任 弈

(丹東市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧 丹東 118000)

1 工程基本概況

MC堤防工程位于愛河流域內(nèi)。愛河是鴨綠江較大支流之一，也是丹東市境內(nèi)最大的1條河流，流域位于E123°41′-124°45′，N40°10′-41°05′之間，東接蒲石河，南臨鴨綠江，西與大洋河相鄰，北以太子河分水嶺為界。愛河發(fā)源于寬甸雙山子鎮(zhèn)老木垛子嶺，流經(jīng)寬甸、鳳城和丹東市振安區(qū)，于九連城鎮(zhèn)注入鴨綠江。愛河干流全長191.7 km。流域面積5300 km2。由M堤防工程構(gòu)成的防洪區(qū),保護對象為五個自然行政村,總面積為1400hm2，防洪堤工程設(shè)計洪水標準50a一遇,堤防級別2級。

2010年8月19—22日，丹東地區(qū)遭遇歷史罕見暴雨和大暴雨，平均降雨量比丹東地區(qū)有記錄歷史最大561mm(1958年8月4日)多66mm，MC防洪堤險情嚴重，堤后出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。當(dāng)?shù)厮块T及部隊官兵連夜奮戰(zhàn)，才將險情控制住[1]。

為了保護愛河流域MC段的沿河兩岸的群眾生命和財產(chǎn)安全，當(dāng)?shù)卣M行除險加固建設(shè)MC堤防工程。文章以此工程為例，對堤防工程建設(shè)方案進行了比選，并對堤防工程堤后加設(shè)蓋重的滲透比降影響進行了計算分析。

2 工程水文地質(zhì)概況

愛河江流域?qū)僦袦貛駶櫄夂騾^(qū)，多年平均降水量為800-1000mm。降水量集中于汛期，7-8月降水量約占年降水量的1/2。多年平均蒸發(fā)量為1000-1100mm。丹東站流域多年平均氣溫為8.5℃，最冷月份平均氣溫-8.8℃，極端最高氣溫34.3℃，極端最低氣溫-28.0℃；多年平均降水量1101.5mm，多年平均蒸發(fā)量1075.9mm(20cm口徑)；多年汛期最大風(fēng)速的平均值為13m/s，汛期的主風(fēng)向為SSE[2-6]。

工程場地地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度7°。土類型為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類，最大凍深為1.20m。該工程堤基地層主要有粉質(zhì)黏土、細中砂和卵石，堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)。其中粉質(zhì)黏土位于現(xiàn)有堤防以內(nèi)的一級階地的上部，細中砂局部存在于卵石層上部或夾在卵石層之中，而卵石層位于現(xiàn)有堤防底部和堤防以外的河漫灘。各土層滲透變形及水力比降，見表1；各土層滲透系數(shù)，見表2。

表1 場地各土層滲透變形及水力比降

表2 場地各土層滲透系數(shù)表

3 堤防建設(shè)方案比選

3.1 堤防建設(shè)有以下3個方案

1)方案1：迎水側(cè)堤身防滲斜墻。由于現(xiàn)場缺乏防滲土料，擬采用土工膜做為防滲材料，迎水側(cè)設(shè)計洪水位+0.5m以下坡面及河灘水平面鋪設(shè)一層土工膜，水平鋪設(shè)長6m。

2)方案2：背水側(cè)設(shè)置水平壓滲蓋重。在清理好的背水側(cè)堤坡上先鋪一層土工布，在背水側(cè)坡面上填充砂礫料，頂部高程高出逸出點1.0m以上。

3)方案3：堤身垂直防滲。在堤頂沿堤防走向用開槽機在堤身內(nèi)垂直成槽，然后鋪設(shè)土工膜并用黏土漿回填。

3.2 方案特點

1)方案1：施工簡單易操作，與迎水側(cè)坡面護砌融為一體。

2)方案2：施工簡單易操作，所需材料當(dāng)?shù)貎α控S富，并能達到增大堤坡安全穩(wěn)定系數(shù)，但背水側(cè)占地較多。

3)方案3：施工機械特殊，施工難度大，對原堤身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，影響堤身結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定。

通過比較以上3種方案的特點，方案3施工困難，不易操作，且對原堤身結(jié)構(gòu)影響較大，本次設(shè)計僅對方案1、方案2進行經(jīng)濟比較。每延米方案1造價2497元，方案2造價1384元，故采用方案2。

現(xiàn)狀堤防迎水側(cè)護砌良好，且擬處理段背水側(cè)具有充足的加固位置，本次設(shè)計MC防洪堤堤基加固采用堤后設(shè)置水平壓滲蓋重。蓋重施工簡單易操作，所需材料當(dāng)?shù)貎α控S富，并能增大堤坡安全穩(wěn)定系數(shù)，運行管理及維護都較優(yōu)越，缺點是背水側(cè)占地較多[7-11]。

4 加蓋重前滲流計算分析

MC防洪堤現(xiàn)狀堤頂寬度6.0m，迎水坡坡比為1∶1.6，背水坡坡比1∶2.0，堤防迎水坡采用綠濱墊砌石護坡，厚度為30cm，內(nèi)部有砂卵石墊層，并下設(shè)土工布，固濱籠護腳。

根據(jù)地質(zhì)以及設(shè)計水面距堤頂高度、堤身原有土質(zhì)、料場土質(zhì)及堤基土質(zhì)等條件的不同，并且按照設(shè)計洪水位距堤后地面高程等因素綜合考慮，選取計算斷面，MC河段堤防計算斷面圖，見圖1。

圖1 MC河段堤防計算斷面圖

利用有限元計算的各點比降，MC河段堤防有限元計算斷面成果圖，見圖2；同時通過利用有限元計算加蓋重前浸潤線及加蓋重前滲透比降，加蓋重前浸潤線成果表，見表3；加蓋重前滲透比降計算成果表，見表4。

圖2 MC河段堤防有限元計算斷面成果圖

表3 加蓋重前浸潤線成果表

表4 加蓋重前滲透比降計算成果表

根據(jù)利用有限元分析軟件計算，從表4、表5中可以看出，MC堤基滲透比降均>允許滲透比降，不滿足要求，需對堤基進行加固處理。

5 堤基加設(shè)蓋重設(shè)計分析

5.1 蓋重長度計算

MC防洪堤蓋重長度均按照《堤防除險加固實用技術(shù)》布萊蠕變化比進行近似計算[12]，計算公式為：

式中：CB為布萊蠕變化，堤基材料為卵石，取9；X1為堤前防滲鋪蓋有效長度，m；L為堤防底寬，m，寬29.29m；h為堤防凈水頭，m，高3.87m；X為背水側(cè)壓滲蓋重戧體的寬度，m。

經(jīng)計算，MC防洪堤：X1=0m，計算X=5.54m，取X=6.00m；設(shè)計背水側(cè)壓滲蓋重長度6.00m。

5.2 蓋重厚度計算

蓋重厚度的計算采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB50286-2013公式，計算公式為：

(2)

式中：ti為蓋重厚度，m，計算值2.11m，取2.20m；hi為根據(jù)滲流計算求得的表層弱透水層的承壓水頭，m，1.65；Gs為表層弱透水層土粒的比重，2.65；n為表層弱透水層土粒的孔隙率，0.383；t1為表層弱透水層厚度，m，0.5；ρ為蓋重砂礫料的密度，均為2080kg/m3；ρw為水的密度，取1000kg/m3；K為蓋重安全系數(shù)，取1.5。

經(jīng)過計算，堤后蓋重材料采用砂礫料填筑，填筑厚度自背水側(cè)堤腳向上高度2.17m，實際設(shè)計中填筑砂礫料厚度2.4m(其中包括底部清基0.20m厚)。

5.3 蓋重反濾層設(shè)計

根據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T50290-2014)計算反濾層—土工布。

土工布保土性計算公式：

O95≤Bd85

(3)

式中：O95為土工織物的等效孔徑，mm；d85為土的特征粒徑，mm，按土中<該粒徑的土粒質(zhì)量占總土粒質(zhì)量的85%確定，卵石d85=45mm；B為系數(shù)，按工程經(jīng)驗確定，取1。

經(jīng)計算，土工布O95≤45mm。

土工布透水性計算公式：

kg≥Aks

(4)

式中：A為系數(shù)，按工程經(jīng)驗確定，取10；kg為土工織物滲透系數(shù)，cm/s，ks應(yīng)按其垂直滲透系數(shù)kv確定；ks為土的滲透系數(shù)，cm/s，卵石ks=4.0*10-1cm/s。

經(jīng)計算，土工布kg4.0*10-1cm/s。

土工布防堵性應(yīng)符合下列要求：以現(xiàn)場土料制成的試樣和擬選土工織物在進行淤堵試驗后所得梯度比GR應(yīng)符合GR≤3。

綜合上述計算得出，本次設(shè)計土工布O95≤45mm，kg≥4.0*10-1cm/s，GR≤3。根據(jù)《土工合成材料短纖針刺非織造土工布》(GB/T17638-2017)中所列出土工布指標選取，15kN/m土工布滿足本次設(shè)計要求。

5.4 蓋重型式確定

在清理好的背水側(cè)堤坡上先鋪一層15kN/m土工布，再填筑砂礫料，填筑厚度自背水側(cè)堤腳向上高度2.4m(其中包括底部清基0.20m厚)，蓋重頂寬6m，坡比1∶2.0，頂部高度至少在逸出點以上1.0m，MC河段堤防加蓋重后計算斷面圖，見圖3。

利用有限元分析軟件，計算堤后加蓋重后滲流情況，MC河段堤防加蓋重有限元計算斷面成果圖，見圖4；同時通過利用有限元計算加蓋重后浸潤線及加蓋重后滲透比降，加蓋重后浸潤線表，見表5，加蓋重后滲透比降計算成果表，見表6。

圖3 MC河段堤防加蓋重后計算斷面圖

圖4 MC河段堤防加蓋重有限元計算斷面成果圖

表5 加蓋重后浸潤線表

表6 加蓋重后滲透比降計算成果表

根據(jù)利用有限元分析軟件計算，從表5、表6中可以看出，MC堤工程加蓋重后基滲透比降均小于允許滲透比降，滿足要求。

6 結(jié) 論

通過對比計算，證明堤后加設(shè)土工布及砂礫料蓋重兼具透水及壓重的作用，能夠使得原堤后坡堤腳位置的滲透比降有效降低，預(yù)防了堤后管涌導(dǎo)致的滲透破壞，達到了“保土排水”的作用。同時，MC堤防工程加設(shè)土工布及砂礫料蓋重技術(shù)將在遼寧地區(qū)河道堤防工程建設(shè)起到了示范作用。