防洪堤結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與復(fù)核計算

關(guān)鍵詞：防洪；防洪提；復(fù)核；計算 

　　0 引言

　　每年，許多建造在大江大河旁的因為防洪澇工作沒有實施或者做好，一到了雨水多的時期就會容易遭到洪澇災(zāi)害的摧殘。這嚴(yán)重影響了人們的學(xué)習(xí)工作還有生命財產(chǎn)安全，已經(jīng)成為了設(shè)計工作人員急需解決的問題。下面以某縣城防洪堤結(jié)構(gòu)設(shè)計和復(fù)核對如何做好這項工作進(jìn)行討論。 

　　1 堤防設(shè)計概況 

　　某期防洪堤設(shè)計堤型采用重力式防洪堤，堤身材料為漿砌塊石。堤頂寬3m，最大堤高30.267m，最大底寬20.675m。防洪堤迎水面設(shè)置1：0.1坡度，堤背面設(shè)置1：0.15坡度。在308及297高程分別設(shè)有4m×3m的休息平臺，防洪堤中間標(biāo)準(zhǔn)斷面在304m高程設(shè)有8m寬的臨江看臺。此外，在某期防洪堤的兩端均設(shè)有4m寬的梯步下至304m高程臨江看臺，并設(shè)4m寬的下河梯步至河邊。防洪堤基礎(chǔ)與基巖接觸面為500mm厚C15砼墊層。防洪堤后為廣場，系原沖溝設(shè)一排水涵洞后回填土石所建成，到目前為止回填時間不到一年。防洪堤堤身設(shè)排水孔，間排距為3m，呈梅花型布置，堤背回填土石料并設(shè)置塑料排水盲溝和堤背碎石層的排水系統(tǒng)。 

　　2 復(fù)核斷面選取及復(fù)核工況 

　　2.1 復(fù)核斷面的選取 

　　復(fù)核斷面選取時，兼顧堤高、堤底寬、堤背傾斜（或鉛直）、堤背填土高度及堤的斷面大小，根據(jù)防洪堤實際開挖和回填斷面圖以及防洪堤實際施工的標(biāo)準(zhǔn)斷面圖，選取以下6個有代表性的實際施工標(biāo)準(zhǔn)斷面，作為本次復(fù)核所用標(biāo)準(zhǔn)斷面。 

　　2.2 復(fù)核工況的確定 

　　根據(jù)防洪堤的運行條件，計算工況按極端情況考慮，分為枯水位和設(shè)計洪水位兩種工況，具體如下： 

　　1）非常運用條件。外江水位升高至設(shè)計洪水位312.0m（P=5%），相應(yīng)的荷載組合為： 

　　堤背土壓力（含人群荷載引起的）+堤背填土壓重+堤背水壓力+基底揚(yáng)壓力+堤自重+外江靜水壓力+外江水壓重 

　　2）正常運用條件。外江水位驟降，并降至河床常年水位293.0m，相應(yīng)的荷載組合為： 

　　堤背土壓力（含人群荷載引起的）+堤背填土壓重+堤背水壓力+基底揚(yáng)壓力+堤自重+外江靜水壓力 

　　3 施工完成后防洪堤結(jié)構(gòu)復(fù)核 

　　3.1 復(fù)核計算內(nèi)容及公式 

　　3.1.1 計算內(nèi)容 

　　防洪堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)K0、基底最大壓應(yīng)力σmax和最小壓應(yīng)力σmin等參數(shù)。 

　　3.1.2 計算簡圖 

　　G1：漿砌石堤體自重，kN；G2：填土壓重，kN；G3：堤前水體壓重，kN；U：基底揚(yáng)壓力（為負(fù)值），kN；Pw1：堤前水壓力，kN；Pw2：堤背水壓力，kN；Pa：主動土壓力，kN；H：堤背填土高度，m；H1：堤背水位線以上的填土高度，m；H2：堤背水位線以下的填土高度，m；Hw1：堤前靜水壓力水頭，m；Hw2：堤背靜水壓力水頭，m。 

　　3.2 計算公式 

　　3.2.1 抗滑穩(wěn)定公式 

　　防洪堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式進(jìn)行計算： 

　　Kc=fΣW/ΣP 

　　式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，正常運用條件應(yīng)滿足Kc≥1.05，非常運用條件應(yīng)滿足Kc≥1.0；ΣP為作用于堤體上的全部水平力的總和，kN；ΣW為作用于堤體上的全部垂直力的總和，kN；f為底板與堤基的摩擦系數(shù)。 

　　3.2.2 抗傾穩(wěn)定公式 

　　防洪堤的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按下式進(jìn)行計算： 

　　K0=ΣWV/ΣMH 

　　式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)，正常運用條件應(yīng)滿足K0≥1.45，非常運用條件應(yīng)滿足K0≥1.35；MV為抗傾覆力矩，kN・m；MH為傾覆力矩，kN・m。 

　　3.2.3 基底應(yīng)力公式 

　　防洪堤的基底壓應(yīng)力按下式進(jìn)行計算： 

　　σmax，min=ΣG/A±ΣM/ΣW 

　　式中：σmax，min為基底的最大和最小壓應(yīng)力，kPa；ΣG為作用于堤體的垂直荷載，kN；A為底板面積，m2；ΣM為荷載對底板形心軸的力矩，kN・m；ΣW為底板的截面系數(shù)（bh2/6），m3。 

　　3.2.4 堤背土壓力計算的有關(guān)說明 

　　堤背傾斜，并且填土表面水平、堤背傾角較大，常采用簡便的朗肯理論（將傾斜堤背等效變?yōu)殂U直堤背，見圖2）來計算堤背的土壓力。 

　　1）堤背主動土壓力按下式計算： 

　　Pa=γH2Ka/2+qHKa-2cHKa1/2 

　　式中：Pa為主動土壓力，kN；γ為堤后回填土容重，kN/m3；H為填土高度，m；Ka為庫倫理論的主動土壓力系數(shù)，Ka=tg2（45°-φ）；q為填土表面人群荷載，kN/m3；c為填土黏聚力，kN/m2；φ為回填土內(nèi)摩擦角，（°）。 

　　上式中若c=0，并且填土中有水時，這種情況下主動土壓力用下式計算： 

　　Pa=γH12Ka/2+γH1H2Ka+γ1H22Ka/2+qHKa 

　　式中：γ為堤后回填土容重，kN/m3；γ1為堤后回填土浮容重，kN/m3；H1為堤后水位以上的填土高度，m；H2為堤后水位以下的填土高度，m。 

　　2）堤背靜止土壓力用以下兩種方法分別進(jìn)行計算： 

　�、俨捎肒0法。 

　　P=γH2K0/2+qHK0 

　　式中：K0為靜止土壓力系數(shù)，近似按下式計算K0=1-sinψ（ψ為填土的有效內(nèi)摩擦角）； 　�、诓捎弥鲃油翂毫υ龃笙禂�(shù)法。 

　　P=1.25Pa 

　　3.3 結(jié)構(gòu)復(fù)核成果 

　　3.3.1 外江水位升高情況 

　　外江水位升高至設(shè)計洪水位312.0m（P=5%），計算時堤背土壓力按靜止土壓力計算（不考慮回填料的黏聚力，即c=0）。 

　　1）堤背靜止土壓力按上述第①種方法（K0法）計算。由計算結(jié)果可以看出，各斷面均有KC>1.0，K0>1.35，滿足堤防設(shè)計規(guī)范要求；σmax<〔σmax〕=1000kPa，并且基底不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足地基承載力要求和規(guī)范要求。 

　　2）堤背靜止土壓力按上述第②種方法（即主動土壓力增大系數(shù)法）計算。由計算結(jié)果可以看出，各斷面均有KC>1.0，K0>1.35，滿足堤防設(shè)計規(guī)范要求；σmax<〔σmax〕=1000kPa，并且基底不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足地基承載力要求和規(guī)范要求。 

　　計算靜止土壓力時，由于靜止土壓力系數(shù)難以準(zhǔn)確確定，常采用一些近似的計算方法計算。上述第①種計算堤背靜止土壓力的方法（K0法）主要適用于正常固接黏土，第②種計算堤背靜止土壓力的方法（主動土壓力增大系數(shù)法）為計算靜止土壓力的常用方法，考慮到堤后回填時間不長，本次復(fù)核計算以主動土壓力增大系數(shù)法計算的成果為準(zhǔn)。 

　　3.3.2 外江水位驟降情況 

　　外江水位驟降（降至河床常年水位），堤背水位較高。這種情況下防洪堤有向臨江一側(cè)移動的趨勢，堤背土壓力按主動土壓力計算。 

　　由復(fù)核成果知，若不考慮回填料的黏聚力，堤背水位在不高于304m高程時（若考慮回填料的黏聚力，則為308m），各斷面均有KC>1.05，K0>1.45，滿足堤防設(shè)計規(guī)范要求；σmax<〔σmax〕=1000kPa，并且基底不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足地基承載力要求和規(guī)范要求。為了安全起見，對于外江水位驟降的情況，本次復(fù)核以不考慮回填料黏聚力的計算成果為準(zhǔn)。 

　　由前述成果可知，當(dāng)外江水位為設(shè)計洪水位時，堤防抗滑、抗傾及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。當(dāng)外江水位驟降（下降至河床常年水位293.0m）時，若無排水系統(tǒng)或排水失效，有多處斷面在抗滑、抗傾和及基底應(yīng)力方面均不滿足規(guī)范要求。可見外江低水是本工程的控制工況，其計算結(jié)果匯總見表1（單位均為m）。 

　　綜合各斷面的計算成果，堤背水位只要通過排水系統(tǒng)控制不超過304m高程，則堤防安全可以確保，堤背水位越低越有利，這也充分說明了排水系統(tǒng)的重要作用和意義。 

　　5 結(jié)語 

　　由上可見，該防洪堤在各方面均符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠應(yīng)用于該縣城區(qū)防洪防澇工作中。我們要做好防洪堤施工前的復(fù)核工作，進(jìn)行嚴(yán)密的計算，使施工時防洪堤結(jié)構(gòu)更加堅實耐用，能為人們的生命財產(chǎn)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]田啟鵬.淺析結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化體會[J].城市建設(shè)理論研究，2013年第1期. 

　　[2]何杰平.城市防洪堤設(shè)計工作中常見問題如何解決[J].城市建設(shè)理論研究，2011年第26期.