河道治理工程堤防选型与稳定性分析_陆彦平.pdf

河南水利与南水北调 2023年第5期勘测设计河道治理工程堤防选型与稳定性分析陆彦平（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）摘要：为了提高河道的防洪能力，结合河道现状对工程布置情况进行研究。选取3种型式堤防方案进行比选，采用素混凝土重力式挡墙型式占地面积小，作为推荐方案。根据河道水面线推求和安全加高要求，确定堤顶高程，经过稳定性复核分析计算，堤防型式满足安全要求。研究结果可为河道防洪安全提供参考。关键词：河道治理；堤防；型式；稳定性中图分类号：TV87文献标识码：B文章编号：1673-8853（2023）05-0102-02Type Selection and Stability Analysis of Levee in River Regulation ProjectLU Yanping（Guizhou Institute of Water Resources and Hydropower Survey,Design and Research CO.LTD.,Guiyang 550002,China）Abstract：In order to improve the flood control capacity of the river channel,the engineering layout is studied based on the currentsituation of the river channel.Three types of embankment schemes are selected for comparison.The plain concrete gravity retainingwall type is recommended because of its small floorprint.According to the calculation of river water surface profile and safetyheightening requirements,the embankment top elevation is determined.After stability review analysis and calculation,the embankmenttype meets the safety requirements.The results can provide reference for river flood control safety.Key words：river regulation;embankment;type;stability1引言河道具有行洪的重要作用，在河道长期侵蚀冲刷作用下，河道岸坡出现破坏，河道淤积严重，影响河道行洪能力。针对这种情况，采取防洪加固措施是非常必要的。堤防工程是常见的河道防洪措施，针对不同的情况采取不同的堤防结构型式是非常必要的，有利于降低工程投资，提高河道安全性。设计水面线是影响堤防工程规模的重要参数，目前，在水面线推求中常用的方法为一维恒定非均匀流方法，在工程实践中积累了丰富的使用经验。2工程总体布置某河道治理段现状两岸为土堤，由于河道纵坡小，运行多年后河道淤积严重，杂草丛生，过洪能力差，治理河道位置基本保持不变，仅对桩号1+7352+083段进行截弯取直，其余河段通过拓宽疏浚、新建堤防、弯道防护等措施，使治理段河道行洪能力达到50年一遇。根据现状地形及纵坡条件，工程全线采用素混凝土堤防，河道宽度为5570 m，堤顶道路宽6 m，河底开挖主槽，主槽可尽量蜿蜒自然，底宽815 m不等，深0.80 m。工程总体布置如下，河道平面布置统计表见表1。桩号0+0001+735段。该段河道全长1.74 km，现状宽度约20 m，河道按现状走向布置，由于地形限制，右岸有山体，主要以向左岸拓宽为主，拓宽段占地类型多数为耕地。桩号1+7352+083段。河道裁弯取直段，将原河道弯道处取直，取直后长度348 m，河道宽度按60 m控制，两岸设抢险路。桩号2+0832+416段。河道治理的末端，河道按照原河道走向，但需对河道进行拓宽，宽度为60 m，两岸设抢险路，最末端与现状公园治理段相接。3堤型选择堤防是目前河道治理工程的主要防洪建筑物。选取重力式挡墙、悬臂式挡墙、格宾石笼护坡3种方案进行比选。各方案对比如下。3.1重力式挡墙重力式挡墙设计总高5.80 m，顶宽0.50 m，迎水面采用直墙型式，背水面坡比设置为1：0.50，基础墙趾宽度1 m，高1.50m，为了满足冲刷验算，挡墙基础埋深确定为2 m，材料可以采用M10浆砌石或C25素混凝土。作者简介：陆彦平（1989），男，工程师，主要从事水工设计工作。表1河道平面布置统计表序号123合计桩号0+0001+7351+7352+0832+0832+416长度/m1 7353483332 416堤防型式素混凝土挡墙堤距/m55706060堤高/m3.8边坡1：0备注裁弯取直段102河南水利与南水北调 2023年第5期勘测设计M10浆砌石和C25素混凝土挡墙均具备施工工艺简便等优势，可以满足相关规范要求。与C25混凝土相比浆砌石造价低，但防渗、抗冻性能较差，综合考虑采取C25素混凝土重力式挡墙。重力式挡墙结构图见图1。3.2悬臂式钢筋混凝土挡墙悬臂式挡墙设计总高和基础埋深同重力式挡墙，顶宽采用0.40 m，迎水面采用直立墙面，背水面边坡坡比为1：0.1。为满足防渗、耐久性，采用C25F150W6混凝土，HRB400级钢筋。钢筋混凝土材料耐久、防渗、抗裂性能良好但施工工艺复杂、造价相对较高。悬臂式挡墙结构图见图2。3.3格宾石笼护坡治理段河道采用50年一遇防洪标准，根据计算，治理段河道平均流速在2.103.90 m/s。采用格宾石笼护坡时，确定格宾石笼防护高度2.50 m、厚度0.50 m，下部铺设厚度150 mm碎石垫层，上部覆盖200 mm厚种植土。格宾石笼护坡时，确定堤防顶宽6 m，迎水坡、背水坡坡比均为1：2.0。该方案造价低但需要占用更多土地面积。格宾石笼护坡结构图见图3。堤防型式选择需要充分考虑河道沿线的实际情况，通过现场调查，河道两岸拓宽工程实施难度较大。格宾石笼护坡方案需要占用更大的土地面积，在工程治理段实施难度大，因此，格宾石笼护坡方案适宜性较差。悬臂式钢筋混凝土挡墙方案占地面积小，但工程费用高、施工工艺要求高，适宜性较差。综合考虑耐久性、施工难度等因素，采用C25素混凝土方案适宜性高。4堤防方案设计4.1水面线推算及堤顶高程确定治理段全长2.42 km，采用一维恒定非均匀流计算公式推算水面线，明渠均匀流计算公式如下：（1）式（1）中：Q河道流量，取344 m3/s；A过水面积（m2）；R水力半径（m）；C谢才系数；i河道纵坡。河道断面简化为矩形断面，底宽60 m，平均纵坡3.50，综合糙率0.3510-1。经计算，正常水深h0=2.14 m。临界水深hk按下式计算：（2）式（2）中：修正系数，取1.00；q单宽流量（m3/s）。经计算，临界水深hk=1.496 m。根据计算结果可知：h0=2.14 mhk=1.496 m，判断流态为缓流，水面线推求计算公式如下：（3）式（3）中：Z水位（m）；V平均流速（m/s）；g重力加速度（m/s2）；、K-分别为动量修正、局部阻力、流量系数。堤防的堤顶高程Y按下式计算：Y=R+e+A（4）式（4）中：R、e、A分别为波浪爬高（m）、风壅水高度、安全加高（m）。根据表2中的计算结果，治理段河道新建堤防工程超高为1.21 m。结合式（3）获取的设计水深，综合确定堤防高度为3.80 m。各段设计堤防高程如图4所示。4.2堤防防冲设计河水冲刷是影响堤防工程设计的另一个重要因素。在治理段河道范围内，存在平行岸坡冲刷和弯道水流冲刷两种形式。冲刷深度计算公式如下，符号含义见表3。（5）（6）（7）图1重力式挡墙结构图图2悬臂式挡墙结构图图3格宾石笼护坡结构图表2堤防超高计算成果表堤防型式挡墙计算风速/（m/s）25.50水域平均水深/m2.30风壅水面高度/m0.003 6设计波浪爬高/m0.402堤防安全加高/m0.80堤防超高/m1.21图4水面线计算成果图（下转第125页）103河南水利与南水北调 2023年第5期智慧水利采用三次多项式拟合距上游边界50 m断面上的水面流速系数与下游边界水深的关系，得出了修正后的水面流速系数k 与下游水深hd的公式：K=-6.350 7hd3+38.972hd2-78.909hd+53.763（1）拟合曲线与数值模拟结果决定系数R2为0.99，根据K 计算的结果与实际的流量偏差不超过1.4%。3.3.3多点流速测定雷达测流所获得的水面数据的数量取决于水面波浪和漂浮物。因此在灌区的实测流量仅能测量出水面上有限点的流速，不能像数值模拟那样获得大量结果。所以文中测量点个数和测量误差的关系作了一些分析。分析在水面上设置3个点（距离水面中心点0 m，2 m），5个点（距离水面中心点0 m，2 m，4 m），7个点（距离水面中心点0 m，1.5 m，3 m，4.5 m）得到的平均流速。根据计算结果，测量点数量越多，则测流误差越小。仅设置3个测流点时，6种工况下的误差在10%19%；5个测流点的误差为5%12%；7个测流点的误差在0%9%，当壅水高度h小于20 cm时，7个测流点的误差小于5%。4结论在相同断面上，不同壅水高度时，渠道的水面流速系数发生了明显的变化。如果忽略渠道壅水的特性，只考虑水面流速系数是固定的，在此基础上求出的流量会有很大的误差。文中给出的算例表明最大误差可以达到16.70%。在h变化范围小于20 cm时，采用点流速与剖面平均流速之间的关系来率定的水面流速系数是可靠的。而h变化范围大于20 cm时，实际水面流速系数将大于率定的，产生一定的流量偏差。考虑壅水后对水面流速系数进行校正，测流误差将显著降低，大约降低至1.40%。在采用雷达技术进行流速测量时，测量精度会因测点的增加而提高。当有7个测点时，其测量误差小于9%，可以满足渠道量水规范的要求。文中仅截取了一段长度为100 m典型渠道，这一结论是否具有尺度效应尚有待于进一步研究，此外还可以探究水面流速系数与糙率、断面尺寸比、底坡等因素之间的关系。参考文献：1 冉聃颉，王文娥，胡笑涛，等.梯形喉口无喉道量水槽水力性能分析 J.水科学进展，2018，29（2）：236-244.2 周舟，曾诚，周婕，等.等宽明渠交汇口流速分布特性数值模拟 J.水利水运工程学报，2020（1）：32-39.3 刘士和，廖伟坚.明渠层流的总流微分模型与最小能耗原理J.武汉大学学报（工学版），2019，52（9）：753-757.收稿日期：2023-3-17编辑：刘长垠侯鹏松经计算，最大冲刷深度为1.65 m（从河底算起），根据治理段河道所在区域堤防工程建设和运行管理的经验，河道治理工程选取堤防基础埋置深度为2 m。4.3堤防稳定计算此工程等别为等大（2）型水利工程，根据前述分析计算，确定治理段河道重力式素混凝土挡墙河底以上高度为3.80 m，基础埋深2 m，总高5.80 m，挡墙稳定性计算参数如下：填土内摩擦角=21，容重=17 kN/m3，素混凝土容重=24 kN/m3，堤基为土基，地基允许承载力为120 kPa，基底摩擦系数f=0.4。抗滑稳定安全系数Kc计算公式如下：（8）抗倾稳定安全系数KO计算公式如下：（9）式（8）（9）中：W、P作用于墙体上垂直力、水平力总和（kN）；MV、MH抗倾覆力矩、倾覆力矩（kN m）。经计算，抗滑稳定安全系数为2.10，大于规范值1.30；抗倾稳定安全系数为5.30，大于规范值1.55。从以上结果可知，堤防结构稳定计算系数均满足规范要求。4.4堤防断面的确定河道治理工程根据堤防所处的地理位置、筑堤材料、工程造价等因素，确定堤防型式为重力式素混凝土挡墙。治理段河道新建C25重力式素混凝土挡墙总高度为5.80m，顶宽0.50 m，迎水面垂直，背水面边坡坡比1：0.50，墙趾宽1 m，高1.50 m，基础底宽4.65 m，挡墙基础埋深为2 m。挡墙墙身每隔3 m设1个排水管，排水管采用dn90PVC-U管，管口向河道内倾斜3%，为防止排水孔堵塞，背水面管口设置反滤体，反滤体由夯实黏土、碎石、砂砾料及无纺土工布组成。挡墙底部设C15素混凝土垫层，厚100 mm。挡土墙施工严格按 堤防工程施工规范 进行，基础开挖时应预留300 mm厚人工开挖，并不得超挖，墙后回填土应分层回填并夯实，每层厚200300 mm，采用黏土回填时，压实度不小于0.91，采用砂土或砂卵石土回填时，压实相对密度不小于0.65。5结论为了提高治理段河道防洪能力，从工程总体布局、堤防型式比选及设计方案3个方案对堤防方案进行分析。工程总体上采用拓宽、截弯取直的方式进行处理。选取重力式挡墙、悬臂式钢筋混凝土挡墙、格宾石笼护坡3种方案进行比选，采用素混凝土重力式挡墙占地面积较小且经济性优于悬臂式钢筋混凝土挡墙，作为推荐方案。从抗滑、抗冲刷、抗倾覆3个方面对堤防稳定性进行复核验算，堤防结构安全性满足要求。参考文献：1 包家全，陈彦来，陈培阳，等.原阳黄河标准化堤防防洪能力提升方案研究 J.人民黄河，2022，44（S2）：29-30+33.2 陈忠，付建利，陈怡宁.某河道防洪建设中堤防维修加固设计方案分析 J.地下水，2022，44（5）：294-296.3 吴志刚.黄河兰州段城区堤防维修加固技术方案探析 J.陕西水利，2022（8）：54-56.收稿日期：2023-3-28编辑：刘长垠侯鹏松河道桩号0+5000+7501+1001+4501+800冲刷深度/mHs1.511.361.591.631.65冲刷处水深/mH02.302.402.172.232.20近岸垂线平均流速/（m/s）Ucp2.602.103.103.103.30行近流速/（m/s）U2.12.12.62.72.7形状系数n0.250.250.250.250.25流速不均匀系数1.7011.531.381.53角度（）3710322632中值粒径/md500.0010.0010.0010.0010.001表3冲刷深度计算表（上接第103页）125