水流形態(tài)突變對(duì)堤防除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案的影響研究

林昌寧，趙東淼，謝陳輝

（溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 溫州 325000）

0 引言

堤防作為抵御洪水侵襲的重要水工設(shè)施,其長(zhǎng)期有效安全運(yùn)行關(guān)系到防護(hù)范圍內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。溫州市鹿城區(qū)七都島段標(biāo)準(zhǔn)堤防由七都大橋建設(shè)引起河道水文特性和水流態(tài)勢(shì)急劇變化,引起堤防堤頂欠高、近岸沖刷、穩(wěn)定不足等問(wèn)題。鑒于此堤段對(duì)七都島防洪安全至關(guān)重要,為此提出從穩(wěn)定性和抗沖刷入手的加固設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

工程涉及標(biāo)準(zhǔn)堤總長(zhǎng)833.4 m,為2 級(jí)堤防,堤頂高程和斷面結(jié)構(gòu)按允許部分越浪量設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)堤采用了半實(shí)填半框架式和全實(shí)填式兩種斷面型式?，F(xiàn)狀堤段存在堤頂高程余量不足、整體穩(wěn)定不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題,嚴(yán)重影響著七都島的防洪安全和城市發(fā)展。七都大橋及加固段堤防地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.1 沖刷及穩(wěn)定性分析

2.1.1 堤防臨水坡沖刷現(xiàn)狀

七都大橋建成后,水流受橋墩的阻壅作用,單寬流量增加,局部水面比降和流速加大,河床發(fā)生一般沖刷；同時(shí)橋墩附近因形成的復(fù)雜水流流態(tài),出現(xiàn)局部沖刷。由于水流流態(tài)改變,有效過(guò)水面積減少,橋下流速增大,對(duì)岸坡及堤防產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷。100 年一遇洪水條件下橋下流場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。

圖2 大橋流場(chǎng)分布圖

經(jīng)安全鑒定,受七都大橋壓縮水流影響,西堤臨水坡出現(xiàn)不同程度沖刷,其中西堤樁號(hào)5+653.8 斷面2018 年～2020 年間最大沖刷了0.65 m,西堤樁號(hào)6+103.8 斷面最大沖刷了0.86 m。見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 西堤樁號(hào)5+653.8測(cè)量對(duì)比圖

圖4 西堤樁號(hào)6+103.8測(cè)量對(duì)比圖

2.1.2 堤防臨水坡穩(wěn)定性分析

（1）計(jì)算方法

采用瑞典圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算整體穩(wěn)定,計(jì)算公式如下：

式中：b為土條寬度；W為土條重量；u為作用于土條底面的空隙壓力；α為條塊的重力線(xiàn)與通過(guò)條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R為圓弧半徑。

（2）計(jì)算參數(shù)

堤身設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)表1 取值。

表1 堤身計(jì)算指標(biāo)表

計(jì)算工況外水位取平均低水位-2.02 m,陸域側(cè)水位取平均水位2.49 m。分別對(duì)堤防現(xiàn)狀及現(xiàn)狀基礎(chǔ)上沖刷2 m后的整體穩(wěn)定進(jìn)行分析,穩(wěn)定分析計(jì)算成果見(jiàn)表2,選取兩典型斷面整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 5+354.3整體穩(wěn)定分析成果

圖6 6+054.8整體穩(wěn)定分析成果

表2 西堤七都大橋段各斷面運(yùn)行期整體穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

由表2可知,受七都大橋水流壓縮影響,堤防增加了整體穩(wěn)定的滑動(dòng)力矩,降低了堤防的整體穩(wěn)定安全系數(shù),不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

綜上,加固設(shè)計(jì)應(yīng)著重解決臨水坡沖刷及臨水平臺(tái)回填引起的堤防整體不穩(wěn)定問(wèn)題。

2.2 堤身加固設(shè)計(jì)

為有效解決堤防臨水坡沖刷及沖刷引起的安全系數(shù)不滿(mǎn)足規(guī)范要求問(wèn)題,臨水坡擬采用模袋砼+充砂管袋加固措施,增加斷面的防沖能力及整體穩(wěn)定性。

2.2.1 護(hù)岸型式

七都標(biāo)準(zhǔn)堤外側(cè)不適宜進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)挖,坡式護(hù)岸能較好適應(yīng)現(xiàn)狀地形變化,水流平順,工藝成熟,護(hù)坡材料豐富,因此七都大橋段加固設(shè)計(jì)采用坡式護(hù)岸。擬定模袋砼+充砂管袋方案、鉸鏈砼預(yù)制塊+充砂管袋方案及塊石+合金石籠網(wǎng)予以比選分析。

（1）模袋砼+充砂管袋方案

模袋混凝土是用具有一定強(qiáng)度和透水性的土工織物做成模袋,然后在模袋里充灌具有一定流動(dòng)性能的混凝土或砂漿。在灌漿壓力的作用下,混凝土或砂漿中多余的水分被擠出模袋,凝結(jié)后即形成高密度的固結(jié)體模袋混凝土。沿堤防臨水側(cè)岸坡坡面鋪設(shè)20 cm厚CX型砼模袋混凝土,坡度≥1∶4.0,沖刷較大的部位采用充砂管袋回填。坡腳末端2 m模袋砼厚度為0.3 m,標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖7。

圖7 模袋砼+充砂管袋方案標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

（2）鉸鏈砼預(yù)制塊+充砂管袋方案

護(hù)面采用C30 鉸鏈混凝土預(yù)制塊,邊長(zhǎng)1000 cm,厚20 cm；沖刷較大的部位采用充砂管袋回填,標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖8。

圖8 模袋砼+充砂管袋方案標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

（3）塊石+合金石籠網(wǎng)方案

石籠網(wǎng)是由高抗腐蝕、高強(qiáng)度、具有延展性的低碳鋼絲或者包覆PVC以上的鋼絲使用機(jī)械編織而成,籠網(wǎng)內(nèi)填塊石形成石籠。石籠網(wǎng)還具有較強(qiáng)的透水性、較好的抗沖性、較好的防浪性、較好的柔韌性等優(yōu)點(diǎn)。石籠網(wǎng)的原材料可采用涂膜熱鍍鋅低碳鋼絲,構(gòu)成網(wǎng)格的鋼絲有一定的強(qiáng)度,不易被拉斷,石籠整體強(qiáng)度較高。低碳鋼絲承受適度的變形特點(diǎn),可以將全部工程連成整體,不需分縫,即使由于某種原因使結(jié)構(gòu)中斷裂一根網(wǎng)絲,也不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體性。結(jié)構(gòu)能進(jìn)行自身適應(yīng)性的微調(diào),不會(huì)因不均勻沉陷而產(chǎn)生沉陷縫等,整體結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到破壞。堤防臨水側(cè)岸坡-1.30 m以上采用塊石護(hù)坡,單重≥200 kg,厚度30 cm；-1.30 cm平臺(tái)以下采用石籠網(wǎng)箱,厚50 cm,沖刷較大的部位采用拋石回填。護(hù)坡坡度≥1∶4.0。

2.2.2 加固方案比選

從投資角度分析,3個(gè)方案中塊石+合金石籠網(wǎng)方案投資最少,模袋砼+充砂管袋方案次之,鉸鏈砼預(yù)制塊+充砂管袋方案最大。但塊石+合金石籠網(wǎng)方案水下拋石工程量不易控制且拋石沉降量大,場(chǎng)地屬軟土地基,按以往的施工經(jīng)驗(yàn),水下拋石沉損可達(dá)50%～100%,工程投資不易控制。

從結(jié)構(gòu)可靠性角度分析,模袋砼+充砂管袋方案整體性好,能較好適應(yīng)地形變化,而塊石+合金石籠網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,整體性較差,鉸鏈砼預(yù)制塊+充砂管袋整體性比塊石+合金石籠網(wǎng)方案好。從施工工藝及工期角度分析,拋石填筑施工工藝簡(jiǎn)單,但水下施工,塊石數(shù)量及質(zhì)量不易控制；充砂管袋可分段全面展開(kāi)推進(jìn),施工速度較快,且地形適應(yīng)性較強(qiáng)。

綜上采用模袋砼+充砂管袋方案。

2.3 休閑平臺(tái)加固設(shè)計(jì)方案

護(hù)岸采用模袋砼+充砂管袋方案,臨水側(cè)休閑平臺(tái)按保留綠化斜坡及恢復(fù)成原大休閑平臺(tái)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)方案。

2.3.1 方案A

保留臨水平臺(tái)綠化斜坡,臨水岸坡護(hù)面采用CX型砼模袋,厚度0.20 m,填充物為C25 砼。高程-1.30 m處設(shè)3.0 m寬的枯水平臺(tái),平臺(tái)末端以1∶4.0的坡度放坡至現(xiàn)狀河床,模袋砼下方至現(xiàn)狀河床間回填充砂管袋?？菟脚_(tái)以上模袋砼順坡敷設(shè)至2.0 m高程處,敷設(shè)前先理坡、鋪設(shè)60 kN/m有紡?fù)凉げ?坡度不大于1∶4.0,見(jiàn)圖9。

圖9 加固方案A

2.3.2 方案B

方案B取消了方案A中的-1.30 m枯水平臺(tái),同時(shí)將臨水側(cè)綠化斜坡開(kāi)挖至4.50 m高程,恢復(fù)成原大休閑平臺(tái)結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖10。

圖10 加固方案B

2.3.3 橋下段休閑平臺(tái)方案選擇

方案A,即保留斜坡綠化方案,增加了堤防的附加應(yīng)力,引起附加沉降,沉降值約為11.0 cm～21.0 cm。原堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,該段堤防結(jié)構(gòu)平臺(tái)末端的密排灌注樁樁徑為600 m,相對(duì)于其他堤防結(jié)構(gòu)要小,綠化回填改變了原灌注樁的受力結(jié)構(gòu)。由表3 可知,方案A延米投資要比方案B高2170 元,橋下段長(zhǎng)度為97.9 m,增加工程部分投資約為21.2 萬(wàn)元。

表3 七都大橋橋下段加固方案延米工程投資分析表表

從結(jié)構(gòu)、沉降、投資等角度分析,本次橋下段采用方案B,即恢復(fù)成原休閑大平臺(tái)結(jié)構(gòu),平臺(tái)表面鋪透水磚,平臺(tái)高程4.50 m。平臺(tái)自上而下依次為透水磚、30 mm厚水泥砂漿、100 mm厚C15 素砼墊層、150 mm厚碎石墊層。

表4 西堤各樁號(hào)斷面加固后整體穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

3 結(jié)語(yǔ)

七都島堤防除險(xiǎn)加固工程以不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)型式為原則,綜合考慮所面臨的的沖刷嚴(yán)重,穩(wěn)定性不足等現(xiàn)狀,結(jié)合擬定的各護(hù)坡及平臺(tái)加固方案從結(jié)構(gòu)、投資、材料等方面比選確定,在方案的優(yōu)選和經(jīng)濟(jì)可行性方面達(dá)到較好的統(tǒng)一。計(jì)算結(jié)果表明：加固方案各項(xiàng)特征參數(shù)均符合規(guī)范要求,設(shè)計(jì)推薦的加固方案可以達(dá)到既定目標(biāo)。