艾力克塔木防洪工程堤防設(shè)計(jì)與有限元復(fù)核研究

吐爾遜江

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆烏魯木齊830000）

艾力克塔木防洪工程堤防設(shè)計(jì)與有限元復(fù)核研究

吐爾遜江

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆烏魯木齊830000）

結(jié)合艾力克塔木防洪段河道整治項(xiàng)目現(xiàn)狀工程布置情況，通過項(xiàng)目比選，確定采用混凝土板護(hù)砌邊坡護(hù)砌型式，防洪堤基礎(chǔ)采用槽孔混凝土連續(xù)墻，以達(dá)到止水隔水的目的，采用換填非凍脹土砂礫石和碎石作為抗凍處理措施。參照規(guī)范，計(jì)算堤防0+150斷面處浸潤線位置與滲透量，采用abaqus軟件模擬分析正常蓄水位下堤防滲流狀態(tài)，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

防洪工程；堤防設(shè)計(jì)；護(hù)岸設(shè)計(jì)；方案比選

艾力克塔木段防洪堤工程為葉爾羌河中下游平原區(qū)的防洪工程建設(shè)的一部分，其存在河道淤積嚴(yán)重、總干渠部分段被洪水沖斷及沖毀、堤防欠高，破損嚴(yán)重等問題。急需對其進(jìn)行工程整治[1-2]。

1 工程概況

艾力克塔木段防洪工程位于葉爾羌河流域的下游，在小海子水庫西南約25 km處。艾力克塔木位于巴楚縣境內(nèi)，多年平均氣溫為11.7℃。最熱月為7月，月平均氣溫25.85℃；最冷月為元月，月平均氣溫-7.0℃。7～9月最大平均風(fēng)速：17 m/s，屬于寒冷地區(qū)，最大凍土層深度70cm。根據(jù)保護(hù)對象艾力克塔木防洪堤為Ⅲ等中型工程，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水，設(shè)計(jì)洪峰為670 m3/s。

2 堤線設(shè)計(jì)

艾力克塔木位于農(nóng)三師小海子水庫西南約25 km處，防洪工程范圍根據(jù)《新疆葉爾羌河防洪規(guī)劃報告》從艾力克塔木渠首開始分為兩段，上段位于艾力克塔木渠首上游，葉爾羌河右岸342+000-352+140段，下段位于艾力克塔木渠首至小海子水庫南壩河道，總長35 km，保護(hù)對象為農(nóng)三師前?？偢汕?、艾力克塔木渠首、小海子庫外渠、小海子水庫。提出以下兩種防洪堤軸線方案：

方案一：采用原防洪堤軸線，對局部彎道進(jìn)行裁彎取直。

優(yōu)點(diǎn)：此方案能夠因地制宜的充分利用現(xiàn)狀土堤，軸線較短為1010 m，能夠起到防洪堤壩的作用。

缺點(diǎn)：此段壩前和壩后均生長有較為茂密的植被（大多為胡楊），施工中必然破壞現(xiàn)狀植被；現(xiàn)狀土堤前填有大量多年沉積的臨時防洪材料，如：卵石鉛絲籠、卵石以及梢捆，基礎(chǔ)防沖設(shè)計(jì)局限性較大，就現(xiàn)行技術(shù)成熟的基礎(chǔ)防沖方法，僅鋼筋混凝土灌注樁防沖基礎(chǔ)可行；由于未改變壩軸線，河道寬度未發(fā)生變化，故河道行洪寬度與現(xiàn)狀一致（現(xiàn)狀河寬900～1050 m）；此方案施工期受洪水期的影響較大，洪水期不能施工，只能在河道非洪水期筑臨時導(dǎo)流堤進(jìn)行搶修，施工排水費(fèi)用高，容易造成施工質(zhì)量缺陷。

方案二：平行原壩軸線，在原防洪堤外邊坡坡腳外30～50 m范圍內(nèi)新建防洪堤。

優(yōu)點(diǎn)：此方案少破壞原有河漫灘植被；水流條件較好，河道行洪寬度較方案一寬30～50 m；基礎(chǔ)防沖設(shè)計(jì)局限性較方案一小，鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)、槽孔混凝土基礎(chǔ)、水力插板基礎(chǔ)等均適合；施工期不受洪水期的限制，施工排水費(fèi)用低，能保證工程施工質(zhì)量。

缺點(diǎn)：壩軸線長1020 m，較方案一長10 m，防洪堤以大填方為主，土方工程量大（填方約7萬m3），采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)工程造價較方案一高。

經(jīng)比較，方案二可避開多年沉積的臨時防洪設(shè)施，不受洪水影響及施工場地限制。故以方案二作為防洪堤線的推薦方案。

3 堤防設(shè)計(jì)

3.1 堤防斷面設(shè)計(jì)

堤防頂高程以20年一遇洪水水位加風(fēng)浪爬高和安全超高而定。堤頂超高計(jì)算公式如下：式中：Y為堤頂超高（m）；R為設(shè)計(jì)波浪爬高（m）；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度（m）；A為安全加高（m）。選取典型斷面進(jìn)行堤防超高計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

對于堤防護(hù)砌形式擬采用混凝土板護(hù)砌邊坡，防洪堤基礎(chǔ)采用槽孔混凝土連續(xù)墻，并在墻前設(shè)置12 m長水平卵石格賓籠鋪蓋設(shè)計(jì)方案[3]。

表1 堤防堤防高程計(jì)算成果表

堤防邊坡采取現(xiàn)澆混凝土板護(hù)砌，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》6.6.6條的要求混凝土板下設(shè)排水孔，孔徑取80 mm，排水孔間距3 m，呈梅花狀布置，排水孔后布置反濾?；炷涟逑落佋O(shè)10 cm反濾層，再鋪設(shè)土工織物，布重200 g/m2。封頂寬度為0.50 m，厚10 cm，封頂板混凝土強(qiáng)度為C20，Ⅱ級配，抗凍等級為F150。護(hù)坡型式見圖1。

3.2 混凝土板厚度計(jì)算：

圖1 艾力克塔木防洪工程防洪堤堤防斷面圖

混凝土板厚度是采取《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中D.3.3公式計(jì)算。

試中：T為混凝土護(hù)面板厚度，（m）；η為系數(shù),對開縫板可取0.075，對上部為開縫板下部為閉縫板可取0.10，本設(shè)計(jì)采取上部開縫板，故η取0.075；H為計(jì)算波高，取H1%。計(jì)算出平均波高后，查《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中C.1.3-1不同頻率波高換算表，計(jì)算結(jié)果見下表2：

表2 混凝土厚度計(jì)算成果表

計(jì)算出的混凝土板厚度偏薄，堤防受河水沖刷厲害，混凝土板厚根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取20 cm?；炷翉?qiáng)度為C20，Ⅱ級配，抗?jié)B等級為W6，抗凍等級為F150。

3.3 抗凍脹設(shè)計(jì)

項(xiàng)目區(qū)最大凍土深度為100 cm（2007年）。根據(jù)工程地質(zhì)情況，筑堤土料主要為低液限粉土，有一定的凍脹性，需采取抗凍脹措施。依據(jù)《水工建筑物抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》SL211-2006進(jìn)行抗凍脹設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)采用的抗凍脹措施為堤基換填措施[4]。

設(shè)計(jì)凍深是指天然地表或設(shè)計(jì)地面高程算起的凍結(jié)深度，可按《規(guī)范》公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Zd為設(shè)計(jì)凍深，m；ψd為日照及遮蔭程度的修正系數(shù)，按式B. 1.1-2確定，ψw為地下水影響系數(shù)，按式B.1.1-3計(jì)算。ψi為典型斷面某部位的日照及遮蔭程度修正系數(shù)，查得為1.15。α為系數(shù)，據(jù)工程所在的氣候區(qū)，建筑物計(jì)算斷面軸線走向、斷面形狀及計(jì)算點(diǎn)位置可分別由《規(guī)范》表B.1.1-1查取，取值為0.69。β為系數(shù)，為0.63。Zwo為當(dāng)?shù)鼗蜞徑鼩庀笈_(站)的凍前地下水位深度(m)。Zwi為計(jì)算點(diǎn)的凍前地下水位深度(m)。計(jì)算結(jié)果見下表3。

表3 凍深計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算最大凍深為1.12 m。根據(jù)《規(guī)范》6.3.2條規(guī)定，凍深小于1.2 m的地區(qū)，防凍層厚度應(yīng)大于0.6倍當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃龋ㄗ畲髢鐾辽疃?00 cm）。本工程防凍換填層厚度取0.6 m，換填材料為非凍脹土砂礫石和碎石，滿足抗凍脹要求。

3.4 基礎(chǔ)防沖設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)防沖設(shè)計(jì)為：槽孔混凝土防滲連續(xù)墻，并在墻前鋪設(shè)15 m長的水平鋪蓋進(jìn)行壩基防沖。

槽孔混凝土防滲墻墻厚0.6～1.0 m，本次采用墻厚0.6 m的槽孔鋼筋混凝土防滲墻進(jìn)行基礎(chǔ)防沖，槽孔混凝土砼強(qiáng)度等級為C25，Ⅱ級配，抗凍等級為F150,抗?jié)B等級為W6，砼密度不宜小于2300 kg/m3。為保證槽孔混凝土防滲墻在洪水淘刷作用下的穩(wěn)定性，在墻體迎水面拋格賓卵石籠增加其穩(wěn)定性。卵石格賓籠技術(shù)指標(biāo)：格賓石籠規(guī)格為長5×寬1×高0.6 m，鋪設(shè)兩層，用于制作格賓的鋼絲需厚鍍高爾凡（5%鋁鋅合金＋稀土元素）防腐處理，鍍層的粘附力要求：當(dāng)鋼絲繞具有2倍鋼絲直徑的心軸6周時，用手指摩擦鋼絲，其不會剝落或開裂，符合EN10223～3標(biāo)準(zhǔn)；網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度大于50 kN/m，符合EN10223-3標(biāo)準(zhǔn)；卵石短徑不小于120 mm[5]。見圖2。

4 滲流有限元計(jì)算分析

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.1.1條規(guī)定，河堤、湖堤應(yīng)進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算。本次計(jì)算以0+150樁號斷面作為典型斷面進(jìn)行核算。計(jì)算時采用迎水面為設(shè)計(jì)洪水、背水面無水工況進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)根據(jù)地質(zhì)勘測報告，防洪堤壩體材料為粉質(zhì)粘土，壩基以下為細(xì)砂，屬透水層。故本次滲流計(jì)算按透水地基計(jì)算，壩坡背水面按無排水設(shè)施情況分析。

圖2 防洪堤槽孔混凝土防滲連續(xù)墻結(jié)構(gòu)斷面圖

浸潤線計(jì)算公式：

式中h0為特征水深（m）；Te為地基的有效深度；浸潤線各點(diǎn)坐標(biāo)按以上公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 堤防滲流計(jì)算成果表

本文采用Abaqus有限元軟件對正常蓄水位下堤防0+150樁號斷面進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算分析。非穩(wěn)態(tài)分析是指地基的內(nèi)部或外部的邊界條件隨時間發(fā)生變化的分析。非穩(wěn)態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析的區(qū)別就在于邊界條件隨時間而變化，以及需要考慮體積含水率的影響。滲流計(jì)算基本微分方程為：

式中：Q為土單位體積上單位時間內(nèi)的釋水量，Θ為體積含水率。計(jì)算結(jié)果見圖3～圖5.

圖30 +150斷面總水頭計(jì)算結(jié)果

圖40 +150斷面孔隙壓力水頭計(jì)算結(jié)果

圖50 +150斷面滲流流量計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文對艾力克塔木段防洪工程存在的問題進(jìn)行了分析。確定了艾力克塔木段防洪工程布置方案，通過方案比選對于堤防護(hù)砌形式擬采用混凝土板護(hù)砌邊坡，防洪堤基礎(chǔ)采用槽孔混凝土連續(xù)墻，并在墻前設(shè)置12m長水平卵石格賓籠鋪蓋設(shè)計(jì)方案，并計(jì)算得到了護(hù)砌混凝土板厚度。經(jīng)計(jì)算最大凍深為1.12m，采用換填非凍脹土砂礫石和碎石，來滿足抗凍脹要求。采用規(guī)范推薦的方法計(jì)算了堤防浸潤線分布與滲透量，結(jié)果滿足規(guī)范要求。由于項(xiàng)目所在地區(qū)為新疆高寒地區(qū)，抗凍設(shè)計(jì)是否能達(dá)到實(shí)際要求還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。

[1]張家靈.生態(tài)堤防設(shè)計(jì)問題與原則分析[J].河南水利與南水北調(diào), 2016,(01):21-22.

[2]張寅虎.護(hù)岸堤防設(shè)計(jì)計(jì)算分析實(shí)例探討[J].中國水運(yùn)(下半月), 2015,(06):189-190+193.

[3]張曉佳.生態(tài)堤防設(shè)計(jì)的必要性及其原則分析[J].科技展望,2015, (13):245.

[4]李自榮.堤防設(shè)計(jì)中堤基設(shè)防深度探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014, (09):99-100.

[5]朱三華,黎開志,劉飛.淺析生態(tài)堤防設(shè)計(jì)[J].人民珠江,2005,(S1): 17-18.

TV85

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1673-9000（2017）04-0090-03

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吐爾遜江（1974-），男，維吾爾族，新疆和田人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事水利工程與設(shè)計(jì)工作。