得妥垫高防护工程堤型选择和结构设计

　　1、工程概况

　　大岗山水电站位于大渡河中游上段，工程坝址位于四川省雅安市石棉县挖角乡境内。电站采用坝式开发，水库正常高水位1130m，死水位1120m，具有日调节性能。大岗山水电站水库建成蓄水后，库区高程1130m高程以下的房屋、农田将被淹没，居住人口均需搬迁。为了解决移民安置问题，有关部门确定了位于泸定县得妥乡政府的得妥安置点，得妥安置点垫高防护工程建设主要任务为电站库区安置点移民造地和提供防洪安全保障。

　　根据堤线保护范围与对象，并结合河岸地形地质条件及集镇发展总体规划合理安排堤线长度，得妥安置点堤线总长916.03m。根据GB50201-94《防洪标准》、GB50286-98《堤防工程设计规范》和CJJ50-92《城市防洪工程设计规范》，鉴于得妥堤防工程防护范围内既有耕地又有居民点，且包含有部分集镇，防洪标准为20年一遇，工程级别为4级。

　　2、工程地质条件

　　得妥安置点建筑布置于大渡河左岸的Ⅱ级阶地上，场地平台长约1100m，宽约250m，平台上地势较为平坦，地形坡度5°～10°。工程建设涉及到的地层主要有表层耕植土和冲积砾砂、圆砾、含卵圆砾、松散卵石土、稍密卵石土、中密-密实卵石土及粗砂层。各土层物理力学参数建议值见表1。

　　

　　3、堤型选择

　　得妥安置区位于反“S”形河道中部的大渡河左岸的凸向西北向的Ⅱ级阶地上，场地平台长约1100m，宽约250m，地势较为平坦，平台高程高于枯水期水面40m以上。得妥安置点堤岸多处于冲刷岸，其岸坡及河滩均更为陡峭。根据地形地质条件，得妥垫高防护工程堤线主要布置于河岸冲刷垮塌及浸没影响较严重的河岸，全长916.03m。

　　本工程建设工期是事关大岗山水电站库区及时移民安置的关键因素之一，它不仅关系到大岗山能否按期蓄水的问题，也关系到社会稳定与和谐的大问题，因此，结合防护范围、工程投资、工期等因素，最终确定坡脚设置混凝土重力式挡墙，边坡采用碾压砂卵石填筑。

　　得妥垫高防护区典型剖面见图1。该方案采用砂卵石碾压回填，水平回填厚度35～40m；边坡顶部、坡脚部位设置挡墙，边坡顶部混凝土挡墙高度4m，坡脚部位挡墙高度为8～10m。为确保边坡整体稳定安全达到规范要求，在挡墙顶部设置6层土工格栅，坡脚部位采用4排土工格栅，提高填筑体总体结构安全，防洪堤边坡坡比设置为1:2；坡脚采用抛填1.5m厚钢筋石笼防冲。

　　

　　4、稳定分析

　　4.1堤身稳定控制标准

　　根据工程技术特性和相关规范要求，防治工程设计安全系数控制标准见表2。

　　

　　4.2堤身稳定分析

　　4.2.1计算工况

　　按GB50286-98《堤防工程设计规范》要求，结合大岗山电站运行工况，需计算各不同设计状况下边坡稳定情况。

　　（1）正常情况：

　　①正常蓄水位1130.00m工况；②汛期控制水位1125.70m工况；③死水位1120.00m工况；④水位1125.00m到1124.00m的降落工况。

　　（2）非常情况：

　　①天然水位工况（完建工况）；②正常蓄水位+地震工况。

　　4.2.2设计荷载

　　（1）土体自重：河道水位以下取浮容重，河道水位至地下水浸润线以下取饱和容重，浸润线之上取天然容重。

　　（2）地下水位：因覆盖层透水性较好，勘探地下水位较低，各特征水位地下水位线与江水位基本持平，向山里略有抬升。

　　（3）地震：50年超越概率10%，工程场地基岩水平向峰值加速度为0.2g，相应地震基本烈度Ⅷ度。

　　4.2.3滑动模式和计算方法

　　对于覆盖层内部圆弧滑面选用GB50286-98《堤防工程设计规范》推荐的瑞典条分法进行稳定分析。边坡稳定计算采用中国水利水电科学研究院《土质边坡稳定分析程序STAB》计算软件。瑞典圆弧法的表达式为：

　

　　式中：W———土条重量；V———分别为作用在土条上的水平和垂直向外力；U———作用于土条底面的孔隙压力；α———条块底滑面的倾角；b———土条宽度；C′、准′———土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc———水平向外力对圆心的力矩；R———圆弧半径。

　　4.2.4天然边坡稳定分析

　　计算最危险安全系数见表3，计算简图见图2。

　　

　　由表3可知，正常蓄水位1130.00m高程条件下，天然边坡稳定安全系数达不到规范要求，因此，应对该边坡进行防护治理。

　　4.2.5建堤后边坡稳定计算

　　本工程是移民安置项目，需防护范围已确定。受防护范围限制，采取削坡的方式难以实现。根据防护片区实际地形地质条件，并结合相关工程经验，采取开挖换填和土工格栅的治理方式。

　　（1）开挖换填后稳定性

　　采用STAB软件，对拟定的防洪堤体型进行稳定计算，计算最危险安全系数见表4，计算简图见图3。

　　由表4可知，换填修建防洪堤后，在正常蓄水+地震工况下，边坡稳定安全系数仍达不到规范要求，因此，应采用相应支护措施对该边坡进行防护。

　　

　　（2）开挖换填+施加土工格栅条件下边坡稳定计算

　　因本工程边坡基础均为覆盖层，结合该边坡实际地质情况，参考相关工程类似经验，通过采用经济性好的土工格栅方案，提高土体综合技术参数，确保边坡整体稳定。防护区坡顶采用6排土工格栅，间距2m，同时为确保边坡中下部稳定，坡脚部位采用4排土工格栅。计算安全系数见表5，计算简图见图4。

　　由表5可知，通过增加土工格栅支护措施，边坡稳定安全系数可满足规范要求。

　　

　　4.3坡脚挡墙稳定分析

　　本工程坡脚部位挡墙高度为7～10m，选取最高10m挡墙进行稳定复核。因坡脚位置挡墙在蓄水及水库运行期长期在水面以下，故计算考虑工况为正常蓄水、正常蓄水＋地震及完建三种工况，计算结果见表6。

　　

　　5、坡脚挡墙防冲设计

　　部分堤段基础置于软基之上，存在堤脚冲刷问题，因此，需进行堤脚冲刷深度计算。采用建堤后的洪水运行条件下冲刷深度计算，按GB50286-98《堤防工程设计规范》推荐的冲刷公式计算冲刷深度。

　　5.1水流平行于岸坡产生的冲刷深度

　　

　　式中：hb———为局部冲刷深度（m），从水面起算；hp———冲刷处的水深（m），以近似设计水位最大深度代替；vcp———平均流速（m/s）；v允———河床面上允面不冲流速（m/s）；n———平面形状系数，n=0.25。

　　计算结果见表7。

　　

　　5.2水流斜冲堤岸产生的冲刷深度

　　

　　式中：Δhp———从河底算起的局部冲深（m）；α———水流流向与岸坡交角（°）；vJ———水流局部冲刷流速（m/s）；m———防护建筑物迎水面边坡系数；d———坡脚处土壤计算粒径（cm）。

　　计算结果见表8。

　　根据计算分析，结合实际地质条件，得妥防护工程坡脚挡墙防冲措施如下：在坡脚挡墙外侧铺设1.5m厚钢筋石笼，宽度约5.0m，外侧设置C15混凝土防冲齿槽，齿槽深度4.5m。

　　6、堤身填筑料设计

　　（1）碾压砂卵石

　　按照因地制宜、就地取材的原则，防洪堤堤身材料选择砂卵石料。首先考虑采用开挖回填砂卵石，其余不够部分采用其他符合技术要求的天然料场的砂卵石。根据防护工程计算结果，结合相关工程经验，经分析，天然砂卵石料在＜5mm细粒含量、含泥量、强度等方面基本满足要求，可作为堤身填筑材料。填筑分层厚度小于1.0m，采用振动碾加水碾压，要求碾压后相对密度不小于0.75，渗透系数K≥1.0×10-3cm/s。堤身砂卵石材料碾压填筑后要求摩擦角不低于35°。

　　（2）混凝土面板设计

　　护岸顶高程1132.00m，坡脚部位设置混凝土挡墙，顺坡碾压砂卵石填筑，边坡表面采用现浇C25混凝土面板进行防护，厚度40cm。面板设排水孔，排水孔孔径100mm，呈梅花形布置，孔间距3.0m。

　　（3）挡墙材料采用C25混凝土

　　7、结语

　　得妥垫高防护工程是移民安置项目，防护范围、河水位及工期等因素制约了外侧防洪堤堤型选择。设计采取的坡脚设置混凝土重力式挡墙，边坡采用碾压砂卵石填筑的形式，施工难度小、工程投资相对较小，工期得以保障，取得良好效果。

　　工程于2012年12月28日正式开工，10年一遇洪水位高程以下坡脚挡墙浇筑、挡墙外侧防冲护脚工程、围堰拆除已完成，目前，正在进行挡墙后侧砂卵石填筑。施工过程中，结合防洪度汛任务以及工期的紧迫性，对挡墙防冲护脚进行了优化，将护脚水平段及齿槽部分C15混凝土调整为钢筋铅丝石笼。

　　参考文献：
　　［1］GB50201-94，防洪标准［S］.
　　［2］GB50286-98,堤防工程设计规范［S］.
　　［3］CJJ50-92,城市防洪工程设计规范［S］.