何雪花
(泉州水務工程建設集團有限公司,福建 泉州 362000)
邵武市大竹溪小流域河道整治項目位于該市大竹鎮(zhèn)境內,流域兩岸大部分河道為天然岸段,遇洪水災害時穩(wěn)定性差;少量河段雖經當地村民自籌建設了干砌塊石重力式擋墻,但未經正規(guī)設計施工,擋墻基礎缺少有效的防沖刷措施,洪水已造成多處掏空,嚴重影響到擋墻結構穩(wěn)定性,面臨失穩(wěn)的潛在風險。此外,多處岸段淤積嚴重,時常發(fā)生洪澇災害,容易淹沒岸邊兩側農作物,造成大量財產經濟損失。因此,為改善流域生態(tài)環(huán)境,提高河道行洪能力,加強岸段穩(wěn)定性,減小經濟損失,該流域岸坡需進行生態(tài)綜合整治。
該工程地貌以中低山地為主,境內山嶺分布較多,地形起伏不平,山間偶見小面積盆地。各地海拔差異較大;沿大竹溪小流域多見溝谷,為河流沖刷形成,溝谷底部塊石分布,少見棱角狀;地面植被密集,由高大樹木、竹林和灌木等組成。
對河道兩岸的巖土體進行現(xiàn)場踏勘以及少量巖土工程鉆探,在岸坡兩側的巖土體自上至下主要為:素填土、粉質黏土、砂卵石、砂巖。①素填土,局部分布,呈灰褐色和紅褐色,松散,潮濕,局部含有植物根系和小卵石。②粉質黏土,黃褐色,松散-稍密,稍濕-潮濕,可塑。③砂卵石,淺黃色、灰褐色,以稍密狀態(tài)為主,飽和。④砂巖,多為強風化,砂巖呈淺黃色,強度較高。
經過對場地的巖土體性質測試,各巖土層典型的物理力學參數建議值如表1所示。
表1 物理力學參數建議值
為了經濟合理地對本工程進行整治,在整治前需對采用的方案,即護岸形式進行確定。選擇過程中要綜合考慮到護岸的地形地貌、地質條件、施工設備、環(huán)境保護、工程成本等因素,并盡量遵循因地制宜、就地取材的建設原則。本工程中,可以采用的護岸形式有生態(tài)格賓擋墻(方案一)、普通生態(tài)擋墻(方案二)、生態(tài)格網護坡(方案三)等三種主要形式。下面就這三種整治方案進行比選。
(1)造價方面比較。對于方案一、方案二和方案三,其造價分別為2064.79元/m、1477.60元/m和1045.99元/m,可見方案一投資最高,方案三投資最低,方案二介于兩者之間。
(2)工程占地方面比較。方案一永久及臨時占地最少,方案二永久占地較少,但臨時占地很多,方案三永久及臨時占地最多。項目區(qū)河道現(xiàn)狀護岸兩側基本為農田,為避免征用農田,宜選用占地少的護岸型式。
(3)施工方面比較。方案一施工開挖擾動范圍少,且施工速度快;方案二施工開挖擾動范圍大,施工工序較繁瑣;方案三施工開挖擾動范圍大,施工工藝簡單。
(4)功能方面比較。方案一耐久性和穩(wěn)定性好,抗沖刷能力強;方案二、方案三耐久性和抗沖刷能力一般。項目河道屬于典型山區(qū)河道,坡降陡急,洪水暴漲暴落,河流流速大,宜選用抗沖刷能力強的護岸型式。
(5)河道生態(tài)方面比較。三種方案均屬于生態(tài)型護岸,透水性較好,不會改變河道原始生態(tài)。方案一格賓擋墻采用臺階式疊砌,錯落有致,景觀效果較佳,方案二、方案三均為斜坡式,景觀效果較單調。
綜上所述,由于項目區(qū)域河道坡降陡急,洪水暴漲暴落,河流流速大,對護岸抗沖刷能力要求高,且河道兩岸占地限制,綜合考慮后本次河道護岸采用方案一,即重力式生態(tài)格賓擋墻進行護岸。
本工程護岸均采用生態(tài)格賓擋墻型式,主要依靠其自身重量維護墻后土體的穩(wěn)定性,根據現(xiàn)狀地面高程控制格賓擋墻高度。根據實際地形地貌條件和防護要求,格賓擋墻墻高分為1.15 m、1.65 m、2.15 m、2.65 m、3.15 m、3.65 m、4.15 m 7種規(guī)格。
以4.15m墻高格賓擋墻為例,墻身采用格賓石籠,墻背垂直,分四層臺階式疊砌,每層格賓籠厚度均為1.0 m,墻頂寬1.0 m,設置150 mm厚C15混凝土壓頂,墻身高度2.65 m(不含基礎),每層格賓籠錯距0.5 m,墻趾、墻背設置反濾土工布(規(guī)格400 g/m2),格賓石籠內填石直徑大于網孔直徑的2倍,墻后回填土壓實度不小于0.90。擋墻基礎采用C15埋石混凝土,基礎埋置深度根據抗沖刷計算成果,寬度3.0 m??v向上每隔 15 m 設置一道沉降縫,貫穿于基礎底部,縫寬 2 cm,內嵌瀝青杉木板。墻頂后方設置1.0~1.5 m 寬生態(tài)緩沖帶,生態(tài)緩沖帶種植蟛蜞菊。結構設計如圖1所示。
對于其他高度的格賓擋墻,整體結構形式基本類似,設置的層數以及每層高度有所不同,對于1.15 m高的擋墻,設置1層;1.65 m高的擋墻,設置2層,上下兩層高度分別為1.0 m和0.5 m;2.15 m高的擋墻,上下兩層高度均為1.0 m;2.65 m高的擋墻,設置三層,自上而下高度分別為1.0 m、1.0 m、0.5 m;3.15 m高的擋墻,也設置三層,自上而下均為1.0 m;3.65 m高的擋墻,設置四層,自上而下分別為1.0 m、1.0 m、1.0 m、0.5 m。
該工程中,左岸NZ3+135.31~NZ4+020.48現(xiàn)狀為土質護岸,本次左岸新建生態(tài)格賓擋墻長度885.17 m;右岸NY3+133.60~NY4+011.83也為土質護岸,新建生態(tài)格賓擋墻長度878.23 m。
在該防護工程中,采用《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)[1]中建議的沖刷深度計算公式,對生態(tài)格賓擋墻基礎的沖刷深度進行確定,水流平行于岸坡產生的沖刷深度按式(1)~式(3)計算。
(1)
圖1 生態(tài)格賓擋墻典型斷面(墻高4.15 m)(單位:mm)
(2)
(3)
式中:hs為河道局部沖刷深度,m;H0為河道沖刷位置在沖刷前的河水水深,m;Ucp為河水平均流速,m/s;Uc為河床面上允許不沖流速,m/s,對于卵石層,可取1.5 m/s;n為防護岸坡的幾何平面形狀系數,可取n=1/5;U為行近流速,m/s;η為河道水流流速的不均勻系數;g為重力加速度,m/s2;d50為河床土體的中值粒徑,m;γs為泥沙顆粒的重度,kN/m3;γ為泥沙與水的重度,kN/m3。
經計算,左岸和右岸的沖刷深度基本上位于0.5~0.8 m之間,均小于基礎埋深。
護岸穩(wěn)定驗算包括生態(tài)格賓擋墻穩(wěn)定驗算及護岸整體抗滑穩(wěn)定驗算,其中前者與重力式擋墻的計算類似,后者考慮擋墻整體穩(wěn)定,基于圓弧滑動法進行計算。
①擋土墻抗滑穩(wěn)定按式(4)驗算。
(4)
式中:KC為抗滑穩(wěn)定安全系數;f為擋墻底部與河床之間的摩擦系數;∑W為作用于格賓墻體上的所有豎向垂直力之和,kN;∑P為作用于格賓墻體上的所有水平力之和,kN。
②基底應力按式(5)計算。
(5)
式中:σmax(min)為基底壓應力的最大值或最小值,kPa;∑M為作用在擋土墻的全部荷載對擋土墻基底面中心力矩之和,kN·m;∑W為底板的截面系數,m3;A為底板面積,m2;∑G為垂直荷載,kN。
③抗傾覆穩(wěn)定按式(6)驗算。
(6)
式中:K0為擋墻抗傾覆的安全系數;∑MV為擋墻抗傾覆的力矩,kN·m;∑MH為傾覆力矩,kN·m。
本次針對大竹溪小流域選取一個最不利斷面進行穩(wěn)定復核,以墻身高4.15 m為例,由標準GB 50286—2013中規(guī)定墻式堤防各個穩(wěn)定性的計算要求,采用三種工況進行分析,工況1:墻外遭遇設計洪水情況;工況2:工程完工期,墻背已填土,外江側無水;工況3:設計洪水位驟降。計算結果如表2所示。
表2 大竹溪小流域格賓擋墻穩(wěn)定計算結果
根據以上計算成果,該生態(tài)格賓擋墻的各個穩(wěn)定性安全系數均大于規(guī)范要求值。
堤防整體抗滑穩(wěn)定的計算軟件采用河海大學編制的SLOPE軟件,計算方法采用瑞典圓弧法。通過輸入堤防內側、外側不同的水位,考慮滲流的影響,從而進行土堤在滲流過程中的整體抗滑穩(wěn)定計算。采用瑞典圓弧法進行計算,該法不用考慮各個條塊間的相互作用力。施工期土料的抗剪強度采用直接快剪指標進行計算,運行期采用固結快剪指標進行計算。
瑞典圓弧法按式(7)計算[2]。
(7)
式中:W為劃分的土條重量,kN;Q、V分別為考慮地震時水平向和垂直向上的地震慣性力(向上為正,向下為負),kN;u為由于滲流原因產生在土條底面處(滑動面)的孔隙水壓力,kPa;α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,(°);b為土條寬度,m;φ′、c′為土條滑動面處的有效應力抗剪強度指標,單位分別為kPa和(°)[3];MC為水平地震慣性力對圓心的力矩,按公式(8)計算。
MC/R=∑Dh·cosα-∑Dh·∑h/2R
(8)
式中:R為滑弧半徑,m;∑h為某一土條的總高度,m;∑Dh為某一土條的水平地震力總和,kN。
分別計算兩種工況下的整體穩(wěn)定性,工況1:正常運用,設計洪水位驟降期的臨水坡;工況2:非常運用,施工期的臨水坡。同樣以墻身高4.15 m為例,工況1和工況2的抗滑穩(wěn)定安全系數分別為1.30和1.24,均大于規(guī)范允許安全系數1.10和1.05,根據以上計算成果,護岸整體抗滑穩(wěn)定安全系數均大于規(guī)范要求值,滿足設計要求[4-5]。
(1)格賓生態(tài)擋墻采用石籠網箱與塊石填筑而成,由于石塊之間保留了大量空隙,具有良好的透水性,能夠延長擋土墻的壽命;另外實現(xiàn)岸邊坡體與河水之間的水分交換,為水生動植物和微生物創(chuàng)造了良好的生存和棲息環(huán)境,增強了水體的自我凈化能力,能夠保護生態(tài)環(huán)境。
(2)本工程中,格賓擋墻經過了合理的設計和計算,針對幾種不同的高度,設置了相應的規(guī)格和布設形式,其穩(wěn)定性均滿足規(guī)范設計要求。
(3)格賓生態(tài)擋墻結構穩(wěn)定,屬于柔性結構,施工完成以來,抵御了3次較大規(guī)模的洪水侵襲,擋墻基底未發(fā)生明顯沖刷,擋墻整體未發(fā)生較大變形和破壞,表明生態(tài)格賓擋墻結構穩(wěn)定,在河道整治中發(fā)揮了良好的效果。