防洪堤结构设计分析与复核计算

关键词：防洪；防洪提；复核；计算 

　　0 引言

　　每年，许多建造在大江大河旁的因为防洪涝工作没有实施或者做好，一到了雨水多的时期就会容易遭到洪涝灾害的摧残。这严重影响了人们的学习工作还有生命财产安全，已经成为了设计工作人员急需解决的问题。下面以某县城防洪堤结构设计和复核对如何做好这项工作进行讨论。 

　　1 堤防设计概况 

　　某期防洪堤设计堤型采用重力式防洪堤，堤身材料为浆砌块石。堤顶宽3m，最大堤高30.267m，最大底宽20.675m。防洪堤迎水面设置1：0.1坡度，堤背面设置1：0.15坡度。在308及297高程分别设有4m×3m的休息平台，防洪堤中间标准断面在304m高程设有8m宽的临江看台。此外，在某期防洪堤的两端均设有4m宽的梯步下至304m高程临江看台，并设4m宽的下河梯步至河边。防洪堤基础与基岩接触面为500mm厚C15砼垫层。防洪堤后为广场，系原冲沟设一排水涵洞后回填土石所建成，到目前为止回填时间不到一年。防洪堤堤身设排水孔，间排距为3m，呈梅花型布置，堤背回填土石料并设置塑料排水盲沟和堤背碎石层的排水系统。 

　　2 复核断面选取及复核工况 

　　2.1 复核断面的选取 

　　复核断面选取时，兼顾堤高、堤底宽、堤背倾斜（或铅直）、堤背填土高度及堤的断面大小，根据防洪堤实际开挖和回填断面图以及防洪堤实际施工的标准断面图，选取以下6个有代表性的实际施工标准断面，作为本次复核所用标准断面。 

　　2.2 复核工况的确定 

　　根据防洪堤的运行条件，计算工况按极端情况考虑，分为枯水位和设计洪水位两种工况，具体如下： 

　　1）非常运用条件。外江水位升高至设计洪水位312.0m（P=5%），相应的荷载组合为： 

　　堤背土压力（含人群荷载引起的）+堤背填土压重+堤背水压力+基底扬压力+堤自重+外江静水压力+外江水压重 

　　2）正常运用条件。外江水位骤降，并降至河床常年水位293.0m，相应的荷载组合为： 

　　堤背土压力（含人群荷载引起的）+堤背填土压重+堤背水压力+基底扬压力+堤自重+外江静水压力 

　　3 施工完成后防洪堤结构复核 

　　3.1 复核计算内容及公式 

　　3.1.1 计算内容 

　　防洪堤的抗滑稳定安全系数Kc、抗倾稳定安全系数K0、基底最大压应力σmax和最小压应力σmin等参数。 

　　3.1.2 计算简图 

　　G1：浆砌石堤体自重，kN；G2：填土压重，kN；G3：堤前水体压重，kN；U：基底扬压力（为负值），kN；Pw1：堤前水压力，kN；Pw2：堤背水压力，kN；Pa：主动土压力，kN；H：堤背填土高度，m；H1：堤背水位线以上的填土高度，m；H2：堤背水位线以下的填土高度，m；Hw1：堤前静水压力水头，m；Hw2：堤背静水压力水头，m。 

　　3.2 计算公式 

　　3.2.1 抗滑稳定公式 

　　防洪堤的抗滑稳定安全系数按下式进行计算： 

　　Kc=fΣW/ΣP 

　　式中：Kc为抗滑稳定安全系数，正常运用条件应满足Kc≥1.05，非常运用条件应满足Kc≥1.0；ΣP为作用于堤体上的全部水平力的总和，kN；ΣW为作用于堤体上的全部垂直力的总和，kN；f为底板与堤基的摩擦系数。 

　　3.2.2 抗倾稳定公式 

　　防洪堤的抗倾稳定安全系数按下式进行计算： 

　　K0=ΣWV/ΣMH 

　　式中：K0为抗倾稳定安全系数，正常运用条件应满足K0≥1.45，非常运用条件应满足K0≥1.35；MV为抗倾覆力矩，kN・m；MH为倾覆力矩，kN・m。 

　　3.2.3 基底应力公式 

　　防洪堤的基底压应力按下式进行计算： 

　　σmax，min=ΣG/A±ΣM/ΣW 

　　式中：σmax，min为基底的最大和最小压应力，kPa；ΣG为作用于堤体的垂直荷载，kN；A为底板面积，m2；ΣM为荷载对底板形心轴的力矩，kN・m；ΣW为底板的截面系数（bh2/6），m3。 

　　3.2.4 堤背土压力计算的有关说明 

　　堤背倾斜，并且填土表面水平、堤背倾角较大，常采用简便的朗肯理论（将倾斜堤背等效变为铅直堤背，见图2）来计算堤背的土压力。 

　　1）堤背主动土压力按下式计算： 

　　Pa=γH2Ka/2+qHKa-2cHKa1/2 

　　式中：Pa为主动土压力，kN；γ为堤后回填土容重，kN/m3；H为填土高度，m；Ka为库伦理论的主动土压力系数，Ka=tg2（45°-φ）；q为填土表面人群荷载，kN/m3；c为填土黏聚力，kN/m2；φ为回填土内摩擦角，（°）。 

　　上式中若c=0，并且填土中有水时，这种情况下主动土压力用下式计算： 

　　Pa=γH12Ka/2+γH1H2Ka+γ1H22Ka/2+qHKa 

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

　　2）堤背静止土压力用以下两种方法分别进行计算： 

　　①采用K0法。 

　　P=γH2K0/2+qHK0 

　　式中：K0为静止土压力系数，近似按下式计算K0=1-sinψ（ψ为填土的有效内摩擦角）； 　　②采用主动土压力增大系数法。 

　　P=1.25Pa 

　　3.3 结构复核成果 

　　3.3.1 外江水位升高情况 

　　外江水位升高至设计洪水位312.0m（P=5%），计算时堤背土压力按静止土压力计算（不考虑回填料的黏聚力，即c=0）。 

　　1）堤背静止土压力按上述第①种方法（K0法）计算。由计算结果可以看出，各断面均有KC>1.0，K0>1.35，满足堤防设计规范要求；σmax<〔σmax〕=1000kPa，并且基底不会出现拉应力，满足地基承载力要求和规范要求。 

　　2）堤背静止土压力按上述第②种方法（即主动土压力增大系数法）计算。由计算结果可以看出，各断面均有KC>1.0，K0>1.35，满足堤防设计规范要求；σmax<〔σmax〕=1000kPa，并且基底不会出现拉应力，满足地基承载力要求和规范要求。 

　　计算静止土压力时，由于静止土压力系数难以准确确定，常采用一些近似的计算方法计算。上述第①种计算堤背静止土压力的方法（K0法）主要适用于正常固接黏土，第②种计算堤背静止土压力的方法（主动土压力增大系数法）为计算静止土压力的常用方法，考虑到堤后回填时间不长，本次复核计算以主动土压力增大系数法计算的成果为准。 

　　3.3.2 外江水位骤降情况 

　　外江水位骤降（降至河床常年水位），堤背水位较高。这种情况下防洪堤有向临江一侧移动的趋势，堤背土压力按主动土压力计算。 

　　由复核成果知，若不考虑回填料的黏聚力，堤背水位在不高于304m高程时（若考虑回填料的黏聚力，则为308m），各断面均有KC>1.05，K0>1.45，满足堤防设计规范要求；σmax<〔σmax〕=1000kPa，并且基底不会出现拉应力，满足地基承载力要求和规范要求。为了安全起见，对于外江水位骤降的情况，本次复核以不考虑回填料黏聚力的计算成果为准。 

　　由前述成果可知，当外江水位为设计洪水位时，堤防抗滑、抗倾及基底应力均满足规范要求。当外江水位骤降（下降至河床常年水位293.0m）时，若无排水系统或排水失效，有多处断面在抗滑、抗倾和及基底应力方面均不满足规范要求。可见外江低水是本工程的控制工况，其计算结果汇总见表1（单位均为m）。 

　　综合各断面的计算成果，堤背水位只要通过排水系统控制不超过304m高程，则堤防安全可以确保，堤背水位越低越有利，这也充分说明了排水系统的重要作用和意义。 

　　5 结语 

　　由上可见，该防洪堤在各方面均符合规范要求，结构稳定，能够应用于该县城区防洪防涝工作中。我们要做好防洪堤施工前的复核工作，进行严密的计算，使施工时防洪堤结构更加坚实耐用，能为人们的生命财产做出应有的贡献，创造更好的经济和社会效益。 

　　参考文献： 

　　[1]田启鹏.浅析结构设计方案优化体会[J].城市建设理论研究，2013年第1期. 

　　[2]何杰平.城市防洪堤设计工作中常见问题如何解决[J].城市建设理论研究，2011年第26期.