直立式空箱结构在堤防达标工程中的应用

李 昱，吴人杰，孙 文，陈君仪

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215103)

随着社会经济的发展以及区域防洪规划的相关调整，部分河道沿线堤防建设已经不能满足城市防洪规划设计的标准，且部分区域堤防建设相对滞后，防洪包围圈未有效封闭，可能威胁城市的防洪安全。为了解决上述问题，各区域重要河道先后开展堤防达标建设工程，如大运河(苏州段)堤防达标建设等。河道建设战线较长，区域现状不同，采用的堤防建设方案也不同。对于现有护岸建设较好、现状高程低于设计防洪高程的河段，可采用加高培厚堤防或增设防洪墙的方式进行堤防达标建设。

现有护岸多按照现状边界条件进行设计，在堤后进行培土加高增加了荷载，现有结构的稳定性不能满足规范设计的要求，特别是局部征地受限段，缺乏后退筑堤的条件，无法采用该方式进行堤防建设；新建防洪墙的方案能有效降低新增荷载，但是考虑到现有堤防达标建设往往结合防汛道路共同建设，对于特殊区段并不能完全适用。

文章针对武澄锡虞中片沿江排水河道治理工程中现状堤防加固中遇到的问题，针对性地提出直立式空箱结构的堤防加固方案，既减小了现有护岸后的附加荷载，保障了堤防的整体稳定性及安全性，又为今后河道工程堤防达标建设的型式提出了新思路，具有重要的推广意义与价值。

1 工程概况

白屈港位于武澄锡虞区中部，为区域南北向骨干通江引排河道，是一轮治太十一项骨干工程“武澄锡引排工程”的重要组成部分。武澄锡虞中片沿江排水河道治理工程充分利用白屈港现有工程，北起长江，入江段以北疏浚闸站枢纽段河道，并利用套闸段现状河道，入江段以南利用现有河道疏(拓)浚至锡北运河；与锡北运河交汇处新建张村水利枢纽，由穿锡北运河立交地涵、立交北涵首顶部与锡北运河平交的节制闸组成；立交地涵南侧平地开河连接寺头港，并于运东大包围严埭港枢纽南侧连接严埭港，利用锡北运河以南的严埭港和寺头港分别疏(拓)浚至北兴塘河、木材仓库河，河道整治工程全长49.23km，途径无锡市江阴市、惠山区、锡山区及梁溪区。

北惠路—堰新路段河道位于界河—锡北运河段，该段河道西侧现有护岸较好，除姑亭庙闸站翼墙区域外，沿线堤防已达标。本次工程未对防洪圈进行封闭，对该区域进行局部堤防达标建设。文章针对土堤加高培厚及直立式空箱两种堤防加固型式进行研究对比，并对现状护岸的稳定性进行复核计算，最终选取合适的方式进行堤防达标建设。

2 堤防加固方案设计

2.1 方法和思路

姑亭庙闸站上下游衔接段设计标准断面如图1所示。考虑到与上下游设计断面的衔接，初步考虑采用方案一土堤加高培厚和方案二新建直立式空箱两种型式，文章针对两种不同的堤防达标型式的结构内力和工程造价分别进行计算分析，最终选用最优方案。

图1 姑亭庙闸站上下游衔接段标准断面(水位单位：m；尺寸单位：cm)

原挡墙的自身稳定及造价采用自编Excel表格进行计算，整体边坡稳定采用河海大学AutoBank软件进行计算。

2.2 计算假定及边界条件

(1)堤防等级为二级，堤顶宽度为6m，两侧接坡按1∶2考虑，堤顶高程为6.5m(吴淞高程，下同)。

(2)挡墙稳定计算是在各土层土质均匀的前提下进行的。

(3)土堤加高培厚覆土及直立式空箱结构自重均按附加荷载考虑，人行步道荷载暂按5kN/m考虑。

(4)河道施工采用干河围堰预降水位的方式，施工最不利工况为墙前水位1.0m，墙后水位4.0m。

2.3 计算荷载的选取

根据规范规定，挡墙主要承受的水平荷载为水压力、土压力(包括附加荷载作用产生的)等；竖向力主要有结构自重、扬压力等。

2.4 设计方案介绍

(1)方案一土堤加高培厚

考虑到距离现状厂区较近，设计范围较小(仅8m)，如采取两侧放坡的型式，至少影响范围为10m，综合考虑墙体的结构稳定以及实施范围的限制，拟采用两侧挡土墙，中间筑堤的方案，如图2所示。

图2 方案一示意图(水位单位：m；尺寸单位：cm)

(2)方案二：新建直立式空箱

考虑到步道宽度及方案的可比性，直立式空箱结构净宽定为6m，中间设置支墩一道，方案如图3所示。

图3 方案二示意图(水位单位：m；尺寸单位：cm)

2.5 计算结果分析

(1)结构内力

墙后附加荷载主要对墙体的抗滑稳定以及整体边坡稳定影响最为明显，墙后填土按回填土考虑，等效内摩擦角为30°，计算结果见表1。

表1 稳定计算汇总表

根据上表可知，两个方案的整体稳定安全系数均能满足规范要求，抗滑安全系数方案二满足要求，方案一不满足。这主要是因为附加荷载距离墙体较近，附加荷载对挡墙产生的水平力较大，根据抗滑稳定系数计算公式，本身墙体自重相同，水平力越大，抗滑稳定安全系数越小。由于直立式空箱结构中间没有填土，整体附加荷载较小，对老挡墙的稳定更为有利。

从表1可以看出，不同的附加荷载对整体边坡稳定影响较小，说明现状堤防建设的不同方案对整体边坡的影响有限，但考虑到结构的稳定性，方案二更有优势。

从结构内力而言，方案二附加荷载较小，稳定性较好。

(2)工程造价

文章主要对两种堤防加固型式的工程造价进行比较，造价对比结果见表2。

表2 造价对比结果汇总表

由上表可以看出方案二造价比方案一高，但是相差不大，主要有以下几个原因：

(1)直立式空箱结构为钢筋砼结构，材料价格相对较高；

(2)由于受地形限制，方案一局部需采用小挡墙结构进行挡土，造价偏高，且直立式空箱结构下部可不做路面基础结构，故两个方案造价相差不大。

综上可知，方案一虽然造价比较低，但是其附加荷载较大，抗滑稳定安全系数不满足规范要求；方案二虽然造价较高，但是其附加荷载较小，各安全系数满足稳定计算要求，故本工程采用方案二(直立式空箱结构)。

3 不同筑堤高度对比分析

不同的筑堤高度产生的附加荷载也不同，文章拟对不同的筑堤高度下两种不同方案的结构稳定系数进行计算，分析直立式空箱结构在不同边界条件下的应用情况。计算结果见表3。

表3 不同筑堤高度稳定系数汇总表

由上表分析可知，主要有以下几点规律：

(1)随着筑堤高度的增加，方案一的抗滑稳定安全系数下降明显，且下降幅度逐渐增大，这是因为随着附加荷载的增大，对挡土墙产生的水平推力逐渐增大；

(2)随着筑堤高度的增加，方案二的抗滑稳定安全系数变化不大，主要是因为空箱结构高度的变化对附加荷载的影响影响较小(无填土)；

(3)整体边坡稳定安全系数变化均较小。

4 结论

(1)当堤防达标工程中局部用地受限且增设挡浪墙方案不适用时，可考虑采用直立式空箱结构；

(2)筑堤高度越高，直立式空箱结构内力优化越明显；

(3)对于有附加荷载限制要求的现有结构上部堤防达标可采用直立式空箱结构；

(4)在实际运用过程中需综合考虑方案的适用性及经济性，综合选用合适的堤防达标方案。