金水河流域堤防工程设计及堤型比选分析

2017-06-19侯爱宜侯萌妮

地下水 2017年3期

关键词：砌石型式挡墙

侯爱宜，侯萌妮

(1．陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001；2．陕西省西安市户县水土保持局，陕西西安 710001)

金水河流域堤防工程设计及堤型比选分析

侯爱宜1，侯萌妮2

(1．陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001；2．陕西省西安市户县水土保持局，陕西西安 710001)

金水河流域的洪水主要由暴雨形成，据酉水街实测资料统计，洪水具有峰高、量大，洪水过程陡涨陡落，峰型多呈单峰的特点；洪水季节水流侧蚀强烈，易形成较深的冲刷河槽，防洪堤内外水位差较大，堤基土易发生管涌破坏。金水河堤防在设计过程中针对以上两大难点经过堤防形式比选及工程措施进一步确定及优化了体型尺寸。

切割侵蚀；管涌破坏；冲刷计算

1 流域水文概况

金水河是汉江左岸一级支流，西邻洋县酉水河，北越秦岭与周至县黑河相望。金水河干流总长70.7 km，流域面积720 km2，河床平均比降24‰，流域洪水主要由暴雨形成，据酉水街实测资料统计，洪水具有峰高、量大，洪水过程陡涨陡落，峰型多呈单峰的特点。其主要表现为：洪水量级大；防洪能力薄弱河堤防冲能力差，不能抵御较大洪水冲击；泥石流下河，淤积河床，携带的大粒径石头对原河堤持续撞击，使河堤决口；沿河道两岸随意侵占河堤或临时建设房屋，挤占河道，阻塞河道的行洪断面过分束窄河道。

2 堤防现状及存在的问题

根据设计堤线布设位置，部分设计堤线跨越原已成堤防，沿已成堤防内侧或与田间耕作道路重合。已成堤防大多为人工堆积双面干砌石，堤顶宽度、高度不一，填筑质量差，大部架空，顶部凹凸不平，部分堤身单薄，坡面砌石松动、脱落，倒塌或鼓包，局部强侧蚀段堤脚形成临水陡坎，护坡基础多位于漫滩卵石层表部，损坏严重，基础外露或悬空。

3 新建堤防工程地质条件及评价

新建堤防堤基地层为单层、双层结构。堤线位于河漫滩及一、二级阶地前沿，壤土及粉质粘土为细粒土层，渗透破坏形式为流土；卵砾石层洪水过程中，防洪堤内外形成水位差，堤基土易发生管涌破坏。

河道两岸支沟发育，汇水集中，洪水季节水流侧蚀强烈，易形成较深的冲刷河槽，堤基上部地层相对较松散，抗冲刷能力较差。根据调查发现洪水冲刷深度一般1.5～2.0 m，最大冲刷深度可达2.5 m，堤脚应采取防冲措施。

4 堤防布设原则

依据《堤防工程设计规范》(GB50286—2013)确定，堤防工程级别确定为5级。布置原则为:

(1)结合已有岸坎和两岸交通道路布线，使其与河势流向相适应，与洪水主流线大致平行；

(2)堤线应力求平顺，各堤段平缓连接，不应采用折线或急弯；

(3)在满足防洪安全，尽可能减少拆迁的前提下，根据地形条件，局部进行拓宽或缩窄，保证堤防顺滑连接；

(4)堤顶高程应满足安全超高要求，保证堤防沿线封闭；堤防基础埋深满足堤基应力、抗冲刷、冻土深度要求；

(5)建筑物设计力求技术先进、经济合理、外型美观，施工便利；

(6)注重工程与生态结合，外观美观。

5 堤防型式比选

由于治理段地处汉中山区，工程所处河段河宽较窄，且两岸多为耕地或房屋，局部房屋紧邻河堤，土地紧张，空间有限。采用护坡防护容易增加工程占地。采用挡墙堤防断面则在相同河宽下，可以加大过水断面面积，降低洪水位，减少工程占地。

堤防型式考虑护坡、挡墙两种方案进行比选。按照经济适用、就地取材、便于施工、满足防洪和管理等要求选择堤防型式。护坡和挡墙材料采用浆砌石作为代表进行比选。

护坡、挡墙堤防型式各有其适用条件及优缺点，将两种型式的堤防比较如下：

1)方案一：护坡(图1)

浆砌石护坡迎水侧坡比1:2.0，坡后采用顶宽3m的砂砾石填筑，兼作防汛道路，背水侧坡比采用1:1.5。护坡上部厚度0.3 m，下部厚度0.5 m，浆砌石标号采用M7.5。

浆砌石护坡是一种传统的刚性护坡型式，整体性较好，在石料丰富的河段，是一种便于人工施工、经济适宜的护坡型式。缺点：与已建堤防结构型式不协调；占地面积偏大；抗冲击能力差。

图1 护坡型式堤防

2)方案二：挡墙(图2)

结合本工程特点对仰斜式浆砌石挡墙、重力式浆砌石挡墙、宾格重力式挡墙和钢筋砼扶壁式挡墙等几种型式挡墙的特点进行综合分析，推荐采用仰斜式挡墙。浆砌石仰斜式挡墙墙顶宽度0.8 m，临水侧坡比1:0.45，背水侧坡比1:0.1，墙后采用顶宽3 m的砂砾石填筑，兼作防汛道路，背水侧坡比采用1:2.0。浆砌石标号采用M7.5。

图2 挡墙型式堤防

浆砌石仰斜式挡墙方案的优点：与当地堤防型式协调，与上下游段堤防衔接较顺；占地较少，抗冲安全性高，可以就地取材，采用墙身仰斜，依靠自身重力，可降低土压力，增加抗倾力矩，从而减少挡墙用料。缺点是开挖方量相对较大、墙身造价相对较高。

经造价分析浆砌石护坡每延米造价最低。但是浆砌石挡墙永久占地较少,施工时对两岸现有建筑物影响较小，抗冲刷能力强，更利于防洪安全。工程区有大量的块石料，可以作为浆砌石挡墙主材，本着因地制宜的设计原则，采用浆砌石挡墙可以一举两得的效果。因此，本次设计推荐采用挡墙方案。

表1 浆砌石挡墙断面设计护堤方案投资比较表

6 堤防冲刷计算

6.1 冲刷计算

根据《堤防工程设计规范》(GB50286—2013)中第7.8.5条规定，防洪挡墙基础埋置深度应满足抗冲刷和冻结深度的要求。冲刷深度计算依据规范D.2.1～D.2.2规定的公式进行冲刷深度计算。结合该堤防工程布置，冲刷深计算结果见表2。

表2 金水镇黄台村段段冲刷深度计算成果表

在确定堤防形式及材料的基础上结合工程区冲刷及抗冻、地基情况要求及河道河势变迁情况，堤基冲刷深度分别以深泓点或稳定河滩面作为基准。根据冲刷计算，冲刷深度为0.2～0.76 m。结合地质调查，金水河河床的平直段冲刷深度一般为1.5～2.0 m，局部强侧蚀段较深可达2.5 m。为解决河道局部深达2.5 m掏空及强侧蚀在堤防堤脚处采用厚1.0 m宽2.0 m顺堤线布设格宾笼石。

6.2 排水设置

洪期前后防洪堤内外水位差较大，堤基土易发生管涌破坏为降低挡墙后地下水位，减少静水压力，在挡墙上设置排水孔。排水孔间排距均为2 m，排水孔采用Φ50PVC排水管，最高布置在设计洪水位，排水管内侧端部包裹土工布反滤。挡墙后采用砂砾石填筑，振动碾压相对密度不小于0.60。通过以上措施有效的降低堤防内外水差保证挡墙的稳定。