基于周流河、饮马河入海口海防堤工程结构计算探析

石 刚

(沈阳市水电土木工程建设监理有限公司，沈阳 110000)

1 工程建设方案概述

周流河、饮马河均发源于连山区老官堡镇境内的落石山, 流域总面积分别为36.32km2、56.86km2，河道全长分别为18.54km、16.72km，根据总体布局和自然条件的原则，并结合葫芦岛经济开发区现有的海岸线资源，将在原有主河道的基础上拓宽新河道[1]。周流河两侧路堤的规划距离为80m，主河道宽度为45m，饮马河两侧路堤的规划距离为165×120m，主河道宽度为140×85m，防护类型为原来的原干砌石护坡，

此次设计加强了原有的干砌石护坡保护，在项目开始时，加固桩号为K0+000-K1+000，建议拟建两处海防堤，饮马河东侧中心线长1450m，周流河中心线长2030m，中心线总长3480m，两侧堤防总长度是6960m。其中浆砌石挡土墙防护长度为5260m，栅栏板防护长度为700m，干砌石护坡加固长度为1000m，砂石路面长度为5960m，周流河、饮马河防护标准为50a一遇[1]。

2 结构计算

2.1 建筑物结构型式

周流河河口段左、右岸(桩号ZLZ0+000-ZLZ0+200及桩号ZLY0+00记0-ZLY0+200段)、饮马河右岸(YMY0 + 000×YMY0 + 300断面)使用了带平台的复式斜坡均质土路堤，海防堤的顶部为8.0m宽，黏土填充为4.5m宽，砾石宽度为3.5m，中间设置有6.0m宽的碎石路面，两侧设置了1.0m宽的绿化带堤顶，堤防的上坡与后坡的坡度比均为1∶2.5，在迎水坡高程的平均潮水位设置了3.0m宽的抑波平台。地坪砖铺设在波浪抑制平台上，地坪砖的厚度为0.12m，普通混凝土垫层的厚度为0.1m，在消浪平台上方，面向迎水坡的路堤采用了宽边菱形混凝土框格草皮护坡，消浪平台迎水侧配备了1.0m高的混凝土栏杆，在消波平台下方，采用栅栏板用于护坡，坡脚采用预制混凝土支撑块体和抛石头水平脚。

护坡混凝土框架的厚度为0.3m，框格内回填了种植土壤和草皮保护层，护坡栏栅板厚为0.35m，石块厚0.5m，砾石垫层厚0.1m，预制混凝土支撑块体长度为1.2m，厚度为0.5m，支撑块替外侧的抛石水平护脚板长为6.0m，厚为1.0m，在堤防的背水坡面上铺设了0.3m的种植土壤并种植草皮保护[2]。周流河河口段左、右岸(桩号ZLZ0+200-ZLZ2+030及桩号ZLY0+200-ZLY2+030段)、饮马河左、右岸(桩号YMZ1+000- YMZ1+450及桩号YMY0+300-YMY1+450段)

使用带平台的复式斜坡混合土路堤，海防堤的顶部宽度为8.0m宽，黏土填充为4.5m宽，砾石宽度为3.5m宽，中间设置一条6.0m宽的碎石路，在路堤顶部的两侧设置1.0m宽的绿化带。

堤坝的迎水坡和背水坡的坡度比均为1：2.5，在迎水坡高程的平均潮汐高度设置了一个3.0m宽的平台，地坪砖铺在平台上，地坪砖的厚度为0.12m，下面设置了厚度为0.1m的普通混凝土垫层[2]。平台以上堤防迎水坡由大边菱形混凝土框格草皮护坡，消浪平台的迎水侧设置1.0m高的混凝土栏杆， 护坡混凝土框格的厚度为0.3m， 砂浆挡土墙顶部宽度为0.5m，基础埋深为1.2m，下方设有厚度为0.1m的普通混凝土垫层，迎水侧垂直排列，护脚石笼的水平长度为6.0m，厚度为0.5m，下面设有反向过滤土工布，在堤防的背水坡面上铺设了0.3m的种植土壤和草皮保护[3]。周流河、饮马河防护栅栏板段标准断面及防护浆砌石挡土墙标准断面分图1及图2。

图1 周流河、饮马河防护栅栏板段标准断面图

图2 周流河、饮马河防护浆砌石挡土墙标准断面图

2.2 堤防渗透稳定分析

周流河、饮马河河流域降水多集中在汛期，大暴雨持续时间为1-2d，最短为数小时，洪水历时短，急涨急落，根据典型洪水过程线可以查出，洪水自设计洪水位降落至堤基地面高程仅4h。稳定渗流浸润线计算简图见图3。

(1)

n0=n(1-Sw%)

(2)

式中：[T]为渗流在背水坡脚出现的时间；[k]为堤身渗透系数；[n0]为土的有效孔隙率；[n]为土的孔隙率；[SW%]为饱和度；

根据本次地勘成果并结合本次整治后实际情况进行综合分析，确定堤身土料计算参数选取周流河堤防左岸ZLH1+000及右岸ZLH1+200断面，饮马堤防左岸YMH 1+200及右岸YMH 0+800断面。根据《堤防工程设计规范》中公式计算浸润线锋面距迎水坡坡脚距离。

(3)

2.3 堤防边坡抗滑稳定计算

根据地勘成果并结合本次整治后实际情况进行综合分析，对应浸润线计算成果，选取周流河堤防ZLZ1+000及ZLY1+200断面，饮马堤防YMZ 1+200及YMY 0+800断面共计4个典型断面进行稳定计算，计算结果见表1。

表1 堤防边坡稳定计算成果表

由表1可知，各工况堤防的抗滑稳定均满足设计要求。

2.4 沉降量计算

堤基的最终沉陷量计算按《海堤工程设计规范》计算。其计算公式如下：

(4)

式中：S为最终沉降量，mm；n为压缩层范围的土层数；e1i为第i土层在平均自重应力作用下的空隙比；e2i为第i土层在平均自重应力和平均附加应力共同作用下的空隙比；hi为第i土层的厚度，mm；m为修正系数，本次海堤设计取1.4。

堤防最终沉降量计算结果见表2。

从计算结果可知，新建堤防的典型断面沉降量在293mm至354mm之间，本次设计新建堤防预留沉降量为400mm。

表2 堤防最终沉降量计算成果表

2.5 干砌石护坡稳定性

坡比按最陡处考虑为1∶2.0，坡角为27°，则块石护坡沿堤坡滑动的安全系数为：

K=(W1×cosα×tgφ+W2×tgφ)/(W1×sinα)

(5)

式中：K为稳定安全系数；W1、W2为土体重量；α为迎水坡坡角，27°；φ为干砌石与回填土摩擦角，27°。

代入上式：K=1.38

干砌石满足堤坡抗滑要求。

2.6 冲刷计算

堤岸冲刷深度计算采用《堤防工程设计规范-2013》中的计算公式，公式如下：

hp=ph

(6)

hB=hp((vp/vh)n-1)

(7)

t=hp-h+hB

(8)

式中：hB为局部冲刷深度，m；n为与岸坡形状有关的系数(n=1/4)；v为河床允许不冲流速，m/s；vp为河槽平均流速，m/s；hp为河床冲刷后水深，m；h为河床冲刷前水深，m；t为河床冲刷深度，m。

经计算，周流河、饮马河干流堤防冲刷深度为1.32-1.80m，选择挡墙外采取水平防护，防护长度为3倍冲刷深度，取6.0m[4]。

2.7 浆砌石挡墙稳定计算

本次设计周流河、饮马河入海口段海防堤护岸挡墙最高1.97m，挡墙结构尺寸：挡墙墙身高1.97m，墙底宽2.48m，底板厚1.20m，顶宽0.50m，前趾悬挑长0.5m，后趾悬挑长0.50m。挡墙各工况土压力计算结果见表3。

表3 挡墙土压力计算成果表

翼墙基底面与地基之间的摩擦系数f值，取0.40。挡墙抗滑稳定计算结果见表4。

表4 挡墙抗滑稳定计算成果表

从计算结果可以看出，挡土墙墙抗滑稳定满足要求。挡墙各工况抗倾稳定计算结果见表5。

表5 挡墙抗倾稳定计算成果表

从计算结果可以看出，挡土墙抗倾稳定满足规范要求。挡墙各工况基底应力计算结果见表6。

表6 挡墙基底应力计算成果表

经计算挡土墙基底应力满足规范要求。

2.8 海防堤园区内排水处理

海防堤外侧为工业区新能源铝业基地，园区规划堤外侧排水布置由产业园区配套的综合管网衔接，新能源铝业基地排水干管平行园区道路铺设，最终由泵站提水到河道排入大海[5]。雨水共分5个出口排入河道，其中周流河3处，饮马河2处，排水管道为φ800mm-φ1200mm钢筋混凝土管，排水处设雨水闸门井，管底标高与排水系统产业区配套综合管网吻合，排水管出口设计双绞格网石笼消能方式，石笼尺寸为长6000mm×宽4000mm×厚500mm。

2.9 台阶

周流河、饮马河结合河道景观建设，方便游人亲水，在新建堤防处迎水坡的堤坡处修建台阶，每200m设定一处[6]。周流河两侧新建堤防4060m，设台阶20处，饮马河新建堤防1900m，设台阶10处。台阶为浆砌条料石结构，下设100mmC25混凝土，300mm浆砌石，200mm砂砾料垫层，台阶浆砌条料石规格选定 150mm×300mm×1000mm。

2.10 堤基处理

根据地质勘察报告本工程区域地层主要由素填土、淤泥质砂土、细粒土质砂、低液限粉土等等组成。可采用抛石挤淤法或挖除淤泥做为基础持力层[7]。

饮马河K0+000-K0+950段、周流河K0+000-K0+500段河道内土体多数土壤大多为粉质土，不能作为路堤材料，应根据设计断面的底部标高挖出河道中的泥土。本次设计考虑选定抛石挤淤法施工，结合地勘淤泥层资料最终确定抛石挤淤法处理到细粒土质砂层，平均深度为2.5m，根据地基计算系统对海防堤断面进行地基沉降分析，断面最终沉降在0.1m以内，对海防堤的施工不会造成明显影响，所以可以正常进行施工，不用采取其他特殊措施。

3 结 语

本工程建设为上述两河海防堤的防洪及防潮标准为50a一遇，海防堤工程级别为2级，穿堤建筑物级别亦为2级[8]。工程建设范围根据周流河、饮马河受海潮影响范围，周流河海防堤建设涉及河长为2030m，饮马河建设涉及河长1450m。新建海防堤总长5960m，其中：周流河左、右岸各2030m，饮马河左岸450m、右岸1450m；加固饮马河左岸海防堤1000m；新建穿堤排水管涵5座，其中：周流河3座，饮马河2座，设坡面踏步台阶周流河20处，饮马河10处。通过上述工程结构计算,均满足的《堤防工程设计规范》设计要求。