沁河下游险工改建加固设计

胡俊玲，赵广运

（河南黄河勘测设计研究院，河南郑州450003）

沁河下游险工改建加固设计

胡俊玲，赵广运

（河南黄河勘测设计研究院，河南郑州450003）

沁河下游险工现状存在坦石坡度陡、根石薄弱、稳定性差等问题，针对存在问题作者提出了险工改建坝型，采用退坦放缓边坡、土工布防渗保护土体、预设备塌体加固根石的结构型式，以增强工程的稳定性。经典型工程分析实践证明，这种坝型提高了险工的抗洪能力，保障了堤防安全。

沁河下游；险工；坦石；根石；稳定

沁河是黄河的一级支流，发源于山西省沁源县二朗神沟中花坡乡河底村，流经山西省的沁源、安泽、沁水、泽州县，穿太行山于河南省济源市的五龙口出山谷进入下游平原，经济源、沁阳、博爱、温县、武陟五县（市），于武陟县的方陵村汇入黄河，河道全长485km。五龙口以下为下游，河道长90km。

沁河下游险工作为防洪工程体系的重要组成部分，大多是历史上在抢险过程中依托于堤防修筑而成，具有挑流的作用，防守大堤免受主流顶冲和水流淘刷，保护堤防工程安全。

1 沁河险工现状

根据史料记载，最早的沁河险工距今已有400余年的历史，均系堤防受大溜顶冲后，在临堤筑埽抢护或决溢后复堵所形成的防守型工程，多沿堤线布设，由坝、垛、护岸组成。历史上遗留下来的这些老险工，绝大多数为秸料埽体修筑，仅个别险工有砖石裹护。人民治黄以来，险工历经三次改建、续建，秸埽工程逐步石化。目前，沁河下游共有险工49处（含防洪坝2处），共计799座工程，其中坝112道，垛398座，护岸289段，工程长度52.583km。

沁河险工加高改建始于上世纪60、70年代，系戴帽加高，经过多年运用，破损、残缺问题突出，工程“老化”日趋明显，除近年来安排的改建坝垛外，多数坝垛仍存在以下问题。

（1）坦石坡度陡、稳定性差

目前，沁河大部分险工坦石坡度为1：0.8～ 1：1.1，其稳定性差，易出现整体滑塌险情；坦石石料经过多年的风雨侵蚀出现不同程度的破坏；坦石顶高低不平，宽度不够，部分坦石顶宽只有0.3～0.4m，土石结合部不牢，加之坦石坡度较陡，工程强度不足，垛间无裹护，回流淘刷严重。

（2）土石结合部土体流失，坦石蛰陷

沁河险工现状均为土石结构，多为抢险所修的工程，土石结合部无反滤措施，长期受到雨水、河水的浸蚀，土体流失严重，土石结合部出现空洞，坦石处于架空状态，造成坦石下蛰，工程面貌不整。雨后或大水过后易出现塌陷，一旦靠河易出现坦石土体整体蛰陷险情，将给抢险带来极大困难。

（3）根石深浅不一，抗冲能力弱

沁河下游河床为冲积土层，地层岩性以粉质粘土、壤土和砂壤土为主。根据险工根石探测成果，坝垛各处的冲刷深度不一，在靠主溜的坝头部位，冲刷深度一般为5～10m，其他部位冲刷较浅。根石外坡一般为1：1～1：1.5。对于根石深度不足、边坡陡的工程，受水流冲刷易出现根石走失、坍塌现象，影响工程安全稳定性。

针对沁河险工目前存在问题，对现状结构不合理、稳定性差的险工进行改建加固，使其基本达到设计标准，以保证工程抗洪能力是十分必要的。根据实际情况，本次沁河下游险工改建共安排34处险工（防护坝），共431道坝、垛、护岸。

2 险工改建坝型选择

沁河下游险工坝岸一般由土坝体、坦石、根石三部分组成，其中根石是险工坝岸的根基，最容易受到水流的冲刷，是坝岸最重要的组成部分，也是最容易出险的部位。

险工坝垛按护坡的型式不同现有三种结构：重力式砌石坝、护坡式扣石坝及乱石坝。乱石坝、扣石坝均属缓坡坝，外坡1∶1.0～1∶1.5，主要区别在于护面石砌垒方式不同。乱石坝护面石一般用乱石粗排或散抛捡平而成，扣石坝护面石则用经过一定程度加工的料石或大块石砌垒而成。砌石坝属陡坡坝，外坡1：0.35～1：0.4，护面石亦用经过一定程度加工的料石或大块石砌垒而成，与扣石坝的主要区别在于护面石的砌筑方式为平砌。

乱石坝主要优点是坡度缓，稳定性好，结构简单，施工方便，能适应根石下蛰变形而随时加固，险情易于发现和抢护，因此是险工坝垛的主要结构型式。缺点是护坡透水性大，坝体土易于流失，维修量大，管理不便。

扣石坝护面石长轴垂直于坝面，坡面平滑，主要优点是坝坦坡度平缓，稳定性好，水泥砂浆勾缝后外形美观，坝体土不易被河水淘刷，管理方便。缺点是对基础变形的适应性差，拆坦改建投资较大。

砌石坝护面石为水平方向砌筑，坝面呈阶梯状。因受石料长度的限制坡度较陡，属重力式，分浆砌、干砌两种。浆砌石坝护面石一般用石灰砂浆砌垒，水泥砂浆勾缝，腹石不灌浆。砌石坝的主要优点是坝身封闭较严，外形美观，坝体土不易被河水淘刷，管理方便，加高后对坝顶面缩窄较少。缺点是坝坡陡，稳定差，易出现突然滑塌险情，不易抢护。

经综合分析，本次险工改建采用乱石坝。

3 险工改建加固设计

3.1 建筑物级别

险工为沿堤防修建并依附于大堤的主要建筑物，险工建筑物级别同相应堤防级别［1］［2］。

沁河干流左岸丹河口以下堤防为1级；丹河口以上堤防为4级；右岸堤防为2级。

3.2 断面设计

3.2.1坝顶高程

险工改建设计坝垛顶高程低于所在大堤设计堤顶高程0.2m，若坝垛现状顶高程大于设计高程或保持现状高程。

3.2.2坦石

考虑了风浪、浮冰的作用力以及高水位时水流对坝体土的冲刷，结合实际运用经验，坦石顶宽采用水平宽度1.0m，坦石外坡1：1.3～1：1.5，散抛石结构。坦石面层采用粗排块石，厚0.3m。

险工改建工程坦石采用顺坡或退坦加高。如改建坝垛的坦石质量较好，坡度为1：1.3～1：1.5，根石达到标准，可顺坡加高；否则，应退坦加高并将外边坡放缓至1：1.5，内坡按1：1.3。

3.2.3土坝体

土坝体和坦石之间依次铺设土工布、碎石垫层厚度10c m，防止水流对坝垛土体的淘刷及防止块石划破土工布，土工布顶部低于坝顶0.5m，并进行锚固，土工布顶（底）部水平锚固宽度均为1.0m。

3.2.4根石

结合沁河实际情况，本次险工改建设计冲刷深度取10m，对于根石深度不足、边坡陡的工程，结合滩岸地形护脚采用挖槽抛石或滩岸防护的型式，预设备塌体按照设计冲刷深度补充所需石料。根石台顶高程平滩面或与上下游坝垛根石台高程平，宽度1.5m。

3.3 材料设计及填筑标准

3.3.1土料

按照《堤防工程设计规范》（G B 50286-2013）要求，“均质土堤的土料宜选用粘粒含量为10%～35%、塑性指数为7～20的黏性土，且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂质；填筑土料含水率与最优含水率的允许偏差为±3%”。根据本次土料场勘察结果，大部分料场平均粘粒含量介于10.1%～26.7%之间，且土料场储量丰富，大部分粘粒含量不小于15%。

土坝体填筑标准：1级堤防土料压实度不小于0.95；2级堤防和堤身高度不小于6m的3级堤防土料压实度不小于0.93，3级以下及低于6m的堤防不应小于0.91。

3.3.2石料

本次设计采用乱石坝结构，石料主要为块石和毛石，必须采用抗风化性能好的石料，其比重应大于2.6，风化的山皮石和有裂纹的石料禁止使用；石料的抗压强度不低于40MP a；石料的软化系数不低于0.70。

块石主要用于坦石的砌筑，根据计算其重量应为25～50kg，要求上下两面平行且大致平整，无尖角，薄边，边厚宜大于20c m。毛石主要用于根石的填筑，根据计算其重量应为25～75kg，且中厚不少于15c m。施工中，坦坡内层块石应采用人工砌筑排放，以避免破坏土工布及垫层。

3.3.3土工布

土工织物材料须符合反滤准则，具有保土性、透水性、防堵性［3］。复合土工布性能及特性指标见表1。

表1 复合土工布性能及特性指标

3.3.4垫层

垫层应采用一定级配且未风化的砾石或碎石，无尖角，其最大粒径宜小于40m m，细粒含量不大于10%。垫层材料应不含草根、垃圾等杂质。

4 典型工程分析

本次选取武陟大樊险工进行典型工程分析。大樊险工位于沁河下游左岸，属于武陟一局管辖，相应大堤桩号为59+309～60+639，始建于1888年，共有工程44座，其中垛25道，护岸19段，工程长度1330m。该工程1955年改建1次，1957年改建了6护岸、7垛、8护、9垛，1963年改建了42护岸，经过50余年的运行，工程隐患较多，一是该险工为扣石勾缝结构，坦石坡度多在0.9～1.4之间，坡度较陡、稳定性较差；二是坦坡面石老化，勾缝脱落严重；三是石坦坡凹凸不平、块石风化。为确保防洪工程安全，增强坦石边坡稳定性，增加坦石厚度和反滤材料，以减少雨水、洪水造成各种隐患和险情，提高工程强度，本次安排对该处险工44处垛（护岸）全部进行改建加固。

本次大樊险工改建设计不改变现有平面布局，基本保持原平面布置型式，采用退坦改建。以各改建坝垛的现状坝顶高程为设计坝顶高程。改建后坦石外坡1：1.5，内坡1：1.3，坦石顶宽1m。根石台顶宽度1.5m。根据近期根石探测情况，坝垛各处的冲刷深度不一，在靠主溜的坝头部位，冲刷深度一般为5～10m，其他部位冲刷较浅，结合冲刷计算分析，本次设计冲刷深度取10m，作为验算稳定的深度。该险工目前不靠河，沿现状根石台外侧滩地开挖深度1.5m，边坡1：1，预抛根石备塌体，以补充未达到设计冲刷深度的石料。以后经过水流不断冲刷，根石下蛰、基础扎深，工程逐步趋于稳定。武陟大樊险工改建典型断面，见图1。

图1 武陟大樊险工改建典型断面图（单位：c m）（注：a→d为土工布铺设范围）

5 结论

沁河下游险工历史悠久，多因堤防出险抢修而成，其结构型式由起初的秸埽工程逐步演变为土石坝垛，经历了漫长的过程。长期以来，如何保证工程抵御洪水冲刷的稳定性，是设计人员面临的关键性技术难题。通过对以往工程实践的归纳总结，在现状工程基础上不断优化改进，进一步探索安全可靠、经济合理的工程结构型式，对于工程经久耐用、堤防稳固是至关重要的。

［1］温小国.沁河水利辑要［M］.黄河水利出版社，2001.

［2］G B 50286-2013.堤防工程设计规范［S］.

［3］G B 50201-94.防洪标准［S］.

［4］SL/T 225-98.水利水电工程土工合成材料应用技术规范［S］.

T V 222

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：1672-2469（2015）09-0091-03

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

胡俊玲（1969年—），女，教授级高级工程师。