汾河核心段蓄水區(qū)堤防防護(hù)分析計算

郭永剛

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

汾河核心段蓄水區(qū)堤防防護(hù)分析計算

郭永剛

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

汾河流域生態(tài)修復(fù)以恢復(fù)大自然的自我修復(fù)能力為依托，使汾河流域脆弱的生態(tài)環(huán)境得到根本性好轉(zhuǎn)。為防止蓄水區(qū)主槽在水流沖擊下，左右搖擺，流道不穩(wěn)定，在對近壩區(qū)的主槽進(jìn)行防護(hù)分析計算基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對防護(hù)材料進(jìn)行了選定。

堤防防護(hù)；設(shè)計分析；材料選定

1 概況

汾河發(fā)源于管涔山，自北向南縱貫6市27個縣（市、區(qū)），流域范圍涉及全省9市51縣。流域呈不規(guī)則寬帶狀分布在省境中部偏西地區(qū)，南北長412.5 km，東西寬188 km，流域面積39 471 km2，干流長716 km，占山西省國土總面積的25.3%。中游段河長266.9 km，流域面積20 509 km2，穿行于太原盆地和汾霍山峽，河道寬一般150～300 m，屬平原性河流，地勢平坦、土質(zhì)疏松，河谷中沖積層深厚，河型蜿蜒曲折。

汾河中游核心區(qū)多年平均降水量在437.9～495.7 mm范圍內(nèi)，年內(nèi)分配極不均勻。其中約60%集中在汛期7—9三個月；多年平均氣溫9.9℃～10.4℃，極端最高氣溫38℃～39.1℃，極端最低氣溫-26.5℃～-22℃，多年平均蒸發(fā)量1 567～1 819.8 mm；最大風(fēng)速17～22 m/s；最大凍土深71～95 cm；無霜期170.7～183.2 d。

2 堤防防護(hù)設(shè)計

2.1 防護(hù)材料

護(hù)砌材料分為傳統(tǒng)護(hù)砌材料和生態(tài)護(hù)砌材料兩大類，傳統(tǒng)護(hù)砌材料包括漿砌或干砌塊石護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡、預(yù)制混凝土塊體護(hù)坡；生態(tài)護(hù)砌材料包括生態(tài)袋、格網(wǎng)石籠、格網(wǎng)袋裝土籠、生態(tài)混凝土、抗沖生物毯、柳木樁等。

2.1.1 格網(wǎng)石籠

格網(wǎng)石籠是一種生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。采用強度高、抗腐蝕性強的格網(wǎng)拼裝而成，一般介于2.0～4.0 mm之間，石籠網(wǎng)片的邊沿直徑應(yīng)大于網(wǎng)線直徑。大多自然河流改造和人工渠道開挖采用這種方法。

石籠網(wǎng)產(chǎn)品柔性的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)邊坡的變動而不被破壞，比剛性結(jié)構(gòu)具備更好的安全不亂性；施工不受天氣、氣溫的限制，且施工工藝簡單，施工速度快；石籠網(wǎng)抗沖洗能力較強，能承受的水流速度可達(dá)6 m/s；該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上具有透水性，對地下水的天然作用及過濾作器具有較強的包容性，水中的懸移物和淤泥得以沉淀于填石縫中，對魚、蛙等水生動物產(chǎn)卵、越冬及微生物的繁殖有利，也有利于天然植物的生長，逐步恢復(fù)原有的生態(tài)環(huán)境。但工程造價相對較高，0.3 m厚格網(wǎng)石籠護(hù)坡單價約100～120元/m2。

2.1.2 土工石籠袋

土工石籠袋（格網(wǎng)袋裝土籠）是生態(tài)袋和網(wǎng)籠組合后的一種新型防護(hù)措施，是將裝好種植土的生態(tài)袋置于網(wǎng)籠內(nèi)。生態(tài)袋耐腐蝕，抗紫外線，易于植物生長，使用壽命長，透水不透土，與網(wǎng)箱組合后，具有生態(tài)、美觀、耐久、抗沖的特點。同時袋內(nèi)裝土，減少河道開挖土方外運，不用開山取石，有利于環(huán)保。缺點是造價較高。

2.1.3 抗沖生物毯

抗沖生物毯是一種“復(fù)合纖維織物”與“多樣化草種”等配套養(yǎng)護(hù)材料一體化的新型生態(tài)護(hù)坡、水土保持產(chǎn)品。一般鋪設(shè)于河道、護(hù)坡等駁岸邊坡上。在防止河道堤岸水力侵蝕、土壤流失的同時，可達(dá)到邊坡生態(tài)修復(fù)、景觀綠化的功效。

生物毯供貨時，可以根據(jù)景觀要求搭配需要的草種，施工后能較快實現(xiàn)生態(tài)和景觀效果；材料輕便，施工簡便，鋪設(shè)速度快；由于草和復(fù)合纖維織物成一體化，防沖能力較強；工程投資較小，護(hù)坡單價約80～90元/m2；生物毯覆在表面，可有效防止雨水侵蝕表層覆土，更具生態(tài)性。其缺點是植物成活前抗沖流速較小，僅為1～2 m/s，汾河設(shè)計洪水時的流速為2～3 m/s，需合理調(diào)度，且植物生長初期不能被水淹沒，工程運行初期，需用心維護(hù)。

2.1.4 生態(tài)混凝土

生態(tài)混凝土具有能適合植物根系生長、相互貫通的孔洞?？锥磧?nèi)通過填充復(fù)合鹽堿改良材料來改造鹽堿性水環(huán)境，保證生態(tài)混凝土上植物所需營養(yǎng)的供給具有全面性、緩釋性、均衡性和適應(yīng)性。優(yōu)點是防沖能力強，當(dāng)植被根系穿透混凝土并充分生長至土體中時，根系的錨固作用增加了綠化混凝土塊體對土體的防護(hù)作用，增加了岸坡的穩(wěn)定性；混凝土上可生長水生植物和陸生植物，具有良好的生態(tài)性和景觀效果；植物直接生長在混凝土上，坡面無被風(fēng)浪淘刷和雨水侵蝕現(xiàn)象；不需要以生態(tài)損失為代價開采石料，更具生態(tài)性。缺點是植物生長初期不能被水淹沒，需合理調(diào)度；工程造價相對高，護(hù)坡單價約150～170元/m2。

2.1.5 混凝土網(wǎng)格

混凝土網(wǎng)格護(hù)坡是在堤坡布置混凝土網(wǎng)格框架，框架內(nèi)填土播撒草種。優(yōu)點是生態(tài)性較好；施工工藝簡單；投資較大，護(hù)坡單價120～140元/m2。缺點是框格較大，耐沖流速較小；混凝土施工受天氣影響較大，工期長；植物生長初期不能被水淹沒，需合理調(diào)度。

2.2 蓄水后大堤的穩(wěn)定分析

2.2.1 蓄水區(qū)防洪堤滲流計算

根據(jù)本階段地質(zhì)工程試驗成果確定，防洪堤（低液限粉（黏）土）滲透系數(shù)為4.97×10-4cm/s；上層堤基（級配不良砂）滲透系數(shù)為9.4×10-3cm/s；下層堤基（低液限黏土）滲透系數(shù)為6.04×10-4cm/s。

根據(jù)土工試驗成果，該堤基土為級配不良砂、低液限黏土，其滲透變形類型主要為流土。結(jié)合工程經(jīng)驗和類比，建議水力比降允許值0.25～0.30。經(jīng)計算，標(biāo)準(zhǔn)斷面堤內(nèi)正常蓄水位2 m與堤外無水時的滲流工況下堤基出逸處滲透比降為0.146，允許滲透比降為0.25～0.30；堤內(nèi)正常蓄水位2 m與堤外水深1 m時的滲流工況下堤基出逸處滲透比降為0.074，允許滲透比降為0.25～0.30。

2.2.2 防洪堤邊坡穩(wěn)定計算

正常運用工況：堤內(nèi)為正常蓄水位2 m，堤外無水時；堤內(nèi)為正常蓄水位2 m，堤外水深1 m時；堤內(nèi)正常蓄水位降落時，堤外水深1 m時。

非常運用工況Ⅱ：以上工況遭遇7°地震時。

根據(jù)本階段地質(zhì)工程試驗成果確定，防洪堤（低液限粉（黏）土）容重12.9 kN/m3，黏聚力9.7 kPa，內(nèi)摩擦角9.8°；上層堤基（級配不良砂）容重12.2 kN/m3，黏聚力12.8 kPa，內(nèi)摩擦角27.2°；下層堤基（低液限黏土）容重14 kN/m3，粘聚力10 kPa，內(nèi)摩擦角18.5°。

本工程堤防的工程級別為4級，正常運用條件下堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25，非常運用條件Ⅰ下堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15，非常運用條件Ⅱ下堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10，從穩(wěn)定計算結(jié)果來看，在各工況下防洪堤堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，堤坡的抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。見表1。

表1 穩(wěn)定計算結(jié)果

經(jīng)綜合分析計算，結(jié)合工程實際運行條件，并考慮護(hù)坡景觀型式多樣性，在河道流速較大，過水頻繁的主槽采用耐沖的格網(wǎng)石籠防護(hù)；在河道大堤處，采用對生態(tài)破壞較小，生態(tài)效果較好的土工石籠袋（格網(wǎng)石籠裝土）進(jìn)行防護(hù)，減少土方外運，以加快施工進(jìn)度，減少工程投資。

TV871

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1004-7042（2017）01-0038-02

郭永剛（1973-），男，2007年畢業(yè)于河北工程大學(xué)水利水電工程專業(yè)，高級工程師。

2016-11-06；

2016-12-18