某拟建复合式河堤挡墙及边坡稳定计算分析

麦麦提·阿吉吾布力

（喀什水文勘测局，新疆 喀什844000）

1 工程概况

某拟建堤防工程位于长江右岸的二级支流水尾河两岸，堤防布置在场镇段左右岸，保护对象为堤防后侧的场镇和耕地，保护区面积0.15km2，保护人口0.3万人，河段综合治理长度1km。水尾河流域面积583.7km2，河长80km。

根据前期规划，并结合该场镇防洪实际情况，水尾河防洪治理工程新建堤防总长1893.5m，左岸新建堤防总长1020m，右岸新建堤防总长873.5m。根据GB50201—2014《防洪标准》及GB50286—2013《堤防工程设计规范》[1]的规定，结合区域防洪规划及防护对象的范围和重要性，确定本防洪治理工程防洪标准为10年一遇洪水，保护区排涝洪水标准为5年一遇，同时确定堤防工程级别为5级，其主要建筑物按5级设计，次要建筑物按5级设计。

工区内无大断层发育，区域构造运动主要表现为大面积间歇性上升，工区附近上升显著，新构造运动在区内的活动具有持续性，晚近期仍有活动，属相对稳定区。区内未发现深大断裂活动存在，并远离地震带，地震效应主要受外围地区中、强地震波及的影响，影响烈度均较小。据GB18306—2015《中国地震动参数区划图》国家标准第1号修改单，工程区50年超越概率10%地震动峰值加速度值为0.05g，相应地震基本烈度为6°，地震动反应谱特征周期为0.35s。

2 堤型设计方案比选

在工程初步设计阶段，对水尾河防洪治理工程的堤型设计方案进行了系统比选。初步拟定了复合式和衡重式、斜坡式3种堤型进行比较[2-4]，并以典型断面左0+810.10为代表进行比选。

2.1 复合式堤型

复合式堤型下部为仰斜式挡墙，挡墙顶宽0.5m，墙高3m， 迎水面边坡1∶0.4， 背坡坡比1∶0.1， 挡墙设0.5m宽，0.5m高墙趾，墙底宽1.7m，墙身采用M10浆砌块石，挡墙基础置于冲刷深度0.5m以下，挡墙基础采用0.5～1m高的石渣料进行碾压回填，上部采用1m高的大块石进行护脚，大块石直径大于30cm。马道高程按2年一遇洪水加高50cm进行设计，马道宽2.0m，路面采用12cm厚C20混凝土，下铺10cm厚碎石垫层，马道距堤顶垂直高度2m。马道以上采用C20混凝土框格梁草皮护坡，迎水面坡比1∶1.75，堤身采用石渣料碾压填筑，干密度不小于1.9g/cm3，堤背坡填筑坡比1∶1.75。堤顶宽度3.0m，临水侧设置1.2m高金属栏杆，堤顶路面采用20cm厚C20混凝土硬化，下铺20cm厚碎石垫层，堤顶外侧设置C15混凝土路沿石。堤防修建时必须清除其表层腐殖土及淤泥部分。堤脚基坑临河侧采用石渣回填和大块石护脚。

2.2 衡重式堤型

衡重式堤型墙身采用M10浆砌块石，墙高5.3m，墙顶宽0.6m，迎水面边坡1∶0.1，背水面边坡上坡1∶0.25，下坡1∶0.35，衡重台宽1.0m。 挡墙设50cm宽、60cm高墙趾，墙底宽2.22m；墙后采用石渣碾压填筑，干密度不小于1.9g/cm3。堤顶总宽3.0m，临水侧设置金属栏杆，路面采用20cm厚C20混凝土硬化，下铺20cm厚碎石垫层。墙后背坡填筑坡度1∶1.75，堤后回填至堤顶高程。挡墙基础置于基岩弱风化层上，堤脚采用石渣回填及大块石护脚。

2.3 斜坡式堤型

斜坡式堤型堤顶宽度3.0m，迎水侧采用1.2m金属栏杆，堤顶路面采用20cm厚C20混凝土，堤顶外侧设置C15混凝土路沿石。马道高程按2年一遇洪水加高50cm进行设计，宽2.0m，路面采用12cm厚C20混凝土，下铺10cm厚碎石垫层，马道距堤顶垂直高度2m。马道以上采用C20混凝土框格梁草皮护坡，迎水面坡比为1∶1.75，堤身采用石渣料碾压填筑，干密度不小于1.9g/cm3，堤背坡填筑坡比1∶1.75。马道以下为20cm厚C20混凝土面板，坡比1∶1.75，下铺5cm厚M10砂浆垫层。坡脚设C15混凝土齿墙，尺寸50cm×60cm（长×高），面板设75mmPVC排水管，堤脚采用石渣回填及大块石护脚。

通过对上述3种不同堤型进行结构尺寸拟定和工程量计算，其主要技术经济指标如表1。

表1 不同堤型方案经济指标比较

续表1

2.3.1 复合式堤型

复合式堤型建筑工程总投资769万元，投资与斜坡式相差不大，结合城区规划用地要求，根据堤线布置，不会侵占河道行洪断面，能够确保河道行洪安全，且方便施工。

2.3.2 衡重式堤型

从建筑投资上看，衡重式堤型建筑工程总投资1121万元，高于复合式堤型、斜坡式堤型主要建筑投资，经济性不高，且后期施工开挖大，开挖边坡较高，安全性也不高。

2.3.3 斜坡式堤型

斜坡式堤型建筑工程总投资756万元，投资较少，但工程河段用地较紧张，斜坡式方案工程占地20.17m，坡比1∶1.75，坡脚已放置河道中心，严重侵占大石河的行洪断面，不利于施工安全。

综合比较，各堤型方案各有其特点和优劣，从工程量、占地、施工及投资等各方面综合分析，并结合城区建设规划，本堤防工程最终推荐采用复合式堤型为宜。

3 稳定计算方法及参数

3.1 计算方法

本次挡墙各项稳定指标的计算公式采用GB50286—2013《堤防工程设计规范》进行计算。根据规范要求，堤防工程相关稳定计算的内容包括：挡墙的抗滑稳定安全系数计算、抗倾稳定安全系数计算、基底压应力计算及堤防整体的抗滑稳定安全系数计算[5-9]。

3.2 计算参数

根据工程地质勘查报告，水尾河防洪治理工程堤基岩土体主要物理力学指标建议值如表2。

表2 岩土物理力学指标建议值

4 稳定计算分析

根据实际工程地质情况，仰斜式挡墙基础置于较密实的粉质黏土上。本堤防工程断面桩号左0+810.10断面堤后填筑量较大，故采用桩号左0+810.10断面作为典型断面进行仰斜式挡墙和堤防整体稳定计算。

4.1 仰斜式挡墙稳定计算

本工程计算项目包括挡墙抗滑稳定、抗倾稳定及挡墙基底压应力，工况分为施工完建期、设计洪水期和水位骤降期，其中水位骤降期设置为设计洪水位骤降至马道高程。仰斜式挡墙计算成果如表3。

表3 仰斜式挡墙稳定计算成果

分析可知，该堤防工程设计的复合式堤型马道以下仰斜式挡墙的抗滑稳定系数（Kc）和抗倾稳定系数（K0）在3种不同运行工况下均大于规范最小值要求。地基压应力计算结果表明在设计洪水期时仰斜式挡墙地基所受最大压应力0.088MPa，小于地基的允许承载力0.14MPa，说明挡墙基础建在密实的粉质黏土上可满足要求。

计算结果表明，大石堤防设计满足规范规定的抗滑和抗倾稳定要求，在各种工况下均能正常运行。

4.2 复合式堤整体稳定计算

结合本工程实际情况，堤防整体稳定计算包含正常运行和非正常运行。

计算断面采用桩号左0+810.10进行分析。为便于建模，对模型边界进行了适当的简化处理。

本次计算采用河海大学工程力学实验室《Autobank》[10]软件进行，具体计算结果如表4，复合式堤型整体稳定计算如图1。

表4 复合式堤防整体稳定计算成果

图1 复合式堤型整体稳定计算

由表4可知，在3种不同运行工况下复合式堤防的整体设计安全系数均大于5级堤防的最小允许值，最小设计安全系数为1.245，出现在水位骤降工况。

5 结语

（1）以水尾河防洪治理工程为例，从工程量、占地、施工及投资等各方面综合考虑，在初步拟定的复合式和衡重式、斜坡式3种堤型3种方案中择优选取复合式堤型（仰斜式挡墙基础）作为该工程的推荐堤型。

（2）同时基于极限平衡基本理论，并结合GB50286—2013《堤防工程设计规范》有关规定，对本工程涉及的仰斜式挡墙的抗滑稳定、抗倾稳定、地基最大压应力及堤防的整体稳定进行了系统计算分析，在各运行工况下，仰斜式挡墙的抗滑和抗倾稳定安全系数均大于规范允许值，地基最大压应力小于地基允许承载力，复合式堤防的整体抗滑稳定满足规范要求。综合说明本防洪治理工程采用复合式堤型（仰斜式挡墙基础）作为推荐堤型是合理的。