王河堤防工程设计方案比选及硬性防护布置探析
2021-06-01胡强光
胡强光
(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司,辽宁 沈阳 110003)
1 概述
王河是辽河干流水系的河流,位于辽宁省,河流总长50.8km,河道平均比降为0.73‰,平均主槽宽度为20m左右。王河发源于辽宁省沈阳市法库县慈恩寺白石砬子山区,流经法库、铁岭的调兵山市和铁岭县,在铁岭县镇西堡乡大台山下汇入辽河,属辽河一级支流。王河流域总面积为482km2,其中山区面积278km2,平原面积204km2,在铁岭境内长22km。王河沿岸为铁岭西部山区冲洪积形成的山前平原,地形开阔平坦,地势较低,地下水位高。
2 治理工程范围
王河流域综合治理工程共治理河长11460m,其中王河干流治理6950m,柏家沟支流治理河段长4510m。
王河干流治理主要包括两岸堤防7475m,其中左岸625m(左岸分上、下游两段,上游100m,下游525m),右岸6850m。干流治理范围:右岸下游从万家房排水站至上游晓大线公路桥,长6850m;左岸第一段下游从铁岭县与调兵山市界至上游晓大线公路桥,长525m,第二段上游从S505公路桥至法库县与调兵山市界,长100m,左岸治理段总长625m。柏家沟支流治理范围为汇合口处至上游镇柏线公路,长4510m。
3 堤防硬性防护工程布置
3.1 王河干流
王河两岸堤防迎水侧采用绿滨垫护坡,考虑到生态网箱规格较为固定,在满足防护标准的前提下,尽量将网箱规格设计成整数尺寸,王河干流两岸共布置绿滨垫护坡3880m,其中右岸3235m,左岸625m。详见表1。
表1 王河干流堤防硬性防护工程统计表
3.2 柏家沟支流
柏家沟堤防迎水侧以防护堤脚为主,对左岸堤防没有工程措施段堤防进行全线防护。堤脚采用固滨笼防护,柏家沟支流固滨笼护岸长5002m,其中左岸3650m,右岸1352m。详见表2。
表2 柏家沟支流堤防硬性防护工程统计表
4 方案比选
对王河流域晓大公路桥以上堤防迎水侧采取绿滨垫护坡,绿滨垫厚0.3m,基础护脚1m×1m。王河干流两岸堤防迎水侧护坡采用的结构与之一致,本次防护方案比选只对支流堤防防护形式进行比较。
柏家沟左岸堤防堤脚及部分河道主槽冲刷严重,普遍形成陡峭岸坎,加之河道自身行洪断面过小,如采用绿滨垫护坡形式,放坡后将侵占大部分主槽过流断面,故本次柏家沟河支流防护以直立式护岸为主。
本阶段拟定3种防护型式进行初选,分别为固滨笼叠笼型式、浆砌石重力式挡土墙型式、钢筋混凝土悬臂式挡土墙型式。分别从抗冲性能、生态效果、施工难易程度、工程投资、后期养护维修及其他性能等多方面进行比较。
4.1 固滨笼叠笼挡墙(方案一)
抗冲性较好,可抵抗5~6m流速冲刷;兼有少量生态效果,挡墙落淤后可自然生长亲水植物;投资造价较高,每延长米投资约800元;施工简单、速度快;基本不需维护;柔性防护,可适应沉降变形。
4.2 浆砌石重力式挡土墙(方案二)
抗冲性能好,可抵抗6m以下流速冲刷;无生态效果;投资造价较高,每延长米投资约600元;施工较为复杂、速度较慢;一旦局部损坏将威胁整体安全,维修养护较为困难;刚性防护。由于基础应力较大,故适应于基础承载力较好的地质区域,砂浆充实度不易控制,施工质量难以保证。水流冲刷区易发生砂浆剥蚀松化,造成局部破坏,北方河道由于冰推及冻胀影响,表层块石易脱落。
4.3 钢筋混凝土悬臂式挡土墙(方案三)
抗冲性能好,可抵抗8m以下流速冲刷;无生态效果;投资造价高,每延长米投资约2300元;施工烦琐、速度慢;一旦局部损坏将整体倾斜,维修困难,维修费用高;刚性防护。基础盈利较重力式挡墙小,故适用于基础承载力一般的地质区域,通常布置于具有稳定景观水面的城市河道。
4.4 方案比选
方案一与其他方案相比,投资相对经济合理,而且施工简单,容易控制施工质量。而且方案一为柔性防护,一旦局部被冲刷,固滨笼将随之沉降,不会出现河道险工情况。现阶段石笼防护在省内各地应用较为广泛,投资相对合理,经过长期工程运行后效果良好,管理单位及施工企业技术成熟。综上所述,本次柏家沟支流直立式护岸选用固滨笼叠笼型式。
5 干流堤防绿滨垫护坡结构设计
绿滨垫护坡顶高程为10年一遇洪水位,在满足防护标准的前提下,尽量将网箱规格设计成整数尺寸。绿滨垫下层铺设15kN/m土工布(延伸至护脚底部),护脚采用固滨笼结构,网箱规格为4m×2m×0.3m,单个网箱每米设单层隔片,100m3块石消耗生态网面积900.6m2(扩大系数为1.01)。
5.1 绿滨垫厚度计算
采用典型断面进行绿滨垫相关计算,绿滨垫护坡厚度计算按照CECS353:2013《生态格网结构技术规程》中的公式计算,计算结果见表3。
表3 王河干流绿滨护坡厚度计算成果表 单位:m
根据计算结果可知,两种情况下绿滨垫护坡厚度较大值均大于0.01m,结合填充块石粒径及施工要求,选取绿滨垫厚度为0.3m较合理。根据规定块石粒径填料的中值粒径宜为1.5~2.0D,计算得出石笼网网孔尺寸应控制在10cm以下,考虑工程实际经验,绿滨垫生态格网采用的网孔规格为80mm×100mm。
5.2 绿滨垫稳定计算
绿滨垫护坡稳定计算按照CECS353:2013中的公式计算,结果见表4。
表4 王河干流绿滨护坡稳定计算表
根据计算结果可知,绿滨护坡满足抗冲刷稳定要求。
5.3 柏家沟支流固滨笼挡墙结构设计
固滨笼挡墙采用叠笼型式,共有三层,顶层规格为4m×1m×1m,中间层规格为4m×1.5m×1m,基础层规格为4m×2m×1m,生态网箱中间设单层隔片,背水侧铺15kN/m土工布,延伸至护脚底部,见表5。
表5 柏家沟支流固滨笼尺寸一览表
5.3.1固滨笼稳定、基地压力计算
选取支流不利典型断面固滨笼进行稳定计算,地基土为砂土。固滨笼稳定根据CECS353:2013中的公式进行计算,作用在挡墙上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类。基本荷载包括自重、土压力、两侧水压力等有效荷载;地震荷载及其他出现机会较少的荷载本次计算不予考虑,特殊荷载只考虑施工期情况。固滨笼稳计算参数表和成果见表6和表7。
表6 柏家沟支流固滨笼稳计算参数表
表7 柏家沟支流固滨笼稳定计算成果表
根据表7可知,固滨笼抗倾覆、抗滑、基底压应力均满足允许值,符合规范要求。
5.3.2堤防稳定计算
(1)堤防稳定计算
根据10年水位及堤防实际情况,分别在王河及柏家沟选取一个不利典型断面对堤防浸润线、渗流稳定和抗滑稳定进行计算。堤防渗透系数结果见表8。
表8 堤防渗透系数计算参数表
(2)渗流稳定计算
渗流出逸比降是渗流稳定分析的重要依据,如果坡面受到渗透力作用而产生局部破坏,极易危及堤防的整体安全,因此,堤防渗流稳定分析计算采用GB 50286—2013《堤防工程设计规范》的公式计算,计算成果见表9。
表9 堤防渗流出口渗透稳定计算成果表
根据渗流稳定计算成果,堤身、堤基渗流口出逸比降小于允许比降,因此本工程堤身、堤基渗流稳定满足要求。
(3)抗滑稳定计算
根据GB 50286—2013,采用瑞典圆弧滑动法进行计算,分为正常运用工况和非常运用工况。参数及成果见表10及表11。
表10 边坡稳定计算参数表
表11 边坡稳定计算成果表
根据表12可知,各工况下边坡稳定系数均满足规范要求。
5.4 柏家沟支流冲沟防护结构设计
冲沟防护坡长度根据现场情况确定,左岸太龙线公路桥上游、龙家村上游2处冲沟防护长度均为15m,冲沟底部与主槽固滨笼挡墙相连。农桥下游左岸冲沟防护长10m,河底5m长采用石笼海漫。
冲沟均采用绿滨垫防护,底宽2m,两侧边坡比均为1∶1,两侧各设压顶0.5m,防护沟深1m。绿滨垫网箱规格为4m×2m×0.3m,网箱每米设单层隔片,下层铺设15kN/m土工布(延伸至护脚底部)。护脚采用固滨笼结构,网箱规格为4m×1m×1m,单个网箱中间设单层隔片。
6 结语
王河河道整治,使得王河流域的洪涝灾害损失大大减少,对方案的选择及堤防硬性设计,有效解决了王河和支流柏家沟存在的防洪安全隐患,进而改善王河流域的环境质量,保护了王河独特的生态价值,对于改善投资环境,促进人民安居乐业,提高当地群众生活水平,维护社会稳定有积极作用。