大同市口泉河河道治理堤防穩(wěn)定設(shè)計

張 娟

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

口泉河位于大同市西南山區(qū)，屬于永定河水系桑干河一級支流，發(fā)源于左云縣水窯村，由西向東流經(jīng)口泉河煤礦礦區(qū)和南郊區(qū)的趙家小村,至懷仁縣智明莊匯入桑干河，干流全長57.5 km，總流域面積459 km2，大同市境內(nèi)河段長37.4 km，占河道全長的65%，流域面積331 km2，兩岸遍布大型國有煤礦和地方煤礦。河道治理工程為口泉河五一橋以下2 km起至秀女橋段，長約6.2 km，主要包括堤防工程、堤岸防護工程、交叉建筑物、堤頂搶險路工程四部分。根據(jù)《中華人民共和國防洪標(biāo)準(zhǔn)》、《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，確定該河道治理工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。

2 工程地質(zhì)

工程區(qū)屬陰山支脈，所處大地構(gòu)造單元為內(nèi)蒙斷塊的南緣，西北部為低中山區(qū)，東南部為大同盆地?？谌涌傮w流向由北西向南東，區(qū)內(nèi)主要接受大氣降水補給，地下水主要為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育古生界寒武系和奧陶系碳酸鹽巖、石炭系和二迭系陸相碎屑巖、中生界侏羅系陸相碎屑巖、新生界上第三系坡洪積物及第四系松散堆積物。該河道治理工程位于口泉河中下游口泉村五一橋以下2 km至秀女橋，該段口泉河流向S50°～55°E，河谷寬70～150 m，兩側(cè)形成較寬闊的河漫灘及Ⅰ級堆積階地。地層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積物，巖性表層為淡黃色低液限粉土，含礫石及大量植物根系，厚0～1.5 m；其下為級配不良礫夾低液限粉土，局部為卵石混合土透鏡體，厚10～15 m。其下為淡黃色、微紅色低液限黏土夾級配不良砂礫和低液限粉土局部夾卵石混合土透鏡體，厚度大于30 m。防洪堤堤基主要為全新統(tǒng)洪沖積低液限粉土和級配不良礫，低液限粉土壓縮變形大，承載力能力低，級配不良礫結(jié)構(gòu)松散，夾級配不良砂和卵石混合土，局部架空，抗沖刷能力差。堤基存在不均勻變形和洪水沖刷問題。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，狼兒溝石料場和梓家村砂礫料場儲量較豐富，可滿足工程設(shè)計用量要求，開采運輸條件較好。

3 堤防設(shè)計

3.1 堤型選擇

項目區(qū)位于大同市城鎮(zhèn)邊緣，沿河除村鎮(zhèn)外均為耕地，土料取料較方便。位于大同市郊的狼兒溝石料場儲量豐富，滿足修建重力式防洪堤供料。鑒于此，堤型根據(jù)河床特征分段選擇：3號中橋以上（簡稱上游段）為下部重力式防洪墻、上部為土堤復(fù)式斷面；3號中橋以下（簡稱下游段）為純土堤斷面。

3.2 堤防斷面及結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 上游段

堤防斷面型式為復(fù)式斷面，下部為仰斜式重力防洪墻，墻高2.9～5.1 m，墻頂寬0.5 m，墻體迎水面邊坡1：0.3，墻背坡 1：0.1，基礎(chǔ)寬度 2.0～2.4 m；上部為土堤，堤高0.9 m，頂寬6.0 m，迎水面邊坡1：3.0，背水面邊坡1：2.0，采用植被網(wǎng)護坡。修建堤防時要求對地基進行夯實處理。

3.2.2 下游段

堤防斷面宜布置為純土堤，堤高1.8～3.4 m，堤頂及邊坡設(shè)計同上游段，護坡型式可分為兩種：河床順直或凸岸段，堤面護坡同上游段。河床凹岸段堤腳下部采用MU7.5漿砌石護坡，防護高度1.1～2.7 m，上部采用混凝土網(wǎng)格護坡。漿砌石護坡厚0.3 m，混凝土網(wǎng)格護坡厚0.12 m，格內(nèi)植草，該段型式長約1.801 km。

3.3 上游段堤防穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 基本資料

計算工況：正常運用條件為設(shè)計洪水運行工況；非常運用條件為多年平均水位遭遇地震情況。穩(wěn)定及應(yīng)力計算均選用北京理正軟件設(shè)計研究所的《擋土墻計算軟件》進行計算。

穩(wěn)定安全系數(shù)及地基承載力按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》選用。

3.3.2 荷載計算

項目區(qū)左右堤防外側(cè)均設(shè)有搶險路，防洪墻穩(wěn)定計算及應(yīng)力計算時應(yīng)考慮汽車荷載作用。防洪墻穩(wěn)定及應(yīng)力計算不含汽車荷載計算，該工程將汽車荷載折算成土重附加于墻后進行計算。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，車輛荷載在擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力可按下式換算成等代均布土層厚度計算：

式中：h——等代均布土層厚度，m；

γ——土容重，kN/m3；

∑G——布置在B×l0面積內(nèi)的車輪的總重力，kN；

l0——擋土墻后填土的破壞棱體長度，m；

B——擋土墻的計算長度，m。

經(jīng)計算，等代均布土層厚度約為1.56 m。

3.3.3 計算公式

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，防洪墻抗滑穩(wěn)定按下式進行計算：

式中：Kc——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑W——作用于墻體上的全部荷載垂直力的總和，kN；

∑P——作用于墻體上的全部荷載水平力的總和，kN；

f——防洪墻墻底與堤基間的摩擦系數(shù)。

防洪墻的抗傾穩(wěn)定性按下式計算：

式中：Ko——抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；

Mv——抗傾覆力矩，kN·m；

MH——傾覆力矩，kN·m。

防洪墻基底應(yīng)力按下式計算：

式中：σmax，min——基底的最大壓應(yīng)力和最小壓應(yīng)力，kPa；

∑G——基底荷載，kN；

A——底板面積，m2；

∑M——荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；

∑W——底板截面系數(shù)，m3。

選擇典型斷面進行計算，計算結(jié)果見表1，重力墻穩(wěn)定安全系數(shù)及地基承載力規(guī)范值見表2。

表1 重力墻穩(wěn)定及地基應(yīng)力計算成果表

表2 重力墻穩(wěn)定安全系數(shù)及地基承載力規(guī)范值

由表1和表2數(shù)據(jù)可知：防洪墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，基底應(yīng)力基本滿足地基承載力要求，基底應(yīng)力不均勻系數(shù)（σmax/σmin）也滿足要求。

4 結(jié)語

在大同市口泉河河道治理堤防穩(wěn)定設(shè)計過程中充分利用了當(dāng)?shù)夭牧希捎昧撕侠淼姆篮閴嗝?，?jīng)穩(wěn)定計算可知，設(shè)計滿足規(guī)范要求，使工程既減少了投資，又保證了安全。