河道防洪堤工程布置及设计,堤防工程除险加固措施及实例分析

 企业分类     |      2020-01-07 00:10

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关键词:城市防洪堤设计问题 中国内陆河众多,许多历史悠久的城市都沿河而建,其农业、工业以及其城市文化都与河流息息相关,可以说河流养育了一个城市。但是,任何事物都具有两面性,河水的泛滥也会严重危害城市居民的生命财产安全,破坏城市的正常秩序。因此做好防洪工作对一个城市来说至关重要,尤其是汛期。而修建防洪堤对城市的防洪建设中起到了中流砥柱的作用,但是对于我国来说大多数城市的防洪堤设计方案都存在着或多或少的问题,所以,虽然国家和当地政府都对防洪工作有着极大的关注,并加大了人力、物力方面的投入,不仅会造成人力物力的浪费,甚至存在安全隐患,是对城市居民生命财产的威胁,所以本文就城市防洪堤建设中存在的问题进行了分析,并提出了解决的办法。 1.治理河流的主要思想 古代大禹治水讲究疏堵结合,一味地依靠修建防洪堤来堵水是不能治理好河流的。应该依据地形,水的流势具有针对性地提出治理方案。与此同时,还要结合疏浚河道,使主流畅通。这样既增加了河流行洪断面,又减少了工程量,可以降低防洪堤的修建高度。观察河流流势时,遇到较突兀的弯曲河道,应进行河流改道,减小河道弯曲程度,使水流更加顺直,以减小对堤脚的冲刷,保证防洪堤的稳固。 2.防洪堤设计 2.1堤线位置的选择在防洪堤的设计中堤线的选择很重要,是整个设计的重要步骤,堤线的布置要尽量与河道的主槽水流方向一致,为了施工方便要尽量顺直,,也有利于河水流动的顺畅和平稳。在防洪堤线的选择中应避免采用折现连接造成明显水流转向,造成防洪堤堤脚的冲刷破坏。 2.2堤顶设计应根据当地具体的防洪需求来确定防洪堤堤顶的具体宽度,还应留取一定宽度作为防洪抢险时的通道,用于堤防维护和防洪抢险工作,而且在安全期可用作交通通道。 2.3堤脚的防冲设计多年的防洪经验表明,防洪堤遭到洪水损坏的原因往往不是堤的高度问题,而是防洪堤的堤脚不够牢固,经洪水的剧烈冲击,坍塌损毁。因此应该增强防洪堤的抗冲击能力,具体则与堤基冲刷深度有关。 在防洪堤设计中,为了了解堤基的冲刷深度,可分别进行顺直堤段和斜向冲段冲刷深度的计算,具体公式参照《堤防工程设计规范(GB 50286-98)》附录。其中在计算堤基的斜向冲刷深度时,应分清河流的纵向冲刷和斜向冲刷两种情况,其中斜向冲刷对堤基的破坏能力更大,与斜向流水的河水流速、基础颗粒大小有关。因此应参考斜向冲刷来决定齿墙的填埋深度。

摘要:本文就河道防洪堤工程布置及设计进行了探讨,并结合了具体的工程实例,阐述了城区防洪排涝工程中防洪堤的布置设计思路,给出了有关的设计要领,以期能为河道防洪堤工程的布置及设计提供参考。关键词:河道防洪堤;布置;设计 随着城市的发展和生态环境的改善,洪水淹没损失将成几何级数增长。堤防工程是保护国家和人民生命财产的生命线工程。然而,由于堤防工程堤线长、保护范围广,工程和资金投入巨大。因此,河道防洪堤工程的布置及设计就显得十分重要,我们必须对堤防工程的布置及设计进行全面考虑,统筹安排,做好防洪堤工程的布置及设计工作。 1工程概况 某防洪堤全长3025m。防洪水位为123.93~123.7m,防浪墙顶高程为125.5m,堤顶高程为124.5m,堤高4.7~13.5m。 2工程等级及建筑物级别 根据《防洪标准》(GB50201―94)的规定和城市规模,确定城区防洪排涝工程的堤防防洪标准为20年。根据《堤防工程设计规范》(GB50286―98),20年一遇洪水标准设计的堤防工程的级别为4级;根据《城市防洪工程设计规范》,永久性建筑物(包括防洪堤及其附属建筑物、排涝泵站、防洪排涝闸等)级别为4级。本工程为Ⅳ等堤防工程,主要建筑物按4级建筑物设计。 3防洪堤布置及设计 3.1堤线布置与选择 3.1.1堤线布置原则 堤线沿河岸布置,选择地势较高、地质条件较好且房屋拆迁量较小的线路布置,以节省工程投资。 堤线布置尽可能与城区发展规划相一致,与城区土地开发相结合,堤防工程和防洪抢险道路、城区规划道路相结合,形成临江大道,既能防御洪水,又便于防洪抢险和城区交通,使城市景观和环境条件有所改善。 堤线布置尽量顺直,避免因防洪工程改变水流方向,一般要求堤防工程的外脚距离岸边20~30m,局部不小于10m,保证河道的行洪断面留有余地。 堤线布置应考虑泵站及其附属建筑物。 3.1.2堤线比较与选择 经设计人员现场踏勘,结合县城总体规划及征求有关部门的意见,选择以下2条堤线进行比较。 堤线一:该堤线的中心线紧邻明江边,穿越Ⅰ、Ⅱ级阶地和河漫滩区一级阶地布置,中心线地面高程113.5~123.3m。防洪堤沿江左岸布设,上游从县政府附近起,与已建市政大道相接,堤线长3025m。该堤线主要是根据县城发展规划用地而定,但堤线所坐落的地面高程较低,为一级河滩地,地质条件较差,比堤线二增加防洪堤高度约2m,堤线长度较长,堤身较大,征地拆迁工程量较大,但能增加保护0.82km2的建设用地,符合宁明县城市总体规划。 堤线二:该堤线的中心线基本上沿着Ⅰ、Ⅱ阶地布置,中心线地面高程115.5~125.0m;上游段及桩号6+260~8+885段堤线同堤线一。区别在于桩号1+860~6+260段,堤线二主要沿明江Ⅰ、Ⅱ级阶地外缘展布,堤区地势较高,地形较平缓,地质条件较好,堤线二堤线长5611m,堤线长度较短,堤身较小,工程量较小,征地拆迁较少,但不符合城市总体规划要求。 经上述综合比较,本次设计推荐采用堤线一。 3.2堤顶高程确定 堤顶高程按《堤防工程设计规范》(GB50286―98)公式计算,即 墙顶高程 设计波浪爬高 设计风壅水面高度 计算结果:县政府处防洪堤防浪墙顶高程为124.92m。考虑本堤段上下游设计水位差仅为0.23m,堤顶设置0.5m高的防浪墙,因此,统一取堤顶高程为124.5m,防浪墙顶高程为125.0m。 3.3堤型方案选择 3.3.1选择原则 采用路堤结合的堤型型式,并留有今后与城建部门规划道路结合的余地。 根据地形、地质条件采用适宜的堤型。 堤型选择应考虑沿江城市的美化、绿化。 堤型选择应结合现有的经济能力,选择结构简单、经济、实用的堤型。 3.3.2堤型比较 根据筑堤材料,采用了土堤、土石结合堤2种不同的堤型进行比较。 土堤。土堤采用均质黏土填筑,堤高为4.7~13.7m,基础开挖深度为0.8~1m。堤顶为防洪抢险道路,堤路结合,路宽6m,堤顶高程为124.5m,临江侧设0.5m高的C20钢筋砼防浪墙,防浪墙顶高程为125.0m,栏杆顶高程为125.6m。土堤迎水面边坡坡比上部为1∶2,下部为1∶2.5,在118.5m高程处设宽2.0m的一级马道。118.5m高程以下采用土工石笼网护坡,满足2年一遇水位要求,以上为砼框格草皮护坡,框格间距为3m×3m;背水面边坡坡比为1∶2,坡脚设置截面尺寸(宽×高)为400mm×400mm浆砌石排水沟。 土石结合堤。挡水墙结构形式为C15埋石砼墙,迎水面边坡为1∶0.2,背水面边坡为1∶0.6,墙高为5.5~13.5m,建基面高程为119.0~111.0m,墙顶高程为124.5m,墙顶宽为1.0m,墙底宽为6.8~13.2m,临江侧设置0.5m高的C20钢筋砼防浪墙,防浪墙顶高程为125.0m,栏杆顶高程为125.6m。挡水墙后回填土做防洪抢险道路,高程与挡水墙同高,堤顶宽6m,背水面边坡为1∶2,采用草皮护坡,坡脚设置截面尺寸(宽×高)为400mm×400mm浆砌石排水沟。以上2种堤型工程投资及主要优缺点分别见表1、表2。 综合上述比较,防洪堤堤型设计推荐全线采用土堤。 3.4堤体的稳定应力计算 3.4.1采用参数 3.4.2规范抗滑稳定安全系数最小值 土堤抗滑稳定安全系数:正常运用条件1.15,非常运用条件1.05。 3.4.3计算方法 抗滑稳定计算采用等厚土层边坡瑞典圆弧滑动法,利用理正边坡稳定性分析软件包计算。 3.4.4计算工况 正常情况:稳定渗流期;水位降落期(由设计水位骤降至正常枯水位)。非常情况:施工期。 3.4.5计算结果 选择桩号8+400最大断面为计算断面,计算结果见表3。 从计算结果看出,所拟定土堤断面满足规范要求。 3.5堤基渗透稳定计算分析 为了避免堤基产生渗透破坏,对拟定的土堤断面结构沿基础轮廓线,按外江P=5%设计水位及内江水位平地面计算各堤段的代表剖面的水力坡降,计算结果见表4。 从计算结果看出,各代表剖面的计算水力坡降均小于相应地层的允许坡降,各堤段不会发生渗透破坏,所拟定堤断面均满足规范要求。 4结语 综上所述,防洪堤工程对于沿江城市来说是非常重要的设施,也是保护国家和人民生命财产的生命线工程。而防洪堤工程的布置及设计会直接关系到堤防工程建成后的效果,为了保障防洪堤工程能真正发挥其自身的防洪保护作用,就要重视防洪堤工程的布置及设计工作,从而确保防洪堤工程的质量。 参考文献 [1] 黄丽香.论某工程防洪堤设计与施工[J].城市建设理论研究.2012. [2] 赖勇、施林祥、郑旭明.山区河道生态防洪堤关键问题及对策[J].中国农村水利水电.2011.

文章结合实际工程,针对堤防工程常见的渗透破坏和边坡失稳等破坏型式进行分析,并对不同成因下所对应的除险加固方案加以介绍,同时阐述了一些新的出险加固技术,以期为堤防工程提供借鉴。

防洪堤通常就是一堆泥土。土堆呈长条形,有时会沿河流、湖泊或海洋绵延数公里。密西西比河沿岸的防洪堤大多高3-7米,而荷兰的防洪堤则高达10米。

堤防工程;除险加固;实例分析

防洪堤可以抑制洪水。例如,密西西比河沿岸的防洪堤能在春季河水泛滥之前一直保持干燥。防洪堤内的河水可以上涨,但不会涌入毗邻土地。这一功能既有好处也有坏处。好的方面是,防洪堤能保护住在河岸的人每年远离洪灾,免遭财产损失。但坏的方面在于,防洪堤可能决口,也可能被河水漫过。以前,密西西比河在春天会淹没数百平方公里的土地,现在则静静地躺在河床里。但只要防洪堤决口,河水就会从缺口涌出,淹没大片地区。

1.引言

1.堤线位置的选择在防洪堤的设计中堤线的选择很重要,是整个设计的重要步骤,堤线的布置要尽量与河道的主槽水流方向一致,为了施工方便要尽量顺直,也有利于河水流动的顺畅和平稳。在防洪堤线的选择中应避免采用折现连接造成明显水流转向,造成防洪堤堤脚的冲刷破坏。

沿河、渠、湖、海岸或行洪区、分洪区、围垦区的边缘修筑的挡水建筑物称为堤防。堤防是世界上最早广为采用的一种重要防洪工程。筑堤是防御洪水泛滥,保护居民和工农业生产的主要措施。我国现有堤防工程具有三大特点:1)堤防傍河而建,堤基条件复杂,堤线选择上具有很大的局限性,堤基大多为砂性或卵砾石,大部分堤基基本没有处理;2)堤身质量差,不少堤防是在老堤防基础上历年逐渐加高培厚而成;3)堤后坑塘多,筑堤土料不足时,普遍在堤后取土筑堤,取土坑、塘多未做处理,覆盖层薄弱。当遭遇洪水时,经常发生各种险情,严重者导致大堤溃决。

2.堤顶设计应根据当地具体的防洪需求来确定防洪堤堤顶的具体宽度,还应留取一定宽度作为防洪抢险时的通道,用于堤防维护和防洪抢险工作,而且在安全期可用作交通通道。

文章以工程地质问题为主线,以工程地质条件为基础,结合历史险情类型,将堤防问题从总体上归纳为堤防渗流稳定问题和堤防边坡失稳问题两种,分别分析这两种问题所涉及的所有破坏类型和相应的除险加固措施。重点探究了目前堤防除险加固中常用的传统技术如灌浆、垂直截渗墙等,为堤防防渗加固提供了一定的经验。

3.堤脚的防冲设计多年的防洪经验表明,防洪堤遭到洪水损坏的原因往往不是堤的高度问题,而是防洪堤的堤脚不够牢固,经洪水的剧烈冲击,坍塌损毁。因此应该增强防洪堤的抗冲击能力,具体则与堤基冲刷深度有关。

2.堤防渗透破坏的成因及防治措施

在防洪堤设计中,为了了解堤基的冲刷深度,可分别进行顺直堤段和斜向冲段冲刷深度的计算,具体公式参照堤防工程设计规范附录。其中在计算堤基的斜向冲刷深度时,应分清河流的纵向冲刷和斜向冲刷两种情况,其中斜向冲刷对堤基的破坏能力更大,与斜向流水的河水流速、基础颗粒大小有关。因此应参考斜向冲刷来决定齿墙的填埋深度。

堤防的临水侧和背水侧存在水头差,在堤防内部产生渗流和浸润线,并随着临水侧水位的上升而不断加大和升高。当渗流产生的实际渗透比降J大于土的临界渗透比降Jc时,土体将产生渗透破坏。坑塘或表土层较薄的堤基薄弱环节常出现渗透破坏,近似均质的透水堤基则发生在堤脚处,堤防的内在隐患则会加速渗透破坏的产生和发展。据1998年长江防洪抢险的统计资料,由渗透破坏造成的险情约占险情总数的70%。

4.防涝设计在整个防洪设计中,目的是形成封闭的包围圈将洪水阻挡在城市之外,而这一结构特点也意味着城市内的积水不能排出,多雨期的积水积存在城市中,如不能及时排出就会发生内涝,因此一定要做好防涝设计。若保护区内存在冲沟,则还要将冲沟的积水面积考虑在内。

2.1双层或多层地基防治措施

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堤前后深渊沟塘遍布造成的险情,采取填塘的方法恢复表土层的完整性。临水侧选用粘性土材料,背水侧选用渗透系数比表土层大的材料,按照反滤要求布置;地基下卧透水层不深、隔水层较浅,采用粘土截水槽或垂直防渗措施,与堤身防渗体连接形成封闭防渗体系;

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背水侧地基覆盖层较厚且下卧强透水层较深,采用盖重措施,盖重使用的透水土料渗透系数要用比表层土的大。或者在背水堤脚外适当位置设置减压井用以降低渗流坡降,减小扬压力;多层地基且存在浅层弱透水层的情况,采用压渗盖重措施,也可结合减压措施共同除险;勘察资料充分、渗流计算分析论证后也可适当考虑采用半封闭式垂直防渗措施。

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2.2透水地基

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对于透水层埋深不大的情况,优先采用封闭式垂直防渗措施,并与堤身防渗措施体连成封闭统一的防渗体系;对于相对不透水层埋藏较深、透水层较厚的情况,优先采用背水侧压渗盖重措施。当临水侧有稳定滩地时,也可采用临水侧铺盖措施。

2.3岩石地基

对于堤基下为强风化基岩的情况,优先采用地基帷幕灌浆的措施,若对临水侧有稳定的外滩,也可采用使用水平铺盖措施。如有必要,背水侧堤脚附也可采取反滤保护措施;堤基下为岩溶时,容易导致渗流量过大,以致危及堤防的安全。此种情况优先采用模袋灌浆或充填灌浆堵塞岩溶漏水通道,如有必要,临水侧可加设水平防渗铺盖。

3.堤坡失稳破坏与加固处理

3.1边坡失稳的成因

渗流 当堤防上游水位达到一定高度且持续时间长时,浸润线以下堤身土体完全

饱和后,导致堤身抗剪强度降低,在渗流产生的渗透力作用下堤身的自重增加,下滑力也相应增大,最终引起滑坡产生。

水流冲刷浸袭 岸坡淘刷情况较严重,堤坡坡度逐渐变陡,直到失去平衡引起岸坡失稳,造成崩岸险情;浸水饱和,土体自重增加和强度降低,外滩引起坍塌,并逐步向堤防坡脚逼近,直至临水坡失稳滑坡;

堤基问题 造成堤防地基强度不够的原因一般有筑堤时清基不彻底、勘探资料不明确时导致设计方案不合理、筑堤速度过快引起地基强度降低等;

堤身漏洞和新老堤结合面问题 堤身产生内部漏洞和裂缝,雨水沿堤身裂缝渗入堤身内部,使堤身强度降低,渗水的集中作用变大,最终贯穿堤身。

3.2堤坡除险加固措施

浅层滑坡的加固 浅层滑坡一般均发生在堤身,地基基本上未遭破坏。优先考虑将滑动体全部挖除并重新回填,如图1所示;

图1 挖除和填筑断面示意图 图2 陷坑与洞穴处理示意图

深层滑动的加固 深层滑动的滑动面已切入堤基较深,若全部挖除滑动体,则会因工程量大不经济,且具有一定的施工风险。优先考虑部分挖除再处理的的办法进行;

崩岸的除险加固技术 崩岸除险加固主要的措施有:抛石护脚、丁坝导流、墙式防护、桩式防护、还滩退堤等;

堤身漏洞和陷坑 堤身漏洞和陷坑往往由生物洞穴产生,隐蔽性强,较难发现。汛期时发展很快,常会酿成溃口且抢险困难。故汛前应探查明漏洞和陷坑详细情况,采取开挖回填或灌浆的办法消除隐患,如图2所示。

4.加固处理实例分析

4.1 工程概况

六股河发源于建昌县玲珑塔乡北娄子山,流域总面积3010平方公里,河长1 63公里,属于山区季节性河流,该河的河床比降大中,汇流历时较短,汛期洪水暴涨落,洪水对沿岸冲刷毁坏力巨大。六股河河床组成为第四纪冲积层,主要由亚粘土、中砂、砾砂及卵石构成,地下埋深达6到8m。绥中县六股河城防堤始建于建国初期,以后经多次加高培厚,目前从防洪堤的高度上达到了50年一遇的洪水标准,但受当地经济条件及管理体制的限制,防洪堤堤基未做任何防渗处理,特别是城区段六股河灌区引水口段,渠首涵洞坐落在59年大堤决口处穿堤的地基上,因地基未作防渗处理一直存在着管涌渗漏隐患。

4.2 除险加固分析确定

六股河灌区渠首穿堤涵洞出口右侧50米左右有一个大坑,坑底低于河底高程,涵洞及两侧堤基渗径不足,首先在长期的渗流作用下造成管涌,其次在高水头的渗流作用下造成了流土,最后还出现局部地区的接触冲刷。根据前述的加固措施参考类似工程经验,讨论认为高喷工艺具有设备先进、搬迁机动、占地面积小及施工不损坏原有建筑物和施工进度快等优点,同时又能弥补穿堤涵洞以及两侧堤基的渗径不足,并能充填已存在的管涌及渗流通道,故本工程采用高喷灌浆技术。

4.3 除险加固的方案设计

沿河堤纵轴线建造一道紧包涵管四壁的高喷混凝土防渗墙,并在涵洞上、下游建造一个截水墙,以此达到堤基防渗之目的。高喷防渗墙布置在涵洞纵轴方向左右各延伸70m,全长140m。防渗板墙深度依据决口处冲抗状况,在地下呈倒置阶梯布置,距堤顶2.5m,该段堤顶高程18.5m,底高程分别为11.Om,8.5m及5.Om,板墙厚度为20cm。

4.4工程加固处理分析

通过开挖监测和注水试验结果,显示本次灌浆所成防渗墙连续并且与涵洞的胶结可靠,墙体结构及抗渗均达到了设计标准。未处理前拦河坝溢流,水位达到14.2m以上,堤内的大坑就涨水,伴随管涌、翻砂现象。加固处理后年堤内大坑基本干涸,再次放水坝前水位达14.2m时,大坑无管涌及涨水现象,说明工程的高喷灌浆工程发挥显著的防渗效果。

结语

堤防工程出现险情后,分析险情成因做好全面地质勘察后通过选择合适的计算和分析方法,复核成因合理性,确定主次因,通过一定的工程技术措施来保证处理方案的实施效果。传统技术虽然非常的可靠,有时候却不经济;而充分计算分析论证的基础上采用的新技术会即使有着良好的理论效果,但施工技术难度大造价高。

参考文献

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[2]毛起熙.堤防工程手册[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[3]董哲仁.堤防除险加固实用技术[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

[4]荣强,谢磊.堤防渗透破坏成因分析及加固措施[J].海河水利,2009.

[5]冯军,洪小艳.浅谈几种常见土坝防渗加固措施[J].湖南水利水电,2006.