大同市口泉河河道治理堤防稳定设计

张 娟

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

口泉河位于大同市西南山区，属于永定河水系桑干河一级支流，发源于左云县水窑村，由西向东流经口泉河煤矿矿区和南郊区的赵家小村,至怀仁县智明庄汇入桑干河，干流全长57.5 km，总流域面积459 km2，大同市境内河段长37.4 km，占河道全长的65%，流域面积331 km2，两岸遍布大型国有煤矿和地方煤矿。河道治理工程为口泉河五一桥以下2 km起至秀女桥段，长约6.2 km，主要包括堤防工程、堤岸防护工程、交叉建筑物、堤顶抢险路工程四部分。根据《中华人民共和国防洪标准》、《堤防工程设计规范》，确定该河道治理工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。

2 工程地质

工程区属阴山支脉，所处大地构造单元为内蒙断块的南缘，西北部为低中山区，东南部为大同盆地。口泉河总体流向由北西向南东，区内主要接受大气降水补给，地下水主要为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。区内主要发育古生界寒武系和奥陶系碳酸盐岩、石炭系和二迭系陆相碎屑岩、中生界侏罗系陆相碎屑岩、新生界上第三系坡洪积物及第四系松散堆积物。该河道治理工程位于口泉河中下游口泉村五一桥以下2 km至秀女桥，该段口泉河流向S50°～55°E，河谷宽70～150 m，两侧形成较宽阔的河漫滩及Ⅰ级堆积阶地。地层主要为第四系全新统洪冲积物，岩性表层为淡黄色低液限粉土，含砾石及大量植物根系，厚0～1.5 m；其下为级配不良砾夹低液限粉土，局部为卵石混合土透镜体，厚10～15 m。其下为淡黄色、微红色低液限黏土夹级配不良砂砾和低液限粉土局部夹卵石混合土透镜体，厚度大于30 m。防洪堤堤基主要为全新统洪冲积低液限粉土和级配不良砾，低液限粉土压缩变形大，承载力能力低，级配不良砾结构松散，夹级配不良砂和卵石混合土，局部架空，抗冲刷能力差。堤基存在不均匀变形和洪水冲刷问题。经地质调查，狼儿沟石料场和梓家村砂砾料场储量较丰富，可满足工程设计用量要求，开采运输条件较好。

3 堤防设计

3.1 堤型选择

项目区位于大同市城镇边缘，沿河除村镇外均为耕地，土料取料较方便。位于大同市郊的狼儿沟石料场储量丰富，满足修建重力式防洪堤供料。鉴于此，堤型根据河床特征分段选择：3号中桥以上（简称上游段）为下部重力式防洪墙、上部为土堤复式断面；3号中桥以下（简称下游段）为纯土堤断面。

3.2 堤防断面及结构设计

3.2.1 上游段

堤防断面型式为复式断面，下部为仰斜式重力防洪墙，墙高2.9～5.1 m，墙顶宽0.5 m，墙体迎水面边坡1：0.3，墙背坡 1：0.1，基础宽度 2.0～2.4 m；上部为土堤，堤高0.9 m，顶宽6.0 m，迎水面边坡1：3.0，背水面边坡1：2.0，采用植被网护坡。修建堤防时要求对地基进行夯实处理。

3.2.2 下游段

堤防断面宜布置为纯土堤，堤高1.8～3.4 m，堤顶及边坡设计同上游段，护坡型式可分为两种：河床顺直或凸岸段，堤面护坡同上游段。河床凹岸段堤脚下部采用MU7.5浆砌石护坡，防护高度1.1～2.7 m，上部采用混凝土网格护坡。浆砌石护坡厚0.3 m，混凝土网格护坡厚0.12 m，格内植草，该段型式长约1.801 km。

3.3 上游段堤防稳定结构设计

3.3.1 基本资料

计算工况：正常运用条件为设计洪水运行工况；非常运用条件为多年平均水位遭遇地震情况。稳定及应力计算均选用北京理正软件设计研究所的《挡土墙计算软件》进行计算。

稳定安全系数及地基承载力按《堤防工程设计规范》选用。

3.3.2 荷载计算

项目区左右堤防外侧均设有抢险路，防洪墙稳定计算及应力计算时应考虑汽车荷载作用。防洪墙稳定及应力计算不含汽车荷载计算，该工程将汽车荷载折算成土重附加于墙后进行计算。

根据《公路桥涵设计通用规范》，车辆荷载在挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力可按下式换算成等代均布土层厚度计算：

式中：h——等代均布土层厚度，m；

γ——土容重，kN/m3；

∑G——布置在B×l0面积内的车轮的总重力，kN；

l0——挡土墙后填土的破坏棱体长度，m；

B——挡土墙的计算长度，m。

经计算，等代均布土层厚度约为1.56 m。

3.3.3 计算公式

根据《堤防工程设计规范》，防洪墙抗滑稳定按下式进行计算：

式中：Kc——抗滑稳定安全系数；

∑W——作用于墙体上的全部荷载垂直力的总和，kN；

∑P——作用于墙体上的全部荷载水平力的总和，kN；

f——防洪墙墙底与堤基间的摩擦系数。

防洪墙的抗倾稳定性按下式计算：

式中：Ko——抗倾稳定安全系数；

Mv——抗倾覆力矩，kN·m；

MH——倾覆力矩，kN·m。

防洪墙基底应力按下式计算：

式中：σmax，min——基底的最大压应力和最小压应力，kPa；

∑G——基底荷载，kN；

A——底板面积，m2；

∑M——荷载对底板形心轴的力矩，kN·m；

∑W——底板截面系数，m3。

选择典型断面进行计算，计算结果见表1，重力墙稳定安全系数及地基承载力规范值见表2。

表1 重力墙稳定及地基应力计算成果表

表2 重力墙稳定安全系数及地基承载力规范值

由表1和表2数据可知：防洪墙的抗滑、抗倾稳定均满足规范要求，基底应力基本满足地基承载力要求，基底应力不均匀系数（σmax/σmin）也满足要求。

4 结语

在大同市口泉河河道治理堤防稳定设计过程中充分利用了当地材料，采用了合理的防洪墙断面，经稳定计算可知，设计满足规范要求，使工程既减少了投资，又保证了安全。