沁河下游險工改建加固設計

胡俊玲，趙廣運

（河南黃河勘測設計研究院，河南鄭州450003）

沁河下游險工改建加固設計

胡俊玲，趙廣運

（河南黃河勘測設計研究院，河南鄭州450003）

沁河下游險工現狀存在坦石坡度陡、根石薄弱、穩(wěn)定性差等問題，針對存在問題作者提出了險工改建壩型，采用退坦放緩邊坡、土工布防滲保護土體、預設備塌體加固根石的結構型式，以增強工程的穩(wěn)定性。經典型工程分析實踐證明，這種壩型提高了險工的抗洪能力，保障了堤防安全。

沁河下游；險工；坦石；根石；穩(wěn)定

沁河是黃河的一級支流，發(fā)源于山西省沁源縣二朗神溝中花坡鄉(xiāng)河底村，流經山西省的沁源、安澤、沁水、澤州縣，穿太行山于河南省濟源市的五龍口出山谷進入下游平原，經濟源、沁陽、博愛、溫縣、武陟五縣（市），于武陟縣的方陵村匯入黃河，河道全長485km。五龍口以下為下游，河道長90km。

沁河下游險工作為防洪工程體系的重要組成部分，大多是歷史上在搶險過程中依托于堤防修筑而成，具有挑流的作用，防守大堤免受主流頂沖和水流淘刷，保護堤防工程安全。

1 沁河險工現狀

根據史料記載，最早的沁河險工距今已有400余年的歷史，均系堤防受大溜頂沖后，在臨堤筑埽搶護或決溢后復堵所形成的防守型工程，多沿堤線布設，由壩、垛、護岸組成。歷史上遺留下來的這些老險工，絕大多數為秸料埽體修筑，僅個別險工有磚石裹護。人民治黃以來，險工歷經三次改建、續(xù)建，秸埽工程逐步石化。目前，沁河下游共有險工49處（含防洪壩2處），共計799座工程，其中壩112道，垛398座，護岸289段，工程長度52.583km。

沁河險工加高改建始于上世紀60、70年代，系戴帽加高，經過多年運用，破損、殘缺問題突出，工程“老化”日趨明顯，除近年來安排的改建壩垛外，多數壩垛仍存在以下問題。

（1）坦石坡度陡、穩(wěn)定性差

目前，沁河大部分險工坦石坡度為1：0.8～ 1：1.1，其穩(wěn)定性差，易出現整體滑塌險情；坦石石料經過多年的風雨侵蝕出現不同程度的破壞；坦石頂高低不平，寬度不夠，部分坦石頂寬只有0.3～0.4m，土石結合部不牢，加之坦石坡度較陡，工程強度不足，垛間無裹護，回流淘刷嚴重。

（2）土石結合部土體流失，坦石蟄陷

沁河險工現狀均為土石結構，多為搶險所修的工程，土石結合部無反濾措施，長期受到雨水、河水的浸蝕，土體流失嚴重，土石結合部出現空洞，坦石處于架空狀態(tài)，造成坦石下蟄，工程面貌不整。雨后或大水過后易出現塌陷，一旦靠河易出現坦石土體整體蟄陷險情，將給搶險帶來極大困難。

（3）根石深淺不一，抗沖能力弱

沁河下游河床為沖積土層，地層巖性以粉質粘土、壤土和砂壤土為主。根據險工根石探測成果，壩垛各處的沖刷深度不一，在靠主溜的壩頭部位，沖刷深度一般為5～10m，其他部位沖刷較淺。根石外坡一般為1：1～1：1.5。對于根石深度不足、邊坡陡的工程，受水流沖刷易出現根石走失、坍塌現象，影響工程安全穩(wěn)定性。

針對沁河險工目前存在問題，對現狀結構不合理、穩(wěn)定性差的險工進行改建加固，使其基本達到設計標準，以保證工程抗洪能力是十分必要的。根據實際情況，本次沁河下游險工改建共安排34處險工（防護壩），共431道壩、垛、護岸。

2 險工改建壩型選擇

沁河下游險工壩岸一般由土壩體、坦石、根石三部分組成，其中根石是險工壩岸的根基，最容易受到水流的沖刷，是壩岸最重要的組成部分，也是最容易出險的部位。

險工壩垛按護坡的型式不同現有三種結構：重力式砌石壩、護坡式扣石壩及亂石壩。亂石壩、扣石壩均屬緩坡壩，外坡1∶1.0～1∶1.5，主要區(qū)別在于護面石砌壘方式不同。亂石壩護面石一般用亂石粗排或散拋撿平而成，扣石壩護面石則用經過一定程度加工的料石或大塊石砌壘而成。砌石壩屬陡坡壩，外坡1：0.35～1：0.4，護面石亦用經過一定程度加工的料石或大塊石砌壘而成，與扣石壩的主要區(qū)別在于護面石的砌筑方式為平砌。

亂石壩主要優(yōu)點是坡度緩，穩(wěn)定性好，結構簡單，施工方便，能適應根石下蟄變形而隨時加固，險情易于發(fā)現和搶護，因此是險工壩垛的主要結構型式。缺點是護坡透水性大，壩體土易于流失，維修量大，管理不便。

扣石壩護面石長軸垂直于壩面，坡面平滑，主要優(yōu)點是壩坦坡度平緩，穩(wěn)定性好，水泥砂漿勾縫后外形美觀，壩體土不易被河水淘刷，管理方便。缺點是對基礎變形的適應性差，拆坦改建投資較大。

砌石壩護面石為水平方向砌筑，壩面呈階梯狀。因受石料長度的限制坡度較陡，屬重力式，分漿砌、干砌兩種。漿砌石壩護面石一般用石灰砂漿砌壘，水泥砂漿勾縫，腹石不灌漿。砌石壩的主要優(yōu)點是壩身封閉較嚴，外形美觀，壩體土不易被河水淘刷，管理方便，加高后對壩頂面縮窄較少。缺點是壩坡陡，穩(wěn)定差，易出現突然滑塌險情，不易搶護。

經綜合分析，本次險工改建采用亂石壩。

3 險工改建加固設計

3.1 建筑物級別

險工為沿堤防修建并依附于大堤的主要建筑物，險工建筑物級別同相應堤防級別［1］［2］。

沁河干流左岸丹河口以下堤防為1級；丹河口以上堤防為4級；右岸堤防為2級。

3.2 斷面設計

3.2.1壩頂高程

險工改建設計壩垛頂高程低于所在大堤設計堤頂高程0.2m，若壩垛現狀頂高程大于設計高程或保持現狀高程。

3.2.2坦石

考慮了風浪、浮冰的作用力以及高水位時水流對壩體土的沖刷，結合實際運用經驗，坦石頂寬采用水平寬度1.0m，坦石外坡1：1.3～1：1.5，散拋石結構。坦石面層采用粗排塊石，厚0.3m。

險工改建工程坦石采用順坡或退坦加高。如改建壩垛的坦石質量較好，坡度為1：1.3～1：1.5，根石達到標準，可順坡加高；否則，應退坦加高并將外邊坡放緩至1：1.5，內坡按1：1.3。

3.2.3土壩體

土壩體和坦石之間依次鋪設土工布、碎石墊層厚度10c m，防止水流對壩垛土體的淘刷及防止塊石劃破土工布，土工布頂部低于壩頂0.5m，并進行錨固，土工布頂（底）部水平錨固寬度均為1.0m。

3.2.4根石

結合沁河實際情況，本次險工改建設計沖刷深度取10m，對于根石深度不足、邊坡陡的工程，結合灘岸地形護腳采用挖槽拋石或灘岸防護的型式，預設備塌體按照設計沖刷深度補充所需石料。根石臺頂高程平灘面或與上下游壩垛根石臺高程平，寬度1.5m。

3.3 材料設計及填筑標準

3.3.1土料

按照《堤防工程設計規(guī)范》（G B 50286-2013）要求，“均質土堤的土料宜選用粘粒含量為10%～35%、塑性指數為7～20的黏性土，且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜質；填筑土料含水率與最優(yōu)含水率的允許偏差為±3%”。根據本次土料場勘察結果，大部分料場平均粘粒含量介于10.1%～26.7%之間，且土料場儲量豐富，大部分粘粒含量不小于15%。

土壩體填筑標準：1級堤防土料壓實度不小于0.95；2級堤防和堤身高度不小于6m的3級堤防土料壓實度不小于0.93，3級以下及低于6m的堤防不應小于0.91。

3.3.2石料

本次設計采用亂石壩結構，石料主要為塊石和毛石，必須采用抗風化性能好的石料，其比重應大于2.6，風化的山皮石和有裂紋的石料禁止使用；石料的抗壓強度不低于40MP a；石料的軟化系數不低于0.70。

塊石主要用于坦石的砌筑，根據計算其重量應為25～50kg，要求上下兩面平行且大致平整，無尖角，薄邊，邊厚宜大于20c m。毛石主要用于根石的填筑，根據計算其重量應為25～75kg，且中厚不少于15c m。施工中，坦坡內層塊石應采用人工砌筑排放，以避免破壞土工布及墊層。

3.3.3土工布

土工織物材料須符合反濾準則，具有保土性、透水性、防堵性［3］。復合土工布性能及特性指標見表1。

表1 復合土工布性能及特性指標

3.3.4墊層

墊層應采用一定級配且未風化的礫石或碎石，無尖角，其最大粒徑宜小于40m m，細粒含量不大于10%。墊層材料應不含草根、垃圾等雜質。

4 典型工程分析

本次選取武陟大樊險工進行典型工程分析。大樊險工位于沁河下游左岸，屬于武陟一局管轄，相應大堤樁號為59+309～60+639，始建于1888年，共有工程44座，其中垛25道，護岸19段，工程長度1330m。該工程1955年改建1次，1957年改建了6護岸、7垛、8護、9垛，1963年改建了42護岸，經過50余年的運行，工程隱患較多，一是該險工為扣石勾縫結構，坦石坡度多在0.9～1.4之間，坡度較陡、穩(wěn)定性較差；二是坦坡面石老化，勾縫脫落嚴重；三是石坦坡凹凸不平、塊石風化。為確保防洪工程安全，增強坦石邊坡穩(wěn)定性，增加坦石厚度和反濾材料，以減少雨水、洪水造成各種隱患和險情，提高工程強度，本次安排對該處險工44處垛（護岸）全部進行改建加固。

本次大樊險工改建設計不改變現有平面布局，基本保持原平面布置型式，采用退坦改建。以各改建壩垛的現狀壩頂高程為設計壩頂高程。改建后坦石外坡1：1.5，內坡1：1.3，坦石頂寬1m。根石臺頂寬度1.5m。根據近期根石探測情況，壩垛各處的沖刷深度不一，在靠主溜的壩頭部位，沖刷深度一般為5～10m，其他部位沖刷較淺，結合沖刷計算分析，本次設計沖刷深度取10m，作為驗算穩(wěn)定的深度。該險工目前不靠河，沿現狀根石臺外側灘地開挖深度1.5m，邊坡1：1，預拋根石備塌體，以補充未達到設計沖刷深度的石料。以后經過水流不斷沖刷，根石下蟄、基礎扎深，工程逐步趨于穩(wěn)定。武陟大樊險工改建典型斷面，見圖1。

圖1 武陟大樊險工改建典型斷面圖（單位：c m）（注：a→d為土工布鋪設范圍）

5 結論

沁河下游險工歷史悠久，多因堤防出險搶修而成，其結構型式由起初的秸埽工程逐步演變?yōu)橥潦瘔味?，經歷了漫長的過程。長期以來，如何保證工程抵御洪水沖刷的穩(wěn)定性，是設計人員面臨的關鍵性技術難題。通過對以往工程實踐的歸納總結，在現狀工程基礎上不斷優(yōu)化改進，進一步探索安全可靠、經濟合理的工程結構型式，對于工程經久耐用、堤防穩(wěn)固是至關重要的。

［1］溫小國.沁河水利輯要［M］.黃河水利出版社，2001.

［2］G B 50286-2013.堤防工程設計規(guī)范［S］.

［3］G B 50201-94.防洪標準［S］.

［4］SL/T 225-98.水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范［S］.

T V 222

：B

：1672-2469（2015）09-0091-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.029

胡俊玲（1969年—），女，教授級高級工程師。