某河道堤防及護(hù)岸加固中施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)技術(shù)研究

陳 忠，付建利，陳怡寧

(1.德州黃河河務(wù)局，山東 齊河 251100；2.濟(jì)南黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250000)

1 工程概況

某河道河段治理根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)不同分為城區(qū)段、鄉(xiāng)鎮(zhèn)段，長度總計(jì)75 km，其中城區(qū)段河道長47.5 m，鄉(xiāng)鎮(zhèn)段河道長27.5 m?，F(xiàn)狀城區(qū)段河道存在受水流頂沖、淘刷造成基礎(chǔ)外露或埋置深度不足，防洪堤存在超高不足、達(dá)不到百年一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的問題[1]。鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道部分河段現(xiàn)狀岸邊居民、耕地分布密集，現(xiàn)狀無任何防洪設(shè)施，每遇洪水沖毀道路、村莊、耕地的現(xiàn)象時有發(fā)生，急需治理防護(hù)；部分河段雖經(jīng)過治理，但堤防無法達(dá)到10 a一遇的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。本次河道治理根據(jù)防護(hù)區(qū)所處各段河勢、地形條件、水情特性、岸坡現(xiàn)狀等，結(jié)合實(shí)際情況，城區(qū)段河道治理河道長度為38.71 km，其中新建堤防長度13.795 km，維修加固堤防劃分為67段長度共計(jì)41.315 km。鄉(xiāng)鎮(zhèn)段段治理河道長度15.4 km，其中維修加固護(hù)岸3.246 km，新建護(hù)岸16.068 km。本次河道治理項(xiàng)目主要為堤防與護(hù)岸工程，施工項(xiàng)目較為單一，根據(jù)分期設(shè)計(jì)洪水成果，進(jìn)行施工導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)，為河道施工提供參考依據(jù)。

2 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及方式

2.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 城區(qū)段導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

河道城區(qū)段堤防工程級別為1級，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，城區(qū)段堤防工程導(dǎo)流建筑物按照10 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，Q10%(11-4)max=1 580 m3/s。

2.1.2 農(nóng)防段導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)防段防洪治理工程有一段長5.205 km的護(hù)岸工程屬庫區(qū)防護(hù)，其余均為河道防洪。

1)河道堤防工程防洪導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)防段維修加固加高堤防工程級別為5級。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇5 a一遇洪水重現(xiàn)期。即枯水時段11-4月，相應(yīng)河段枯水期流量為Q20%(11-4月)=1 580 m3/s。

2)庫區(qū)防洪導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

對于庫區(qū)防洪，則根據(jù)水庫運(yùn)行方式確定安排施工時段。水庫庫區(qū)正常運(yùn)行回水水位1 578.0～1 578.23 m，因此施工導(dǎo)流以此水位為標(biāo)準(zhǔn)安排護(hù)岸基礎(chǔ)的施工。

3)設(shè)置枯水平臺護(hù)岸段導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

對于沿線設(shè)置枯水平臺的護(hù)坡段，設(shè)計(jì)枯水位為10 a一遇施工期11月～翌年3月的各月平均水位的平均值，因此其施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為P=10%上述5個月的月平均流量，Q=585 m3/s。河道防洪工程導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 河道防洪工程導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)表

2.2 導(dǎo)流方式

2.2.1 城區(qū)段導(dǎo)流方式

本工程永久建筑物實(shí)施項(xiàng)目主要為堤防與護(hù)岸工程，施工項(xiàng)目較為單一，根據(jù)分期設(shè)計(jì)洪水成果，基礎(chǔ)施工安排在11-翌年4月，此時段流量較小，水位較低；部分需要導(dǎo)流圍堰圍護(hù)段堤防、護(hù)岸，則在岸邊側(cè)向圍堰圍護(hù)下沿河分段進(jìn)行施工，分段長度初擬為100～200 m左右，相同地段左、右岸應(yīng)錯開施工[1]。

本工程施工導(dǎo)流水面線采用水流能量方程逐段試算，推求10 a一遇枯水期洪水(11-翌年4月)Q10%(11-4)max=1 580 m3/s水面線，根據(jù)水面線水位及建筑物型式、基礎(chǔ)開挖線地面高程，確定5+000～6+280段、11+000～11+450段和22+150～23+100段共2.68 km需在圍堰的圍護(hù)下施工。待治理河道城區(qū)段施工導(dǎo)流特性表見表2。

2.2.2 農(nóng)防段導(dǎo)流方式

農(nóng)防段根據(jù)河道流經(jīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為農(nóng)防一～農(nóng)防三段，導(dǎo)流方式如下：

1)農(nóng)防一段：新建護(hù)岸5.205 km，均位于水庫庫區(qū)。該段護(hù)岸工程基礎(chǔ)開挖線地面高程基本高于庫區(qū)回水位，少量低于庫區(qū)回水水位的護(hù)岸則采用拋填塊石形成枯水平臺，在枯水期完成枯水平臺及洪水位以下格賓網(wǎng)石籠填筑，汛期完成剩余格賓網(wǎng)石籠填筑，因此施工無需設(shè)置圍堰。

2)農(nóng)防二段：維修加固左岸堤防3.246 km，新建護(hù)岸2.22 km，支溝治理2條。其中0.39 km的河道治理段需在圍堰的圍護(hù)下進(jìn)行施工。根據(jù)水面線水位及堤底基礎(chǔ)開挖線地面高程確定需圍堰圍護(hù)施工的堤段，該段施工需圍堰390 m。

3)農(nóng)防三段：總計(jì)新建護(hù)岸8.643 km，其中長3.119 km的護(hù)岸基礎(chǔ)需在圍堰的圍護(hù)下進(jìn)行施工，其余護(hù)岸工程基礎(chǔ)開挖地面線高程高于5 a一遇枯水期(11月-翌年4月)洪水位或?yàn)椴捎脪佁钚纬煽菟脚_的結(jié)構(gòu)型式，施工無需圍堰。

堤防、護(hù)岸基礎(chǔ)部分施工安排在枯水時段(11月～翌年4月)，在岸邊側(cè)向圍堰圍護(hù)下沿河分段進(jìn)行，分段長度初擬為100～200 m左右，基礎(chǔ)以上部分可在其他時段施工。待治理河道農(nóng)防段施工導(dǎo)流特性見表見表2。

表2 待治理河道城市、農(nóng)防段導(dǎo)流特性表

3 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

3.1 圍堰設(shè)計(jì)

3.1.1 城區(qū)段

由于待治理河道城區(qū)段沿線土石料匱乏，且河道寬度僅為300～400 m ，不宜采用斷面較大的土石圍堰，因此，本階段選擇較為適宜的鋼板樁圍堰形式，鋼板樁圍堰布置形式見表3。

表3 鋼板樁圍堰布置形式統(tǒng)計(jì)表

樁號5+000～6+280段雙層鋼板樁圍堰，全長分為四段，每段長321 m。每層設(shè)4道圍檁，圍檁采用雙根I56a工字鋼，鋼板樁每2 m設(shè)一道豎撐，豎撐采用單根[40a槽鋼；八個轉(zhuǎn)角處設(shè)置腳撐，腳撐采用直徑D=351mm的鋼管；鋼板樁之間采用連接撐，每2 m設(shè)置一道，連接撐為I56a工字鋼；在鋼板樁底端與地面相接處設(shè)置C25砼封底，封底砼尺寸為100×100 cm。樁號11+000～1+450單層鋼板樁圍堰，全長分為兩段，每段長226 m，共設(shè)2道圍檁，樁號22+150～23+100單層鋼板樁圍堰，全長分為三段，每段長320 m，設(shè)1道圍檁，圍檁布置形式同上。

1)最大靜水壓力

本工程圍堰擬定鋼板樁為拉森SP-ⅥL，截面尺寸見圖1。計(jì)算采用Midas軟件，其中鋼板樁采用板單元模擬，支撐與圍檁采用梁單元模擬[2]。計(jì)算時最大水深分別取7.0 m、4.0 m和1.0 m，鋼板樁所受側(cè)面壓力為靜水壓力，呈三角形分布，單位面積上所受靜水壓力為P=P0+γh。經(jīng)計(jì)算，7.0 m、4.0 m和1.0 m深度處鋼板樁所受側(cè)面壓力F分別為68.6 KN、39.2 KN和9.8 KN。

圖1 鋼板樁橫斷面圖(單位：mm)

2)鋼板樁零點(diǎn)以下入土深度的確定

采用等值梁法計(jì)算原理[3]，土壓力零點(diǎn)處的支撐反力與該點(diǎn)以下鋼板樁土壓力對樁底的力矩平衡，假設(shè)土壓力零點(diǎn)以下鋼板樁埋深為，建平衡方程：

(1)

式中：Ka為主動土壓力系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，Ka=0.53；Kp為被動土壓力系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，Kp=1.9；K為被動土壓力修正系數(shù)，K=1.4；γ為土層重度，γ=16 KN/m3。鋼板樁入土深度經(jīng)計(jì)算結(jié)果見表3。

3)鋼板樁及圍囹強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼板樁及圍囹的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算采用Midas軟件，城區(qū)段鋼板樁圍堰穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 城區(qū)段鋼板樁圍堰計(jì)算結(jié)果匯總表

3.1.2 待治理河道市農(nóng)防段

表5 待治理河段防洪工程圍堰工程量匯總表

3.2 基坑排水

本工程圍堰基本沿河道岸邊布置，初期排水量較小，后期排水主要排除來自河床滲水、基坑范圍內(nèi)降雨匯水、兩岸地下水及施工廢棄水[4]，采用水泵型號300QGW800-10-37，其功率37 kW，排水能力流量800 m3/h。基坑排水及施工導(dǎo)流工程量見表5。

4 結(jié)語

該河道治理工程雖然施工項(xiàng)目較為單一，但由于河道城區(qū)段沿線土石料匱乏，且河道寬度較窄，不宜采用斷面較大的土石圍堰。因此，本文根據(jù)施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)流方式，結(jié)合河道治理段各自的特點(diǎn)，城區(qū)段選擇較為適宜的鋼板樁圍堰形式，農(nóng)防段采用常規(guī)土石圍堰，并進(jìn)行圍堰專項(xiàng)設(shè)計(jì)研究，該施工導(dǎo)流方式能有效解決施工圍堰投資過多以及技術(shù)條件復(fù)雜等問題。工程于2020年施工完成，采用的導(dǎo)流方案合理，保證了施工按期完成。