孤山川堤型建设方案与稳定性探析

田艳菊,王 彪

(府谷县水利工作队， 陕西 榆林 719499)

1 工程概况

本次规划府谷县重点段防洪工程包括府谷县城庙沟门镇沙洼右岸段、庙沟门镇北草焉左岸段、孤山镇下申家峁左岸段，治理河道长度共计32 000.00 m，工程布置总长度2164.77 m，均为新修墙式护岸。具体建设内容均为：沙洼右岸段新修墙式护岸869.23 m，北草焉左岸段新修墙式堤防516.40 m，下申家峁左岸段新修墙式护岸779.14 m。工程区涉及人口约1.6万人[1]，防洪标准为20 a一遇。

2 堤型方案选择

2.1 堤型拟定

孤山川堤防型式按照因地制宜、就地取材的原则，结合各河段致灾原因及已成堤防断面型式，对滩岸较高易于崩塌的河段采用护坡处理措施，对于地势较低易受水淹的成片滩地采用堤防工程。

(1)庙沟门镇沙洼段河道较窄，滩岸较高，且河道两岸狭窄，易于塌岸，为不挤压河道行洪断面，满足上下游堤防平顺衔接，尽量减少占地，拟采用墙式护岸结构。

(2)庙沟门镇北草焉段河道距沙洼段较近，河道情况基本相同，河道较窄，滩岸较高，两岸狭窄，易于塌岸，为不挤压河道行洪断面，满足上下游堤防平顺衔接，尽量减少占地，拟采用墙式护岸结构。

(3)孤山镇下申家峁段河道较窄，滩岸较高易于塌岸，为不挤压河道行洪断面，满足上下游堤防平顺衔接，尽量减少占地，拟采用墙式护岸结构。

2.2 堤型比选

工程涉及的3处河段河道均较窄，河道横断面呈倒梯形，河道两岸存在明显的变坡点，原河道主要靠河槽两岸较陡的堤岸阻挡洪水。治理区段内堤岸无有效的护岸措施，黄土裸露，抗冲能力差，堤岸防护需采取坡面较陡、抗冲流速大、结构稳定的护岸形式。根据工程区段现实情况，本阶段初步拟定采用墙式护岸进行防护，重点比选仰斜式挡墙、衡重式挡墙及悬臂式挡墙护岸三种挡墙型式。

仰斜式挡墙是堤岸防护中常用的一种传统防护形式，挡墙材料可采用混凝土或浆砌石，具有抗冲刷性能好、施工方便、结构稳定、使用寿命长等优点，其特点是土方开挖及回填量小；对原有堤岸或道路影响不大；可针对原有堤岸坡度灵活调整墙背坡比，迎水面坡比可调范围也较大；只要边坡不存在深层滑动面，仰斜式挡土墙防护高度可达到10 m左右。

衡重式挡墙材料可采用混凝土或浆砌石，具有抗冲刷性能好、结构稳定、使用寿命长等优点；缺点是结构断面变化较多，底部墙背有反坡，墙体施工较为麻烦，墙后回填土压实度要求较高。衡重式挡土墙防护高度可达到12 m左右。

悬臂式挡土墙构造简单，结构稳定，施工方便，能适应较松软的地基[2]，墙高一般在6～9 m之间，高度过高时墙背需增加扶助。悬臂式挡土墙对墙背回填土的压实度要求较高。

比选几种挡墙，结构均比较稳定，施工难易程度基本相当。重力式挡墙结构受力条件较好，但对地基处理要求较高；仰斜式挡墙适用于坡度较陡、不宜大开挖的河堤，且受力条件较好，土方开挖量小；悬臂式挡墙适用于护坡高度较高，具有大开挖条件的河堤。结合工程区天然骨料分布和当地已有堤防的建筑形式，综合比较，本次3镇3段防洪工程堤型均采用仰斜式浆砌石式挡墙。

2.3 堤型布置

庙沟门镇沙洼段治理长度869.23 m，起于居民区河岸石崖处，与右岸岸坡连接，止于蓄水池、彩钢房附近，与石陡坎相连接。最短控制堤距为70 m；庙沟门镇北草焉段治理长度516.40 m。最短控制堤距为70 m；孤山镇下申家峁段治理长度779.14 m，起于上游石坎，向下游延伸706 m，与左岸石畔连接。最短控制堤距为80 m；三段堤防均采用仰斜式浆砌石重力式挡墙护坡形式。考虑到一定安全余度及方便施工，工程区全段堤顶超高统一取1.2 m，各段防洪堤在起终点位置处均与原河堤逐渐过渡，平顺连接。

3 冲刷深度计算

本次3段堤防治理按20 a一遇洪水流速对护岸进行冲刷深度计算。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)中的堤岸冲刷计算方法[3]，顺坝及平顺护岸冲刷深度按式(1)计算：

(1)

式中：hs为局部冲刷深度,m；H0为冲刷处的水深,m；Ucp为近岸垂线平均流速,m/s；Uc为床面上泥沙的启动速度,m/s；n与防护岸坡在平面上的形状有关，取1/4。

Ucp按式(2)计算：

(2)

式中：U为行近流速,m/s；η为水流流速分配不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角确定；堤防工程冲刷相关参数取值及深度计算结果见表1。

表1 堤防冲刷深度计算结果表

由表1可知，沙洼村段河床最大冲刷深度为2.11 m，北草焉村段河床最大冲刷深度为2.34 m，下申家峁村段河床最大冲刷深度为2.55 m。根据现场实际调查，沙洼村段及北草焉段河床大面积基岩出露，抗冲能力强，河道下切速度很慢；下申家峁段平顺段河床实际冲刷深度约0.5～0.8 m，顶冲段冲刷深度约1.2～1.5 m[4]。

根据堤防设计规范，堤防基础埋深应满足冲刷深度以下0.5～1.0 m。结合计算值及地勘调查结果，在满足冲刷要求的前提下，大部分堤基均能坐落于砂卵石层上，综合确定，沙洼村段、北草焉村及下申家峁村段堤防基础埋深不小于1.5 m，斜冲段堤防基础埋深不小于3.0 m。

4 挡墙稳定及计算分析

本次治理三段堤防相应工程等级为4级。挡墙抗滑稳定安全系数及抗倾稳定安全系数见表2，计算参数见表3。

表2 挡墙计算安全系数

表3 地基土的物理力学性质指标

4.1 计算方法

(1)挡墙抗滑稳定计算

土质地基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数，应按式(3)计算

(3)

式中：Kc为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；f为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载,kN；∑H为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载,kN。

(2)挡墙抗倾覆稳定计算

挡墙抗倾覆稳定按式(4)计算

(4)

式中：K0为挡土墙抗倾覆稳定安全系数；∑MV为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

(3)挡墙应力计算

根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)[5]规定，挡土墙基底应力应按照式(5)计算

(5)

式中：Pmaxmin为挡土墙基底应力的最大值或最小值,kPa；∑M为作用在挡土墙上的全部荷载对于水平面平行前墙方向形心轴的力矩之和(kN·m)；A为挡土墙基底面的面积,m2；W为挡土墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩,m3。

(4)计算断面及结果

计算断面从3个河段内分别选取典型断面，计算断面墙背回填土按设计最大高度计。计算结果见表4。

表4 计算结果表

根据表4可知，3段防护区挡墙在各种工况下，抗滑稳定及抗倾覆稳定安全系数均满足规范要求，各种工况下挡墙的基底应力均小于地基承载力，挡墙基底应力均没有出现拉应力，满足规范要求。

4.2 渗透及渗流稳定性分析

本工程3段防洪堤挡墙均为M7.5浆砌块石砌筑，墙身布置直径75 mm排水管，墙后均采用砂砾石回填。沙洼村段、北草焉村段及下申家峁村段堤顶宽度均为4 m。背水堤基本为1∶2反坡与原地面线衔接，局部堤段堤顶与原河岸线相连，挡墙不存在渗透失稳问题。

正常挡水时，河道内水位较低，挡墙墙后地下水位线与河道水面基本持平，堤防不存在渗透失稳问题。遇设计洪水时，由于挡墙墙背均为砂砾石回填，属于强透水料，过洪时，墙面水位较高，墙背浸润线会存在升高现象，但洪水历时较短，加之墙背填料透水性好，挡墙墙背地下水位线降落不会延迟，挡墙稳定不会受到影响。

5 结 语

由于标准不一、堤防不连续，使得孤山川城庙沟门镇沙洼右岸段、庙沟门镇北草焉左岸段、孤山镇下申家峁左岸段没有形成防洪体系，为了确保当地防洪安全，通过堤型选择和稳定性探讨，提出三段堤型均采用仰斜式浆砌石重力式挡墙护坡形式，其抗滑抗倾均满足规范要求，不存在渗透失稳问题，为类似防洪工程建设提供了参考。