红岩渠石亭江涵洞加固方案
2015-07-13
1 工程概况
红岩渠穿石亭江涵洞位于什邡市洛水镇与绵竹市广济镇交界之石亭江上，始建于1966年春，1969年竣工。主体为卵石拱涵洞，总长430m（入口闸门到出口泄水闸）。红岩渠穿石亭江涵洞设计流量为20.0m3/s，灌溉面积达17.08万亩。2013年7月4日、8日和10日，灌区普降暴雨，石亭江高景关水文测站洪峰流量达2710m3/s，是建国以来最大的洪水。根据洪水频率查询，石亭江约50年一遇洪水。本次洪水造成红岩渠穿石亭江涵洞下游河床下切，涵洞顶部与下游河床高差达20余米。消力池左岸挡土墙垮塌，消力池大部份被冲毁，涵洞下游斜坡局部悬空，直接威胁到涵洞本身的安全，涵洞一旦失事，将导致该涵洞下游灌区17.08万亩农田灌溉用水中断。
2 工程总体布置
工程总布置的原则是，根据地形地质条件以及河流特征，合理选定各建筑物的形式，在确保建筑物安全运行的基础上，尽量力求运行安全、管理维护方便，节省工程量，降低工程投资。根据选定的红岩渠石亭江洛水段、广济段河道整治方案（根据河道上游已建堤防安全超高和行洪安全，使河道水流逢正、归槽，将涵洞洞顶行洪断面由原来的385m缩窄至315m。），在涵洞顶与下游河道22.17m落差范围内，修复石亭江该河段河床陡坡连接工程及消能工程，使上下游河床良好衔接，加固两岸堤防和护岸工程。
涵洞顶与消力池间修建C35抗冲耐磨砼陡坡连接涵洞顶与消力池，涵洞顶高程604.8m，与原涵洞顶高程一致，陡坡段水平投影总长50.72m，陡坡坡比为1：2。消力池底板高程580.00m，池深4.5m，池长50m，池后接C30砼防冲槽，防冲槽埋深12.0m。陡坡段与消力池段两岸边墙采用重力式挡土墙结构，挡土墙采用C25埋石砼结构，消力池末端河道堤防采用C25埋石砼面板堤型，上下游、左右岸堤防护坡新建总长度1350m。上游护坡与挡土墙和消力池边墙与下游护坡以扭面渐变衔接，护坡末端与河段已建护岸衔接并封头，涵洞顶采用空箱式挡土墙结构。斜坡段与消力池垂直水流向宽度均为315m。
2.1 空箱式挡土墙
为使河道水流“逢正、归槽”，根据河道上游已建堤防安全超高和行洪安全，将涵洞洞顶行洪断面由原来的385m缩窄至315m。洞顶修建钢筋砼空箱式挡土墙，挡土墙与上游重力式挡土墙相接。空箱式挡土墙高4.55m，总长9.6m，总宽5.0m，分四个箱体平均布置，空箱内用碳渣回填，每箱体底部设φ50mm排水孔。
2.2 陡坡
涵洞顶与消力池间修建C35抗冲耐磨钢筋砼陡坡连接段连接洞顶与消力池，洞顶高程604.8m，与原涵洞顶高程一致，陡坡坡比为1：2，陡坡段水平投影总长50.72m。
新建陡坡上段，针对原陡坡的现状（表面已磨损），在现存陡坡段上植φ20钢筋，间距2.0m，梅花形布置后，浇筑厚0.5mC35抗冲耐磨砼与原陡坡衔接，该段顺水流向水平投影长度为24m，陡坡首端与洞顶采用水平面板衔接，衔接段嵌入涵洞顶砼面板内2.0m与原洞顶高程一致，水平衔接段后与斜坡段起坡点采用圆弧连接，圆弧半径2.0m，新建C35抗冲耐磨砼面板设Φ50PVC排水管，排水管与原有排水管相连。
2.3 消力池
本项目内消能方案采用下挖式消力池消能，消力池底板高程580.00，尾坎顶高程584.50m，池深4.5m，池长45m。消力池底板厚2.0m，分2层结构进行浇筑，底板面层采用0.5m厚C35抗冲耐磨砼结构，底板下层采用C30埋石砼结构，消力池底板设φ50PVC排水管，间距2.0m呈梅花型布置的排水管，下设0.4m厚反滤层。消力池后尾坎采用1：0.5的斜坡。面层采用C35抗冲耐磨砼结构，下层采用C30埋石砼结构。消力池底板与斜坡段、边墙连接处均设置沉降缝，消力池底板在中间位置设置沉降缝，纵向每15m设置沉降缝。
2.4 防冲槽
为进一步消除水流剩余能量，使水流在较短距离内均匀扩散到下游河床全断面，减小水流折冲，保护消力池后面的一定范围河床和河岸不受冲刷，保证消力池的安全，必须对消力池后一定范围内的河床进行防护。因此，在消力池后设置防冲槽，防冲齿墙水平段长2.0m，厚2.5m，防冲齿墙斜坡坡比1：2，防冲齿墙总高12m，齿墙厚1.2 m，采用C30砼浇筑，齿板基础底宽5.0m，高2.0m，采用C30砼浇筑。
2.5 陡坡边墙与消力池边墙
根据地形及工程布置，河段堤顶与河床高差达20m以上，为防止堤防破坏，需修建陡坡段边墙和消力池边墙与堤防护坡衔接。高边坡边墙设计采用重力式挡土墙，墙身采用采用C25埋石砼结构。
重力式挡土墙总高度5.53-14m，墙顶高程590.00-607.24m，陡坡首端边墙高5.53m，末端与消力池边墙相交处高14.0m，顺水流向水平投影长49.4m，首、末端边墙渐变衔接，渐变段基础为阶梯式基础，阶梯高1.0m宽2.0m，在边墙中部设沉降变形缝，缝内填沥青杉木板。重力式挡土墙墙顶宽1.0m，在重力式挡土墙墙板上设置φ5cm间距2.0m呈梅花型布置的排水管，排水管管后设级配砂卵石反滤层并用透水土工布包头。
3 陡坡段建筑物设计
3.1 陡坡段流速计算
根据红岩渠石亭江洛水段、广济段河道整治工程范围内红岩渠石亭江涵洞的具体情况，2013年“7.9”洪水后，冲毁原涵洞消力池部分，仅余原工程部分消力池底板和全部涵洞陡坡，由于红岩渠石亭江涵洞处于石亭江中上游，推移质大。故陡坡设C35抗冲耐磨砼面层。
经计算，陡坡上最大流速达18.38m/s，掺气水深为0.82m。因此在设计时，在原陡坡上新浇筑0.5米C35抗冲耐磨砼（AFC35）和新建1：2陡坡面层浇筑0.5米C35抗冲耐磨砼（AFC35）以达到砼的抗冲耐磨性。
3.2 陡坡段稳定计算
3.2.1 设计计算方法
采用边坡稳定计算的毕肖普计算法，计算参数选用线性指标。
计算程序采用河海大学土石坝边坡渗流、稳定有限元分析系统Autobank7.exe。
3.2.2 计算成果分析和拟定支护措施：
计算滑弧顶部在边坡内侧，下部滑出点位于边坡较陡的坡脚临空面处。从计算所得滑动面来看，滑带主要在地层物性指标较差的各类砂卵石中，因而计算成果是合理的。
消力池（除正常运用及非常运用Ⅱ工况）及齿墙边坡的抗滑稳定安全系数计算值在各工况下均满足规范要求值。
稳定计算结果说明消力池边坡支护按照实施方案设计是合理的。由于消力池边坡在正常运用及非常运用Ⅱ工况下的抗滑稳定安全系数计算值略低于规范要求值，且消力池底板置于砂卵石层基础。
4 结束语
该工程为在砂砾石河床上修建上下游落差达20余米的河道衔接建筑物，在国内的类似工程少，成功地利用本衔接型式，不仅保证了原工程的安全，同时也节约了投资，也为在平原河道建筑物的上下游在的落差进行工程衔接积累了经验。
