīng)有的防洪效果,切實到位的保護防護區(qū)內(nèi)的防洪安全,故應(yīng)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(guān)水閘及北關(guān)水閘、對南關(guān)水閘進行加固。隆都圍的工程任務(wù)以防洪為主,兼顧排澇。工程區(qū)域內(nèi)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475km,距汕頭市區(qū)僅15km。工程區(qū)距廣梅汕鐵路汕頭貨運站約11km,水運和陸運都很方便。主要設(shè)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。

2工程現(xiàn)狀及存在問題

隆都圍經(jīng)過多年的運行,在產(chǎn)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(chǎn)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(chǔ)上,經(jīng)歷年不斷加高培厚形成,未經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(nèi)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(jīng)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(shè)計方案

3.1堤身設(shè)計

隆都圍為3級堤防,按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）,堤防超高按下式計算確定：Y=R+e+A式中：Y為堤頂超高,m；R為設(shè)計波浪爬高,m,按規(guī)范附錄C計算確定；e為設(shè)計風(fēng)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0.7m。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(jīng)計算堤頂超高計算成果見表1。為減少占地、節(jié)省工程投資,結(jié)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(jié)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(shè)計洪水位,堤頂防浪墻高0.4m~0.7m。局部堤段堤頂高程滿足要求則無需設(shè)置防浪墻。

3.2坡面及護坡加固設(shè)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(shè)計經(jīng)驗,選定堤坡加固設(shè)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(nèi)充砂后砂漿勾縫；局部位置坡面砌石缺失的進行修補修復(fù),護坡修補采用M7.5漿砌石厚600mm（坡度采用1∶2.25）與上下游坡面平順連接,漿砌石護坡下設(shè)置碎石墊層和粗砂墊層厚各100mm。設(shè)計斷面圖見圖2。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80mm,下墊土工布一層和碎石墊層厚150mm；草皮護坡至現(xiàn)狀地面,坡比1∶2.5。設(shè)計斷面圖見圖3。南溪樁號0+000~2+700段堤前有大范圍的灘地,且堤身高度僅2m左右,故堤前不設(shè)護腳；其余原無護坡段堤防迎水坡坡腳設(shè)置0.7m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(shè)置漿砌石擋墻,以明確堤圍界限：現(xiàn)有設(shè)置擋墻堤段對局部有質(zhì)量問題擋墻進行拆除重建,現(xiàn)無設(shè)置擋墻堤段及后坡培厚堤段新增1.5m高M7.5漿砌石擋墻。設(shè)計斷面圖見圖4。

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2700m）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(zhì)粘土）頂以下0.5m（東溪6+120~8+000段平均樁長12m、南溪1+140~1+560段平均樁長11.8m、南溪4+340~4+740段平均樁長10.6m）；堤后填砂壓滲方案采用在堤防下游堤腳設(shè)置壓滲平臺寬10m、厚1m。對兩種方案分別進行滲透穩(wěn)定計算,結(jié)果詳見表2。根據(jù)計算結(jié)果,采用兩種方案處理后滲透穩(wěn)定均可滿足要求?？紤]隆都圍堤內(nèi)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(jīng)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(diào)查情況及結(jié)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(jīng)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(yīng)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(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）用壓縮模量計算主固結(jié)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(jīng)驗系數(shù)；n為地基變形計算深度范圍內(nèi)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(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量,MPa；Zi、Zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離,m；ai、ai-1為基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、第i-1層土地面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。經(jīng)計算,北溪1+630斷面的主固結(jié)沉降量為：堤身沉降量根據(jù)堤身填筑結(jié)構(gòu)和填筑土料不同,預(yù)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(yù)留沉降高度為1.5×4%+0.007=0.067m=67mm,北溪2+030斷面堤身預(yù)留沉降高度為3.9×4%+0.08=0.236m=236mm。

4結(jié)語

河道治理是一項系統(tǒng)性工程,當前堤防工程技術(shù)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(fēng)險因素和施工難點,在河道治理過程中堤防設(shè)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(shè)計、坡面及護坡加固設(shè)計方案、堤身防滲處理、堤防沉降分析等技術(shù)要點,工程任務(wù)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(zhì)的水利建設(shè)項目,對發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟具有積極和深遠的意義,經(jīng)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(fù)。

作者:熊姝 單位:廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司