钟桥右岸下段堤身加培设计及稳定性分析

夏晶芹

（安徽省郎溪县水利局,安徽 宣城 242100）

郎溪县城地处长江下游支流水阳江中游,北靠钟桥河,南临老郎川河。郎川河上游为广德山区,山洪居高而下,穿城而过,自古至今就是个洪涝灾害十分频繁的地区。洪涝灾害是郎溪县最严重的自然灾害之一,有资料记载的洪涝年就有160 余年,平均每三年中就有一年是洪涝年。钟桥河河道堤防实施堤身加固、防渗处理等工程措施,进一步提高其防洪能力,为郎溪县经济社会的发展提供切实的防洪安全保障。

1 工程概况

郎溪县钟桥河右岸下段防洪工程位于安徽省郎溪县境内,涉及郎溪县、第二联合圩和永宁圩,堤段长5.97 km。工程区沟渠坑塘密布,交通较便利。

第二联合圩易涝区面积13.01 km2,耕地1.2 万亩,圩内大部分为农田,圩内农村人口0.88 万人,考虑到该圩区面积较大、人口较多,洪标准采用20 年一遇。

永宁圩为千亩圩口,根据《南漪湖流域治理规划》治理要求,现状堤顶高程对堤身进行除险加固。

根据《郎溪县治涝规划》,工程涉及圩区主要位于农村地区,除涝标准采用10 年一遇最大3 日暴雨3 日排出,不考虑滞蓄水深。

1.1 工程加固前状况

加固段堤防堤身为历次加高培厚形成。地势自窑下闸至杨墩由高变低,堤顶高程为11.8 m~12.4 m,堤高0~3.7 m,堤身断面大部分呈梯形。堤顶宽2.1 m~5.5 m,内、外边坡坡比大部分为1∶1.5~1∶2,局部坡比为1∶0.5~1∶1。其中桩ZQR0+030~ZQR0+223 段堤身宽0.7 m~1.2 m,高2.3 m~2.6 m；桩ZQR0+798~ZQR1+613 段未建设堤防,陡坎形式与河床衔接。堤ZQR0+560~ZQR0+610 段堤内已设置松木桩支护,其它堤段内外坡脚均未做处理。

1.2 历史险情

工程段发生外脱坡2段,历史溃口1处和渗漏与散浸4处（见表1）；且多处断面存在渗漏,面出逸点高程均较高,堤脚渗透比降大于允许值,严重影响岸线安全（见表2）。

表1 钟桥河右岸下段堤防堤身险情统计表

表2 加固前典型断面渗流计算结果表

2 堤身加培设计

2.1 堤防标准断面设计

2.1.1 堤顶超高堤顶超高按以下公式计算：

式中：Y为堤顶超高；R为设计波浪爬高,R=0.5 m；e为设计风壅高度,e=0.001 m；A为安全加高,A=0.6 m。

由计算可知第二联合圩堤顶超高值1.101 m。考虑到本河段受南漪湖高水位顶托时间较长,同时考虑圩区内经济社会远景发展需求,确定堤顶超高取1.2 m。永宁圩面积较小,距离南漪湖口较近,堤顶高程维持现状。

2.1.2 堤身加培设计

对永宁圩、第二联合圩堤防现状堤顶高程、宽度、堤内边坡不足的堤段,进行加高培厚。

1.4 鱼苗培育 刚孵化的鱼苗要首先在60 L的长方形玻璃槽中进行培育。出膜后6～8 h，卵黄吸收完成，幼苗能短暂地无方向地间歇游动，开始投喂活体草履虫；10 d后可以改投全人工制作的蛋白质含量为36%的膨化饲料粉末、轮虫及其他配合饲料，每天3～5次，投喂量以每次10 min内吃完为标准；鱼苗长大到2.5 cm以后移到10 m3的正方形流水池中培育，继续投喂蛋白质含量为36%的饲料粉末。

工程堤外滩地较窄（基本没有滩地）,且外培影响河道行洪,因此本次加固工程采用堤内坡培土。下杨桥西侧、杨墩段因堤身外侧陡峭,内侧房屋邻近,为避免拆迁,采用外培加固,并设置防洪墙。堤身加培时,为便于新老填土牢固结合,原堤防边坡开挖成台阶形状,清基平均厚度0.3 m。堤身加培土压实度不小于0.91。钟桥河现状堤防大部分堤基土体基本成流塑~软塑,为高压缩性土,在附加应力的作用下,会有部分的沉降。在堤防施工时,预留部分沉降量,同时控制筑堤速度,必要时进行沉降观测。

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的要求,并结合当地相似工程的堤防断面标准,工程范围内断面进行了分别设计。

（1）永宁圩（桩号 ZQR0+00~ZQR3+253）

1）窑下至渡头闸堤防加固段（桩号 ZQR0+00~ZQR0+765）。该段采用梯形土堤,堤顶高程为10年一遇水位加0.5 m；堤顶宽度5 m；堤防外坡坡比1∶2.5；堤身高度超过6 m 时,内侧设一宽3 m的平台,平台以上坡比1∶2.5,平台以下坡比1∶3；堤身内侧不设平台的,内坡坡比1∶2.5。

下杨桥西至永宁闸段（桩号ZQR1+845~ZQR3+253）断面同上（见图1）。

图1 永宁圩堤防加固段断面

2）渡头闸至下杨桥东（桩号 ZQR0+765~ZQR1+581）该段起点为渡头闸,终点为下杨桥东。涉及基本农田,新建堤防设计考虑根据政策规定,建设道路的占地宽度≤8 m。所以该段堤防采用新建防洪墙结构,减少降低宽度。

新建防洪墙墙身厚300,墙高 2.7 m,底板宽2.6 m,底板厚400 mm,底板高程+8.50 m。防洪墙墙顶高程为10年一遇水位加 0.5 m,堤顶宽度3.5 m,堤顶高程11.05 m；内外坡坡比1∶2.5（见图2）。

图2 永宁圩涉及基本农田段新建堤防段断面

3）下杨桥东段（桩号 ZQR1+581~ZQR1+768）。下杨桥东段（桩号 ZQR1+581~ZQR1+768）共 187.6m,分为2种情况加固。其中：

ZQR1+580.6~ZQR1+685.1段104.5 m及ZQR1+742.4~ZQR1+768.2段25.8 m,共计130.3 m,该段为居民集中居住区,房屋密集且建造位置濒临水边,根据与乡镇沟通结果,该段不进行拆迁,在现状基础上将混凝土道路改建为沥青道路。路面结构为（自上而下）：4 cm改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13）、6 cm 中粒式沥青混凝（AC-20 C）、1 cm 橡胶沥青应力吸收层、聚脂玻纤布、处治后原路面结构。

桩号ZQR1+685.1~ZQR1+742.4ZQR1+768段57.3 m,该段房屋密集,屋外道路狭窄,道路临河,岸坡陡峭,深泓逼岸。该段道路加宽至6 m,堤防为外培,坡比为1∶3。为保证岸坡稳定,在7.60 m高程设置梯形抛石镇脚,镇脚顶宽4 m,内外坡比1∶2.5,镇脚内填筑粘土,压实度为0.91（见图3）。

图3 下杨桥道路外侧岸坡陡峭段堤防断面

4）下杨桥西段（桩号 ZQR1+768~ ZQR1+845）。该段堤身临河侧陡峭,内侧房屋密集,紧贴现状道路,现状道路宽度3 m,为避免房屋拆迁,采用土堤结合防洪挡墙结构。加固后堤顶宽度6 m,堤顶高程+11.4~+11.6 m,堤身采用外培,堤防外坡坡比1∶2.5,为避免拆迁房屋内坡坡比基本维持现状。堤身外侧上部设置防洪墙,墙顶高程同现状路面,墙身上部厚 300 mm,墙身下部厚 1000 mm,底板长4.2 m,厚500 mm。为防止外坡冲刷,在外坡底+7.60 m高程设置波浪桩镇脚,波浪桩桩长8 m,采取“S”拼接型式,桩外侧为5 m宽,平均1 m 厚抛石。外坡坡面设置砼联锁块护坡。

（2）第二联合圩（桩号 ZQR3+253~ZQR5+102；YCR0+000~YCR0+697）

1）永宁闸~渡口（桩号 ZQR3+253~ZQR5+102）。该段采用梯形土堤,堤顶高程为20 年一遇水位加1.2 m；堤顶宽度6 m；其余处理同桩号 ZQR0+00~ZQR0+765。

2）渡口~杨墩（桩号 ZQR5+102~ZQR5+273）。该段为土堤结合防洪挡墙结构。该段堤身临河侧陡峭,内侧房屋密集,紧贴现状道路,道路宽度3 m,为避免房屋拆迁,采用土堤结合防洪挡墙结构。堤顶宽度5.5 m,采用外培,堤防外坡坡比 1∶2.5,为避免拆迁房屋内坡坡比基本维持现状。堤身外侧上部设置防洪墙,墙顶高程为+13.23 m（20 年一遇水位加 1.2 m）,墙身上部厚 300 mm,墙身下部厚 500 mm,底板长4 m,厚500 mm。为防止外坡冲刷,在外坡底+7.60 m 高程设置波浪桩镇脚,波浪桩桩长 8 m,采取“S”拼接型式,桩外侧为 5 m 宽,平均1 m厚抛石。外坡坡面设置砼联锁块护坡。

3）永宁闸~鱼场（桩号 YCR0+000~YCR0+697）。该段采用梯形土堤,堤顶高程为20 年一遇水位加1.2 m；堤顶宽度4 m；堤防外坡坡比1∶2.5；内坡坡比1∶2.5（见图4）。

图4 永宁闸~渡口段堤防断面图

2.2 防渗处理

经历史险情及渗流安全分析,堤防背水坡脚出逸点比降较大,渗漏严重,出逸点高程高。为了确保堤身安全,对渗漏段堤身及堤基进行防渗处理。

第二联合圩堤防永宁闸-杨墩段土堤2.02 km 采用水泥掺入比10%~12%多头小直径防渗墙进行防渗加固,沿线防渗墙一般情况下入堤基重粉质壤土层 0.5 m 左右,平均深度约10 m,墙体抗渗厚度按下式确定：

式中：T为墙厚,m；H为上下游水头差,本次设计取6.5 m~7.5 m；i为水泥土允许坡降,取i=60。

经计算得水泥土防渗墙厚度为108 mm~125 mm时,即可满足抗渗要求,考虑到施工连续性、均匀性和竖向偏差,初拟成孔孔径400 mm,桩体间水平向搭接长度240 mm,则多头小直径墙体有效理论厚度可达250 mm,满足抗渗要求。

2.3 防渗处理后土堤渗流稳定分析

对堤防进行防渗加固处理后,计算选取2个最不利断面作为渗流复核计算断面。

（1）计算参数

根据《堤防设计规范》（GB 50286-2013）的规定,堤防土料的物理力学指标均采用地勘报告的建议值（见表3）。

表3 渗流稳定计算断面各土层强度指标表

（2）计算方法及计算结果

渗流稳定分析采用河海大学土木工程学院开发的《水工结构有限元分析 系统（AUTOBANK）》土石坝稳定分析系统进行计算,抗滑稳定计算方法采用毕肖普法。计算结果见表4,结果表明采用多头小直径防渗墙后,渗透稳定能够满足规范要求,计算简图见图5~图6。

表4 堤防典型断面渗流计算成果表

图5 ZQR0+637堤防断面加固后渗流等势线图

图6 ZQR0+338堤防断面加固后渗流等势线图

2.4 加固后土堤边坡稳定分析

2.4.1 分析方法

堤防抗滑稳定计算采用稳定分析软件 Autobank,根据《堤防工程设计规范》3.2.3 条,计算方法采用毕肖普法,稳定渗流期及水位降落期堤身抗滑稳定计算采用有效应力法。根据堤段地质条件和堤身高度等因素,取2 个加固后典型断面进行抗滑稳定计算。

2.4.2 计算工况及结果

计算工况及成果见表5,成果表明,在设计洪水位、水位降落期、施工期工况下,加固后的堤防整体抗滑稳定安全系数满足规范要求。堤身临界滑裂面示意图见图7~图8。

表5 加固后典型堤防断面抗滑稳定计算工况及成果

图7 ZQR0+637段堤身临界滑裂面示意图

图8 ZQR3+338段堤身临界滑裂面示意图

3 结语

郎溪县钟桥河右岸下段防洪工程实施后,具有显著的防洪效益,多年平均效益约450万元,工程的经济内部收益率为 7%,各项指标均满足工程经济合理性要求,即使工程费用增加10%或效益降低10%,工程仍是经济可行的,说明本工程具有一定的抗风险能力,因此,本工程在经济上是合理的。工程的实施具有巨大的社会和环境效益,可降低洪灾发生频率,消除堤防溃口的隐患,从而避免因洪灾而造成的社会不稳定,生态环境污染以及对社会正常生产、生活的干扰,有效地保障疫区人民的身体健康和生命安全,为当地的经济、社会和环境的可持续性协调发展创造条件。