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水流形态突变对堤防除险加固设计方案的影响研究

2021-02-22林昌宁赵东淼谢陈辉

陕西水利 2021年12期
关键词:模袋临水石笼

林昌宁,赵东淼,谢陈辉

(温州市水利电力勘测设计院,浙江 温州 325000)

0 引言

堤防作为抵御洪水侵袭的重要水工设施,其长期有效安全运行关系到防护范围内人民生命财产安全[1]。温州市鹿城区七都岛段标准堤防由七都大桥建设引起河道水文特性和水流态势急剧变化,引起堤防堤顶欠高、近岸冲刷、稳定不足等问题。鉴于此堤段对七都岛防洪安全至关重要,为此提出从稳定性和抗冲刷入手的加固设计方案。

1 工程概况

工程涉及标准堤总长833.4 m,为2 级堤防,堤顶高程和断面结构按允许部分越浪量设计。标准堤采用了半实填半框架式和全实填式两种断面型式。现状堤段存在堤顶高程余量不足、整体稳定不达标等问题,严重影响着七都岛的防洪安全和城市发展。七都大桥及加固段堤防地理位置见图1。

图1 项目地理位置图

2 除险加固设计

2.1 冲刷及稳定性分析

2.1.1 堤防临水坡冲刷现状

七都大桥建成后,水流受桥墩的阻壅作用,单宽流量增加,局部水面比降和流速加大,河床发生一般冲刷;同时桥墩附近因形成的复杂水流流态,出现局部冲刷。由于水流流态改变,有效过水面积减少,桥下流速增大,对岸坡及堤防产生严重冲刷。100 年一遇洪水条件下桥下流场分布见图2。

图2 大桥流场分布图

经安全鉴定,受七都大桥压缩水流影响,西堤临水坡出现不同程度冲刷,其中西堤桩号5+653.8 断面2018 年~2020 年间最大冲刷了0.65 m,西堤桩号6+103.8 断面最大冲刷了0.86 m。见图3、图4。

图3 西堤桩号5+653.8测量对比图

图4 西堤桩号6+103.8测量对比图

2.1.2 堤防临水坡稳定性分析

(1)计算方法

采用瑞典圆弧滑动条分法计算整体稳定,计算公式如下:

式中:b为土条宽度;W为土条重量;u为作用于土条底面的空隙压力;α为条块的重力线与通过条块底面中点的半径之间的夹角;c'、φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标;Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩;R为圆弧半径。

(2)计算参数

堤身设计参数根据表1 取值。

表1 堤身计算指标表

计算工况外水位取平均低水位-2.02 m,陆域侧水位取平均水位2.49 m。分别对堤防现状及现状基础上冲刷2 m后的整体稳定进行分析,稳定分析计算成果见表2,选取两典型断面整体稳定计算结果见图5和图6。

图5 5+354.3整体稳定分析成果

图6 6+054.8整体稳定分析成果

表2 西堤七都大桥段各断面运行期整体稳定分析计算成果表

由表2可知,受七都大桥水流压缩影响,堤防增加了整体稳定的滑动力矩,降低了堤防的整体稳定安全系数,不满足规范要求。

综上,加固设计应着重解决临水坡冲刷及临水平台回填引起的堤防整体不稳定问题。

2.2 堤身加固设计

为有效解决堤防临水坡冲刷及冲刷引起的安全系数不满足规范要求问题,临水坡拟采用模袋砼+充砂管袋加固措施,增加断面的防冲能力及整体稳定性。

2.2.1 护岸型式

七都标准堤外侧不适宜进行大规模开挖,坡式护岸能较好适应现状地形变化,水流平顺,工艺成熟,护坡材料丰富,因此七都大桥段加固设计采用坡式护岸。拟定模袋砼+充砂管袋方案、铰链砼预制块+充砂管袋方案及块石+合金石笼网予以比选分析。

(1)模袋砼+充砂管袋方案

模袋混凝土是用具有一定强度和透水性的土工织物做成模袋,然后在模袋里充灌具有一定流动性能的混凝土或砂浆。在灌浆压力的作用下,混凝土或砂浆中多余的水分被挤出模袋,凝结后即形成高密度的固结体模袋混凝土。沿堤防临水侧岸坡坡面铺设20 cm厚CX型砼模袋混凝土,坡度≥1∶4.0,冲刷较大的部位采用充砂管袋回填。坡脚末端2 m模袋砼厚度为0.3 m,标准断面见图7。

图7 模袋砼+充砂管袋方案标准断面图

(2)铰链砼预制块+充砂管袋方案

护面采用C30 铰链混凝土预制块,边长1000 cm,厚20 cm;冲刷较大的部位采用充砂管袋回填,标准断面见图8。

图8 模袋砼+充砂管袋方案标准断面图

(3)块石+合金石笼网方案

石笼网是由高抗腐蚀、高强度、具有延展性的低碳钢丝或者包覆PVC以上的钢丝使用机械编织而成,笼网内填块石形成石笼。石笼网还具有较强的透水性、较好的抗冲性、较好的防浪性、较好的柔韧性等优点。石笼网的原材料可采用涂膜热镀锌低碳钢丝,构成网格的钢丝有一定的强度,不易被拉断,石笼整体强度较高。低碳钢丝承受适度的变形特点,可以将全部工程连成整体,不需分缝,即使由于某种原因使结构中断裂一根网丝,也不会影响结构的整体性。结构能进行自身适应性的微调,不会因不均匀沉陷而产生沉陷缝等,整体结构不会遭到破坏。堤防临水侧岸坡-1.30 m以上采用块石护坡,单重≥200 kg,厚度30 cm;-1.30 cm平台以下采用石笼网箱,厚50 cm,冲刷较大的部位采用抛石回填。护坡坡度≥1∶4.0。

2.2.2 加固方案比选

从投资角度分析,3个方案中块石+合金石笼网方案投资最少,模袋砼+充砂管袋方案次之,铰链砼预制块+充砂管袋方案最大。但块石+合金石笼网方案水下抛石工程量不易控制且抛石沉降量大,场地属软土地基,按以往的施工经验,水下抛石沉损可达50%~100%,工程投资不易控制。

从结构可靠性角度分析,模袋砼+充砂管袋方案整体性好,能较好适应地形变化,而块石+合金石笼网方案结构简单,整体性较差,铰链砼预制块+充砂管袋整体性比块石+合金石笼网方案好。从施工工艺及工期角度分析,抛石填筑施工工艺简单,但水下施工,块石数量及质量不易控制;充砂管袋可分段全面展开推进,施工速度较快,且地形适应性较强。

综上采用模袋砼+充砂管袋方案。

2.3 休闲平台加固设计方案

护岸采用模袋砼+充砂管袋方案,临水侧休闲平台按保留绿化斜坡及恢复成原大休闲平台结构分为两个方案。

2.3.1 方案A

保留临水平台绿化斜坡,临水岸坡护面采用CX型砼模袋,厚度0.20 m,填充物为C25 砼。高程-1.30 m处设3.0 m宽的枯水平台,平台末端以1∶4.0的坡度放坡至现状河床,模袋砼下方至现状河床间回填充砂管袋。枯水平台以上模袋砼顺坡敷设至2.0 m高程处,敷设前先理坡、铺设60 kN/m有纺土工布,坡度不大于1∶4.0,见图9。

图9 加固方案A

2.3.2 方案B

方案B取消了方案A中的-1.30 m枯水平台,同时将临水侧绿化斜坡开挖至4.50 m高程,恢复成原大休闲平台结构,见图10。

图10 加固方案B

2.3.3 桥下段休闲平台方案选择

方案A,即保留斜坡绿化方案,增加了堤防的附加应力,引起附加沉降,沉降值约为11.0 cm~21.0 cm。原堤防结构设计中,该段堤防结构平台末端的密排灌注桩桩径为600 m,相对于其他堤防结构要小,绿化回填改变了原灌注桩的受力结构。由表3 可知,方案A延米投资要比方案B高2170 元,桥下段长度为97.9 m,增加工程部分投资约为21.2 万元。

表3 七都大桥桥下段加固方案延米工程投资分析表表

从结构、沉降、投资等角度分析,本次桥下段采用方案B,即恢复成原休闲大平台结构,平台表面铺透水砖,平台高程4.50 m。平台自上而下依次为透水砖、30 mm厚水泥砂浆、100 mm厚C15 素砼垫层、150 mm厚碎石垫层。

表4 西堤各桩号断面加固后整体稳定分析计算成果表

3 结语

七都岛堤防除险加固工程以不改变原有结构型式为原则,综合考虑所面临的的冲刷严重,稳定性不足等现状,结合拟定的各护坡及平台加固方案从结构、投资、材料等方面比选确定,在方案的优选和经济可行性方面达到较好的统一。计算结果表明:加固方案各项特征参数均符合规范要求,设计推荐的加固方案可以达到既定目标。

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