儒洞河河道治理工程設(shè)計分析

陳文尚

(茂名市電白區(qū)水利水電勘測設(shè)計室有限公司，廣東 茂名 525400 )

1 工程概況

儒洞河位于茂名市電白區(qū)東部邊界，是電白區(qū)與陽西縣的界河，干流長54.00 km。流域面積697.00 km2。本次治理河段主要位于茂名市電白區(qū)馬踏鎮(zhèn)境內(nèi)，位于儒洞河中段，距離出?？诩s15.00 km。河道治理長度為5.52 km，其中治理堤防4.73 km(文華崗～樁號K1+400新建堤防0.61 km，樁號 K1+400～K5+520 加固堤防4.12 km)。根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)，村莊人口密集區(qū)設(shè)防段的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防工程級別為4級，排水區(qū)穿堤涵閘排水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，工程級別為 5 級。

2 河道存在的問題

儒洞河(馬踏鎮(zhèn)段)河道部分河段受到?jīng)_刷無堤無岸，農(nóng)田基本處于無防護狀態(tài)，且該段河道右岸為簡易土堤，居民密集區(qū)段分布少量人工擋墻護岸，但防洪標(biāo)準(zhǔn)不一，未滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)；堤防缺口較多，未形成完整防洪體系，抗御洪水能力較低。每到汛期或遇到特大暴雨，極易發(fā)生洪水漫灘溢岸，村莊受淹、農(nóng)田被沖毀，導(dǎo)致鎮(zhèn)區(qū)交通、電力、通信等設(shè)施損毀嚴重。這不僅威脅到沿岸人民生命財產(chǎn)安全，同時，頻繁的洪水災(zāi)害也對當(dāng)?shù)厣鐣€(wěn)定和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生極其不利的影響。為了減少洪澇災(zāi)害的發(fā)生率，保護兩岸人民生命財產(chǎn)安全，推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，對儒洞河(馬踏鎮(zhèn)段)治理工程的建設(shè)十分必要和迫切[1]。

3 工程設(shè)計

3.1 護岸工程設(shè)計

3.1.1 護岸斷面型式方案比選

根據(jù)儒洞河(馬踏鎮(zhèn)段)當(dāng)前現(xiàn)狀，本次護岸設(shè)計決定對生態(tài)框、混凝土預(yù)制塊護坡(土工布反濾)、雷諾護墊、格賓結(jié)構(gòu)(鉛絲籠)及擋土墻等五種方案進行方案比較，以選出最佳方案[2]。

方案一:生態(tài)框+草皮護坡。 此種方案優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、施工簡易耐久性好、安全穩(wěn)定可靠，抗急流沖刷性較強，適用于河道局部岸坡陡直、開挖難度較大、征地困難的河段。 缺點是不夠生態(tài)自然、親水且投資較大，不適合大范圍修建。

方案二:聯(lián)鎖磚、空心六角磚(混凝土預(yù)制塊)護坡。此種方案優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、施工簡易、景觀性較好且生態(tài)自然，適用于河道局部景觀段，岸坡較平緩河段。缺點是投資較大，不適合大范圍修建。

方案三:雷諾護墊。 此種方案優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、施工簡易、景觀性較好且生態(tài)自然，適用于岸坡較平緩的河段。

方案四:格賓結(jié)構(gòu)(鉛絲籠)。 此種方案優(yōu)點是具有良好的滲透性、可以防止水流、波浪 沖刷，控制水位變化，對地下水滲透也有一定作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生變形，整體投資 較小。缺點是施工所需石方量較大，石料級配要求高，強度和粒徑大小很難保障，軟土地 基以及防滲要求較高的地段不宜使用。

方案五:生態(tài)漿砌石擋墻。 此種方案優(yōu)點是施工連續(xù)性好、成本低、施工周期短，可適用于局部開挖難度大，征地困難河段，缺點是方案不夠親水且投資較大，且對基礎(chǔ)土體要求較高。

通過對上述幾個方案進行對比，以及考慮到工程所在地為河流中下游，地貌類型以沖積平原地貌為主，場地內(nèi)可利用石料少，且距離石料場較遠。為此，本次護岸措施對險工險段 K0+780～K1+617 采用拋石護腳、空心六角磚護坡共 0.84 km，對樁號 K0+780～K1+400、K1+617～K5+433、采用 C25 混凝土護腳、植草護坡或聯(lián)鎖磚護坡共 4.44 km。

3.1.2 護坡設(shè)計

(1)拋石護腳、空心六角磚護坡。 儒洞河主要位于文華崗村河段，該段下切較深，主流擺動已直逼堤腳，屬于險工險段。為抵抗流水沖刷對高邊坡的影響以及配合鄉(xiāng)村環(huán)境建設(shè)，在主河擺動不定和主流距堤腳較近的堤段，需對主河槽采用護岸措施，主要是對流速較大沖刷嚴重的堤段采用拋石護腳、空心六角磚護坡，據(jù)統(tǒng)計，該段使用拋石護腳共0.84 km。

(2) C25混凝土護腳、植草護坡或聯(lián)鎖磚護坡。 加固堤防主要采用 C25 混凝土護腳、植草護坡、及部分急彎堤段采用聯(lián)鎖磚護坡，見圖1。

圖1 C25 混凝土護腳、植草護坡、聯(lián)鎖磚護坡護岸典型設(shè)計圖示(單位：mm)

3.1.3 基礎(chǔ)沖刷深度計算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，平順護岸沖刷深度可按下列公式計算:

(1)

(2)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)附錄表D.2.2采用；Uc為泥沙起動流速，m/s；U為行近流速,m/s。

通過選取儒洞河(馬踏鎮(zhèn)段)樁號 K2+800 段河道斷面，經(jīng)計算，局部沖刷深度計算結(jié)果為hs=0.64 m，設(shè)計C25混凝土齒墻埋深為1.00 m，排除地基較差河段，平順河道沖刷不致對河岸造成威脅。

3.2 堤防工程設(shè)計

3.2.1 堤防選型

堤防斷面形式主要有直立式、斜坡式和復(fù)式等，考慮到本次治理的河道屬鄉(xiāng)村河道，為了減少河道兩岸硬化白化面積，減輕工程建設(shè)對河道自然面貌和生態(tài)環(huán)境的破壞，降低工程造價，本次堤防采用斜坡式斷面型式[3]。

3.2.2 堤身滲流計算

(1)新建堤段堤身滲流計算。 選取K0+900為計算斷面，堤防高度約4.40 m，堤頂高程為9.90 m，水位8.90 m。迎、背水 坡邊坡坡比為1∶2，新填堤段堤身填筑土滲透系數(shù)取1×10-5cm/s，因為堤身為黏性土，因此只對穩(wěn)定滲流工況進行計算。本次堤防滲流分析采用南京水準(zhǔn)科技有限公司研發(fā)的“AutoBANK7.7”軟件，計算方法采用有限元法。經(jīng)計算，堤身計算水力比降為0.1左右，堤后出逸坡降為0.38，小于允許水力比降，因此堤身滲流穩(wěn)定滿足安全要求。

(2)加固堤段堤身滲流計算。 選取K3+500為計算斷面，堤防高度約6.8 m，堤頂高程為10.39 m，水位9.39 m。迎、背 水坡邊坡坡比為1∶2，堤身填筑土滲透系數(shù)取4.74×10-4cm/s。堤身為黏性土，對穩(wěn)定滲流工況進行計算。經(jīng)計算，堤身計算水力比降為0.2左右，堤后出逸坡降為0.44，小于允許水力比降， 因此堤身滲流穩(wěn)定滿足安全要求。

3.2.3 堤身穩(wěn)定計算

邊坡穩(wěn)定計算用簡化畢肖普法計算穩(wěn)定滲流期以及非穩(wěn)定滲流期壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。本次計算斷面與滲流計算斷面相同，土層物理力學(xué)指標(biāo)為黏性土，C值取 24.13 kPa，φ取 18°。經(jīng)計算，設(shè)計水位工況下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25大于1.20，邊坡是穩(wěn)定的[4]。

3.3 穿堤涵閘設(shè)計

本工程共需改建排水涵閘2座，重建圓涵5座，根據(jù)每個涵閘工程特性，本次設(shè)計選取涵 R-1作為典型計算斷面，對涵閘的防滲排水、消能設(shè)施和抗滑穩(wěn)定進行計算復(fù)核，因箱涵上覆填土較薄，所以不進行基底應(yīng)力復(fù)核。

3.3.1 涵閘過水能力計算

本次設(shè)計涵洞洞身為矩形斷面，過流能力可按《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》 (SL 482—2011)有關(guān)公式計算。根據(jù)計算，涵洞過流能力計算主要成果如表1。

表1 涵閘水力復(fù)核計算成果

3.3.2 防滲排水復(fù)核

閘基防滲長度按式(3)進行復(fù)核:

L=CΔH

(3)

式中:L為防滲長度,m；C為允許滲徑系數(shù)，現(xiàn)取7； ΔH為上下游水位差,m。

因涵 R-2、R-4、R-5、R6、R7 為排水圓涵及涵 R-3 滲徑較長，基本不存在防滲問題。 本工程主要對涵 R-1 箱涵進行復(fù)核，涵 R-1防滲復(fù)核按關(guān)閘時的最大水位落差進行復(fù)核計算。由于涵 R-1 地處儒洞河與龍灣河交匯處不設(shè)防河段，無防洪職能，主要功能為排洪，該閘不考慮進行防滲復(fù)核。

3.3.3 消防防沖計算

消力池深度、消力池長度、河床沖刷深度計算采用《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265—2016)的相關(guān)公式計算。

經(jīng)計算，涵R-1消力池長度 8.7 m，深度 0.5 m，滿足規(guī)范計算要求[5]；另基于涵閘泄水渠河床為卵石夾砂，抗沖能力較強，因此消力池下游不再設(shè)置海漫，而是設(shè)置深度 1.5 m，總長2.0 m 的防沖槽。

3.3.4 抗滑穩(wěn)定計算

涵R-1 為單孔整體式箱涵結(jié)構(gòu)，根據(jù)堤軸線方向結(jié)構(gòu)布置及受力情況對稱，只對涵閘遭遇外江設(shè)計洪水位 8.78 m，水閘下閘擋水時的內(nèi)外江水頭差組合(基本組合)作為計算工況，其余工況不予考慮。根據(jù)規(guī)范SL 265—2016，計算式(4)如下:

(4)

式中:Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，參照地質(zhì)勘察成果，取為 0.35； ∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載,kN； ∑H為作用在閘室上的全部水平荷載,kN。

在各種荷載組合工況下，閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足Kc>[Kc]，對于 5 級建筑物，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值[Kc]=1.20。

經(jīng)計算，涵R-1在基本荷載組合條件下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.46，滿足規(guī)范要求。

3.3.5 翼墻穩(wěn)定計算

涵閘翼墻選取斷面最大的涵R-1位置翼墻進行穩(wěn)定計算。

(1)抗滑穩(wěn)定計算。 土質(zhì)地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，接式(5)計算:

(5)

式中:Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； ∑G為作用于翼墻上全部豎向荷載； ∑H為作用于翼墻上全部水平向荷載；φ0為翼墻基底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角,(°)；C0為翼墻基底面與土質(zhì)地基之間的黏結(jié)力,kPa;A為擋土墻基底面的面積，m2;f為底板與地基之間的摩擦系數(shù)。

(2)基底應(yīng)力計算。 擋土墻基底應(yīng)力應(yīng)按式(6)計算:

(6)

式中:Pmax、Pmin為擋土墻基底應(yīng)力的最大值或最小值,kPa； ∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN； ∑M為作用在擋土墻上的全部荷載對于水平面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和,kN·m；A為擋土墻基底面的面積，m2；W為擋土墻基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩,m3。

(3)抗傾覆穩(wěn)定計算。 擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，按式(7)計算:

(7)

式中:K0為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)； ∑MV為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩,kN·m； ∑MH為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩,kN·m。

(4)計算荷載。 包括擋墻自重、水壓力、揚壓力、地面荷載和土壓力。考慮地面遭遇較長時間降雨53.17 h，雨水可能滲入土體，墻后填土采用飽和重度。

(5)計算基本資料。 擋墻基底與地基間的摩擦系數(shù)f按擋墻所在位置，根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報告》選取； 墻體容重γ=24 kN/m3； 重力式擋墻背后填土，濕容重18 kN/m3，飽和容重19 kN/m3，墻后回填土采用砂質(zhì)土回填，內(nèi)摩擦角取 35°。

(6)計算工況。 正常工況(設(shè)計洪水期)， 正常工況(設(shè)計洪水降落至常遇水位)， 非常工況1(施工期):無水。

(7)計算結(jié)果。通過采用理正巖土擋土墻計算程序，涵R-1出口消力池翼墻計算成果如表2。

表2 涵出口消力池翼墻擋墻計算成果

經(jīng)計算，涵R-1閘翼墻在不同工況下，其抗滑、抗傾以及基底應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本次主要對儒洞河(馬踏鎮(zhèn)段)采取舊堤加固，新堤重建，涵閘改造與重建等治理手段，河道治理長度為5.52 km，其中治理堤防4.73 km，治理護岸4.65 km，透水磚綠道0.83 km，堤頂泥結(jié)石路面4.68 km。通過治理，該河段堤防達到了防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，河道的防洪防汛減災(zāi)能力也大幅度提高。本工程建成后，不僅對當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展具有十分重要的意義，同時，還取得了較好的防洪效益和生態(tài)效益。