某河道堤防及护岸加固中施工导流设计技术研究

陈 忠，付建利，陈怡宁

(1.德州黄河河务局，山东 齐河 251100；2.济南黄河河务局，山东 济南 250000)

1 工程概况

某河道河段治理根据防洪标准不同分为城区段、乡镇段，长度总计75 km，其中城区段河道长47.5 m，乡镇段河道长27.5 m。现状城区段河道存在受水流顶冲、淘刷造成基础外露或埋置深度不足，防洪堤存在超高不足、达不到百年一遇设防标准的问题[1]。乡镇河道部分河段现状岸边居民、耕地分布密集，现状无任何防洪设施，每遇洪水冲毁道路、村庄、耕地的现象时有发生，急需治理防护；部分河段虽经过治理，但堤防无法达到10 a一遇的防护标准。本次河道治理根据防护区所处各段河势、地形条件、水情特性、岸坡现状等，结合实际情况，城区段河道治理河道长度为38.71 km，其中新建堤防长度13.795 km，维修加固堤防划分为67段长度共计41.315 km。乡镇段段治理河道长度15.4 km，其中维修加固护岸3.246 km，新建护岸16.068 km。本次河道治理项目主要为堤防与护岸工程，施工项目较为单一，根据分期设计洪水成果，进行施工导流方案设计，为河道施工提供参考依据。

2 导流标准及方式

2.1 导流标准

2.1.1 城区段导流标准

河道城区段堤防工程级别为1级，根据规范规定，城区段堤防工程导流建筑物按照10 a一遇洪水标准设计，Q10%(11-4)max=1 580 m3/s。

2.1.2 农防段导流标准

农防段防洪治理工程有一段长5.205 km的护岸工程属库区防护，其余均为河道防洪。

1)河道堤防工程防洪导流标准

农防段维修加固加高堤防工程级别为5级。根据规范规定，导流标准选择5 a一遇洪水重现期。即枯水时段11-4月，相应河段枯水期流量为Q20%(11-4月)=1 580 m3/s。

2)库区防洪导流标准

对于库区防洪，则根据水库运行方式确定安排施工时段。水库库区正常运行回水水位1 578.0～1 578.23 m，因此施工导流以此水位为标准安排护岸基础的施工。

3)设置枯水平台护岸段导流标准

对于沿线设置枯水平台的护坡段，设计枯水位为10 a一遇施工期11月～翌年3月的各月平均水位的平均值，因此其施工导流标准为P=10%上述5个月的月平均流量，Q=585 m3/s。河道防洪工程导流标准见表1。

表1 河道防洪工程导流标准表

2.2 导流方式

2.2.1 城区段导流方式

本工程永久建筑物实施项目主要为堤防与护岸工程，施工项目较为单一，根据分期设计洪水成果，基础施工安排在11-翌年4月，此时段流量较小，水位较低；部分需要导流围堰围护段堤防、护岸，则在岸边侧向围堰围护下沿河分段进行施工，分段长度初拟为100～200 m左右，相同地段左、右岸应错开施工[1]。

本工程施工导流水面线采用水流能量方程逐段试算，推求10 a一遇枯水期洪水(11-翌年4月)Q10%(11-4)max=1 580 m3/s水面线，根据水面线水位及建筑物型式、基础开挖线地面高程，确定5+000～6+280段、11+000～11+450段和22+150～23+100段共2.68 km需在围堰的围护下施工。待治理河道城区段施工导流特性表见表2。

2.2.2 农防段导流方式

农防段根据河道流经乡镇划分为农防一～农防三段，导流方式如下：

1)农防一段：新建护岸5.205 km，均位于水库库区。该段护岸工程基础开挖线地面高程基本高于库区回水位，少量低于库区回水水位的护岸则采用抛填块石形成枯水平台，在枯水期完成枯水平台及洪水位以下格宾网石笼填筑，汛期完成剩余格宾网石笼填筑，因此施工无需设置围堰。

2)农防二段：维修加固左岸堤防3.246 km，新建护岸2.22 km，支沟治理2条。其中0.39 km的河道治理段需在围堰的围护下进行施工。根据水面线水位及堤底基础开挖线地面高程确定需围堰围护施工的堤段，该段施工需围堰390 m。

3)农防三段：总计新建护岸8.643 km，其中长3.119 km的护岸基础需在围堰的围护下进行施工，其余护岸工程基础开挖地面线高程高于5 a一遇枯水期(11月-翌年4月)洪水位或为采用抛填形成枯水平台的结构型式，施工无需围堰。

堤防、护岸基础部分施工安排在枯水时段(11月～翌年4月)，在岸边侧向围堰围护下沿河分段进行，分段长度初拟为100～200 m左右，基础以上部分可在其他时段施工。待治理河道农防段施工导流特性见表见表2。

表2 待治理河道城市、农防段导流特性表

3 导流建筑物设计

3.1 围堰设计

3.1.1 城区段

由于待治理河道城区段沿线土石料匮乏，且河道宽度仅为300～400 m ，不宜采用断面较大的土石围堰，因此，本阶段选择较为适宜的钢板桩围堰形式，钢板桩围堰布置形式见表3。

表3 钢板桩围堰布置形式统计表

桩号5+000～6+280段双层钢板桩围堰，全长分为四段，每段长321 m。每层设4道围檩，围檩采用双根I56a工字钢，钢板桩每2 m设一道竖撑，竖撑采用单根[40a槽钢；八个转角处设置脚撑，脚撑采用直径D=351mm的钢管；钢板桩之间采用连接撑，每2 m设置一道，连接撑为I56a工字钢；在钢板桩底端与地面相接处设置C25砼封底，封底砼尺寸为100×100 cm。桩号11+000～1+450单层钢板桩围堰，全长分为两段，每段长226 m，共设2道围檩，桩号22+150～23+100单层钢板桩围堰，全长分为三段，每段长320 m，设1道围檩，围檩布置形式同上。

1)最大静水压力

本工程围堰拟定钢板桩为拉森SP-ⅥL，截面尺寸见图1。计算采用Midas软件，其中钢板桩采用板单元模拟，支撑与围檩采用梁单元模拟[2]。计算时最大水深分别取7.0 m、4.0 m和1.0 m，钢板桩所受侧面压力为静水压力，呈三角形分布，单位面积上所受静水压力为P=P0+γh。经计算，7.0 m、4.0 m和1.0 m深度处钢板桩所受侧面压力F分别为68.6 KN、39.2 KN和9.8 KN。

图1 钢板桩横断面图(单位：mm)

2)钢板桩零点以下入土深度的确定

采用等值梁法计算原理[3]，土压力零点处的支撑反力与该点以下钢板桩土压力对桩底的力矩平衡，假设土压力零点以下钢板桩埋深为，建平衡方程：

(1)

式中：Ka为主动土压力系数，经计算，Ka=0.53；Kp为被动土压力系数，经计算，Kp=1.9；K为被动土压力修正系数，K=1.4；γ为土层重度，γ=16 KN/m3。钢板桩入土深度经计算结果见表3。

3)钢板桩及围囹强度和稳定性验算

钢板桩及围囹的强度和稳定性验算采用Midas软件，城区段钢板桩围堰稳定性计算结果见表4。

表4 城区段钢板桩围堰计算结果汇总表

3.1.2 待治理河道市农防段

表5 待治理河段防洪工程围堰工程量汇总表

3.2 基坑排水

本工程围堰基本沿河道岸边布置，初期排水量较小，后期排水主要排除来自河床渗水、基坑范围内降雨汇水、两岸地下水及施工废弃水[4]，采用水泵型号300QGW800-10-37，其功率37 kW，排水能力流量800 m3/h。基坑排水及施工导流工程量见表5。

4 结语

该河道治理工程虽然施工项目较为单一，但由于河道城区段沿线土石料匮乏，且河道宽度较窄，不宜采用断面较大的土石围堰。因此，本文根据施工导流标准及导流方式，结合河道治理段各自的特点，城区段选择较为适宜的钢板桩围堰形式，农防段采用常规土石围堰，并进行围堰专项设计研究，该施工导流方式能有效解决施工围堰投资过多以及技术条件复杂等问题。工程于2020年施工完成，采用的导流方案合理，保证了施工按期完成。