某河道治理工程的堤防加固工程設(shè)計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5945某河道治理工程的堤防加固工程設(shè)計計算案例 1301911.1堤頂高程 1231651.1.1堤頂超高的確定 152951.1.2設(shè)計波浪爬高 3124741.1.3風(fēng)壅水面高度計算 7138661.1.4各斷面河堤高程 8114781.2堤身斷面設(shè)計 8145411.2.1護坡型式選擇 8302481.2.2加固培厚設(shè)計 9181181.2.3護坡型式設(shè)計范圍確定 9300931.2.4干砌石護岸厚度設(shè)計及選用 1159521.2.5滲流穩(wěn)定分析計算 12144031.2.6河堤斷面抗滑穩(wěn)定分析 12210741.3土料場設(shè)計 1778191.1.1土料場選擇 17301111.1.2填筑土料設(shè)計指標(biāo)的確定 18236421.4溝渠設(shè)計 181.1堤頂高程1.1.1堤頂超高的確定根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）的規(guī)定，本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)的規(guī)定，確定堤防工程級別為5級，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）的規(guī)定，并依據(jù)本工程所處地理位置情況：本工程常住0.37萬人，耕地0.51萬畝，可根據(jù)表1.1確定堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-98），本工程洪水重現(xiàn)期為10年，因此可依據(jù)表1.2確定堤防工程為5級。所有建筑物級別均為5級。表1.1.堤防防護等級防護等級人口（萬人）耕地面積（萬畝）防洪標(biāo)準(zhǔn)[重現(xiàn)期（年）]Ⅰ≥150≥300100~50Ⅱ＜150，≥50＜300，≥10059~30Ⅲ＜50，≥20＜100，≥3030~20Ⅳ＜20＜3020~10表1.2堤防工程級別防洪標(biāo)準(zhǔn)[重現(xiàn)期（年）]≥100＜100且≥50＜50且≥30＜30且≥20＜20且≥10堤防工程的級別12345堤頂高程由設(shè)計洪水位加堤頂超高由公式（1.1）確定：（1.1）式中——堤頂超高，；——設(shè)計波浪爬高，；——風(fēng)壅水面高度，；——安全加高，由下表1.3可確定不允許越浪安全加高值取。表1.3堤防工程安全加高值堤防工程級別12345安全加高值（m）不允許越浪的堤防1.00.80.70.60.5允許越浪的堤防0.50.40.40.30.31.1.2設(shè)計波浪爬高1.1.2.1風(fēng)區(qū)長度的計算根據(jù)本工程所設(shè)計河段狀況，該水域邊界不規(guī)則、水中有島嶼及轉(zhuǎn)彎，因此風(fēng)區(qū)長度采用等效風(fēng)區(qū)長度，按下列公式（1.2）計算：（1.2）（1.3）式中——在風(fēng)向兩側(cè)各45°范圍內(nèi)，每隔由計算點所引的射線長度，；——射線與主風(fēng)向上射線的夾角（°），可取（）。控制斷面K1+000的風(fēng)區(qū)長度計算中，風(fēng)向按照最不利風(fēng)向計算，為從河床向河堤的垂向，其和數(shù)據(jù)如下表1.4：表1.4和相關(guān)數(shù)據(jù)編號長度（m）111.57139.76150.6199.32227.77276.28171.2角度（°）07.51522.53037.545編號長度（m）189.92170.61147.71135.44132.31129.44角度（°）7.51522.53037.545根據(jù)以上數(shù)據(jù)及公式求得控制斷面風(fēng)區(qū)長度為：1.1.2.2風(fēng)浪要素計算風(fēng)浪要素可按照莆田試驗站方法計算，計算公式如下：（1.3）（1.4）式中——平均波高，取0.18m，；——平均波周期，取1.87s，；——計算風(fēng)速，本設(shè)計取，；——風(fēng)區(qū)長度，取622.49m；——水域平均深度，取1.86m，；——重力加速度，取9.81m/s2；平均波高計算過程如下：平均波周期計算過程如下：根據(jù)控制斷面洪水位以及河底高程確定控制斷面水域平均深度，通過上述計算得出平均波高，平均波周期。本工程波的周期用平均波周期表示，按平均波周期計算的波長可按公式（1.5）計算：（1.5）代入數(shù)據(jù)通過試算解得波長為。1.1.2.3波浪爬高計算對于波浪爬高，當(dāng)斜坡斜率、時，本設(shè)計河堤斜坡設(shè)計坡率，可按下列公式計算：（1.6）式中——累計頻率為P的波浪爬高，；——斜坡糙率及滲透性系數(shù)，按表1.5確定，??；——經(jīng)驗系數(shù)，可按表.1.6確定，取?！栏呃鄯e頻率換算系數(shù)，可按表1.7確定。對不允許越浪的堤防，爬高累積頻率宜取2%，；——斜坡坡率，取m=2.5；——堤前波浪的平均波高，取0.18m，；——堤前波浪的平均波長，取5.46m，；表.1.5斜坡糙率及滲透性系數(shù)護面類型光滑不透水護面（瀝青混凝土，混凝土）1.0混凝土面板0.95草皮0.90砌石0.80拋填兩層塊石（不透水堤心）0.60～0.65拋填兩層塊石（透水堤心）0.50～0.55表.1.6經(jīng)驗系數(shù)≤11.522.531.54≥511.021.081.161.221.251.281.30表1.7爬高累積頻率換算系數(shù)（%）0.11234510132050＜0.12.662.232.071.971.901.841.641.541.390.960.1～0.32.442.081.941.861.801.751.571.481.360.97＞0.32.131.861.761.701.651.611.481.401.310.99本設(shè)計河堤護坡類型取為草皮護坡，因此斜坡糙率及滲透性系數(shù)，并根據(jù)已知數(shù)據(jù)得，因此經(jīng)驗系數(shù)，本設(shè)計河堤不允許越浪的堤防，爬高累積頻率取2%，其中，因此取。由以上數(shù)據(jù)，根據(jù)波浪爬高計算公式可以得出。1.1.3風(fēng)壅水面高度計算對于風(fēng)壅水面高度，可按下列公式（1.7）計算：（1.7）式中——計算點的風(fēng)壅水面高度，；——綜合摩阻系數(shù)，可取；——設(shè)計風(fēng)速，取，；——計算點沿主風(fēng)向量到對岸的距離，取217.74m，；——水域平均深度，取1.69m，；——風(fēng)向與堤軸線的法線夾角，取0°，°。根據(jù)本設(shè)計最不利風(fēng)向，量得，其風(fēng)向與堤軸線法線夾角。由已知數(shù)據(jù)及公式（1.7）可以計算出。因計算得出的風(fēng)壅水面高度較小，因此取。綜上所述，河堤堤頂超高為：由以上計算，最終可以得出河堤堤頂超高值。1.1.4各斷面河堤高程根據(jù)已經(jīng)算得的各個所設(shè)計斷面的十年一遇洪水位以及堤頂超高值，可以得出各斷面河堤堤頂高程如下表1.8所示：表1.8各斷面河堤高程水平距離（m）01002003004005006007008009001000設(shè)計洪水水位（m）47.0247.0147.0046.9946.9846.9846.9646.8546.9046.9046.85堤頂高程（m）48.3248.3148.3048.2948.2848.2848.2648.1548.2048.2048.151.2堤身斷面設(shè)計1.2.1護坡型式選擇通過前面的水面線計算以及堤頂超高的計算，從而確定了本設(shè)計河段兩岸河堤設(shè)計高程，本工程設(shè)計河堤堤頂寬度為4.0m，堤頂設(shè)置1.5m寬C25砼防汛公路；迎水坡坡度為1：2.5，背水坡坡度為1：2.0。本工程在河道凹岸段受到水流的迎流沖頂，因凹岸長期受到水流沖刷，在此處河堤堤腳常常會形成較深的河槽，或掏空堤腳從而使得護坡遭到破壞，嚴(yán)重威脅大堤的安全；洪水期水面較寬闊，在風(fēng)力的作用下風(fēng)浪拍打河堤坡面，長期作用下會對河堤造成破壞，故本次設(shè)計對河流凹岸易受到?jīng)_刷河段進行護岸設(shè)計，其它影響較小河段采取護坡設(shè)計。本工程所設(shè)計河段護坡、護岸設(shè)計采用草皮護坡、干砌石護坡、草皮護坡結(jié)合拋石固腳三種形式。1.2.2加固培厚設(shè)計按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013），并根據(jù)實際情況，在保持堤線順直的情況下，合理的選擇培厚方式，根據(jù)現(xiàn)狀河堤堤身斷面及其土質(zhì)情況，合理的選擇加高和加寬的方式，對現(xiàn)有坡進行削坡整坡處理，土堤采用粘土填筑，設(shè)計壓實度≥0.91，土料宜選用黏粒含量為10%~35%、塑性指數(shù)為7~20的黏性土，干砌石護坡采用砂卵石填筑，并力求利用穩(wěn)定灘地，少占用耕地，少占用河道以避免影響行洪，還應(yīng)當(dāng)便于施工碾壓。堤身土方填筑前應(yīng)先對表層土進行處理，對含水量過高的土料還需堆放、翻曬，使其達到最優(yōu)含水量，填筑前須做必須的碾壓試驗，確定施工參數(shù)，包括填筑層厚，碾壓遍數(shù)、干密度及檢測方法。堤身填土前應(yīng)先清除新舊土的結(jié)合處。所有的樹根、草皮、磚瓦等必須全部清除。底部填土應(yīng)碾壓密實，有洞的堤防必須開挖填埋密實。在新土與舊土的結(jié)合處，應(yīng)將舊堤挖出一個小臺階，以便于新土與舊土的結(jié)合；在土料各層鋪裝之前，應(yīng)先將底部填土刨毛處理；填土面應(yīng)平坦無凹盆，為了促進雨水排水，應(yīng)對外部略微傾斜；雨天施工按照規(guī)范及相關(guān)規(guī)則進行。為防止雨水滲入，降雨前應(yīng)將表層土壤碾壓密實，降雨后應(yīng)先將浸濕的土壤挖除再填土。1.2.3護坡型式設(shè)計范圍確定本防洪工程設(shè)計河段擬建設(shè)規(guī)模為：護坡護岸工程總長度1.0km；其中迎水坡面處理措施包括：草皮護坡1731m，干砌石護坡486m，拋石固腳712米。對于背水坡面，均采用草皮護坡的形式。單獨采用草皮護坡段長度為1019m，范圍為左K0+032~K0+212、左K0+569~K0+661、左K1+000~K1+045、右K0+470~K1+172。單獨采用干砌石護坡段長度為486m，范圍為左K0+661~K0+910，右K0+190~K0+427。堤防迎水面采用干砌石護坡，其為710mm厚干砌石護岸加150mm厚砂卵石墊層，干砌石護坡坡度為1：2.5。此段護坡頂設(shè)置（寬×高）C20砼壓頂。草皮護坡結(jié)合拋石固腳段長度為712m，范圍為左K0+000~K0+032、左K0+212~K0+569、左K0+910~K1+000、右K0+000~K0+190，右K0+427~K0+470。因地形條件限制護坡需修建到枯水位以下，因而在枯水位以下采用拋石固腳以加固堤腳，拋石固腳頂寬1.5m，拋石固腳頂高程為枯水位以上0.5m，坡比為1：2.0。具體迎水側(cè)邊坡處理措施見表1.9。表1.9游市防洪工程迎水側(cè)邊坡處理措施表岸別序號樁號長度（m）迎水側(cè)邊坡處理措施左10+000~0+03232草皮護坡+拋石固腳20+032~0+212180草皮護坡30+212~0+569357草皮護坡+拋石固腳40+569~0+66192草皮護坡50+661~0+910249干砌石護坡60+910~1+00090草皮護坡+拋石固腳71+000~1+04545草皮護坡右10+000~0+190190草皮護坡+拋石固腳20+190~0+427237干砌石護坡30+427~0+47043草皮護坡+拋石固腳40+470+1+172702草皮護坡1.2.4干砌石護岸厚度設(shè)計及選用在河堤迎流頂沖段需要設(shè)置干砌石護坡以防止水流對河岸的沖刷作用，采用人工塊體或經(jīng)過分選的塊石作為護岸面層，坡率為1.5~5.0時，波浪作用下單個塊體、塊石的質(zhì)量Q及護面層厚度t，可分別按公式（1.8）和公式（1.9）計算：（1.8）（1.9）式中：——主要護面層的護面塊體、塊石個體質(zhì)量（t）；——人工塊體或塊石的重度（），其值取26.5；——水的重度（），其值取9.8；——計算波高（），本工程平均波高與水深的比值，宜采用，查表可得；——穩(wěn)定系數(shù)，可按規(guī)范表D1.2-1確定，取4.0；——塊體或塊石層面護面層厚度（）——護面塊體或塊石的層數(shù)，取n=1；——系數(shù)，可按規(guī)范表D1.2-2確定，取1.35?！逼滦甭?，；經(jīng)上述公式（1.8）和公式（1.9）計算，當(dāng)面坡1：2.5時，厚度，考慮到工程實際情況，依據(jù)經(jīng)驗塊石重量不小于15kg且砌石厚度不小于0.4m。本工程設(shè)計左0+661~0+910、右0+190~0+427兩段為迎流頂沖段，岸前枯水位較淺，為防止河岸繼續(xù)受水流淘刷而影響岸坡穩(wěn)定，本次加固設(shè)計擬對該兩段采用干砌石護岸，長486m。干砌石護岸厚0.71m，下設(shè)0.15m厚砂卵石墊層，斜坡坡比為1:2.5，干砌石護岸頂設(shè)置0.3m×0.9m（寬×高）C20砼壓頂，干砌石護岸頂高程平岸頂高程，底高程為現(xiàn)狀河灘高程。C20砼壓頂每5m分一縫，縫寬2cm，采用瀝青杉板填縫。干砌石護岸應(yīng)確保砌筑質(zhì)量，塊石要求穩(wěn)固，無松動、架空現(xiàn)象。所用石料必須質(zhì)地堅硬、新鮮完整，無裂縫，且不易風(fēng)化，石塊形狀要大致整齊，應(yīng)敲去鋒邊尖角，表面應(yīng)沖刷干凈；塊石平均粒徑不宜小于30cm，塊石密度，抗壓強度，軟化系數(shù)≥0.7。1.2.5滲流穩(wěn)定分析計算根據(jù)本工程的實際情況，現(xiàn)有部分土堤斷續(xù)分布，經(jīng)防洪設(shè)計后本設(shè)計河段全部滿足十年一遇防洪要求，并在兩岸堤頂新建C25混凝土防汛公路，其高程基本都高于現(xiàn)有河岸高程。由于本工程十年一遇洪水頻率較低，且洪水持續(xù)時間較短，而且背水面原有地面線高程較高，一般都高于常水位，因此本工程不對河堤進行滲流分析。1.2.6河堤斷面抗滑穩(wěn)定分析本設(shè)計河堤抗滑穩(wěn)定分析取控制斷面右岸作為典型計算斷面，其樁號為右K1+172。此斷面頂寬4m，迎水坡面坡度1：2.5，背水坡面坡度1：2。（1）土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)選取典型計算斷面土體土性參數(shù)見表1.10，抗滑安全系數(shù)的取值參照下表1.11。表1.10斷面土性參數(shù)巖性指標(biāo)堤基內(nèi)摩擦角φ（°）16.6容重γ（g/cm3）1.56滲透系數(shù)K（cm/s）5.91E-06水下內(nèi)摩擦角φ（°）14.6水下凝聚力c（kPa）26.6凝聚力c（kPa）28.6表1.11土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)堤防工程設(shè)計級別5安全系數(shù)（簡化畢肖普法）正常運用條件1.20非常運用條件1.10（2）抗滑穩(wěn)定計算根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013），對護岸迎水面進行穩(wěn)定計算，計算方法采用簡化畢肖普法，利用簡化畢肖普公式（1.10）計算。本次計算只考慮迎水面無水的情況下。圖1.3典型斷面危險滑裂面根據(jù)CAD繪制的危險滑裂面圖，可得具體各個條塊的寬度b，面積S以及相關(guān)數(shù)據(jù)如下表1.12所示：表1.12危險滑裂面條塊相關(guān)數(shù)據(jù)條塊序號土條寬度(m)(㎡)(m)(kN)(kN)(kN)-11.1680.385-1.687-0.147-0.1470.2986.0115.946-0.88201.1681.064-0.584-0.051-0.0510.29825.00724.974-1.27111.1681.6030.6500.0570.0570.29831.21931.1691.76721.1682.0011.8190.1580.1590.29835.17234.7285.56731.1682.2552.9870.2600.2630.29836.71835.4559.54541.1682.3544.1550.3620.3700.29836.71834.23311.27851.1682.2795.3240.4630.4820.29835.54931.50316.47161.1682.0046.4920.5650.6000.29831.25625.78917.66071.1681.4747.6600.6670.7300.29822.99817.14115.33281.1680.5958.8290.7680.8760.2989.2745.9367.126合計269.921246.87484.592（1.10）（1.11）式中：——安全系數(shù)；——第i個條塊的參數(shù)（i=-1、0、1、2…7、8）；——第i個條塊土體的粘聚力，均取28.6kPa，kPa；——第i個條塊的寬度，均為1.17m，m；——第i個條塊的重力，kN；——第i個條塊土體的內(nèi)摩擦角，均為16.6°；——第i個條塊圓弧中點到圓心線段與圓心到地面垂線的夾角，左邊為負(fù)，右邊為正，°；因上述公式（1.11）中含有，因此無法直接求出其值，需要通過試算迭代求。①第一次試算先假設(shè)，代入公式（1.11）計算出每個條塊的參數(shù)。其中-1號條塊計算如下：同理可得其它條塊的參數(shù)如下表1.1.3。表1.13試算1參數(shù)值-10123456780.9450.9841.0151.0351.0431.0401.0240.9940.9440.8691.0581.0170.9850.9670.9590.9610.9761.0071.0591.151將上述數(shù)據(jù)代入公式（1.10）可計算出。②第二次試算將試算1中得出的，代入公式（1.11）計算出每個條塊的參數(shù)值如下表1.14所示。表1.14試算2參數(shù)值-10123456780.9810.9961.0010.9960.9800.9520.9120.8560.7820.6821.0191.0040.9991.0041.0211.0501.0971.1681.2791.466將上述數(shù)據(jù)代入公式（1.10）可計算出。③第三次試算將試算2中得出的，代入公式（1.11）計算出每個條塊的參數(shù)值如下表1.15所示。表1.15試算3參數(shù)值-10123456780.9820.9961.0010.9950.9790.9510.9100.8540.7790.6791.0191.0040.9991.0051.0221.0521.0991.1721.2841.473將上述數(shù)據(jù)代入公式（1.10）可計算出。④第四次試算將試算3中得出的，代入公式（1.11）計算出每個條塊的參數(shù)值如下表1.16所示。表1.16試算4參數(shù)值-10123456780.9820.9961.0010.9950.9790.9500.9090.8530.7790.6791.0191.0040.9991.0051.0221.0521.1001.1721.2841.474將上述數(shù)據(jù)代入公式（1.10）可計算出。經(jīng)過上述四次試算發(fā)現(xiàn)，第三次和第四次計算得出的安全系數(shù)相同，因此最終取。其值大于表1.11中允許的安全系數(shù)值。因此本河堤斷面抗滑穩(wěn)定符