防洪堤堤线布置和堤基防渗问题探讨
1、前言
随着工农业生产的快速发展，防洪问题对国民经济的影响及可持续发展的制约越来越突出，特别是淮河、长江两大流域相继发生特大洪水后，更是引起国家和各级政府部门的高度重视，引发了新一轮的水利建设热潮，尤为各级防洪工程的投建。对于每个工程技术人员来说，如何采取合理、有效的措施，确保各项防洪工程的安全、经济，都是需要深思熟虑的问题。
本文就防洪堤建设设计堤线布置和堤基防渗处理谈谈自己的看法，以供参考。
2、防洪堤堤线布置和选择
防洪堤堤线布置和选择的优劣，直接关系到整个工程的合理性和建成后所发挥的功用，尤其对工程投资大小影响重大。堤线布置和选择时，应根据防洪规划，地形、地势、地貌和地质条件，结合现有及拟建筑物的位置、型式、施工条件和河流历史演变，充分估计下伏层地质状况，经过技术和经济比评后综合分析确定。
2.1在地形地势上，应避开淤滩泛滩、崩岸、沉积等原因形成的地带，这些地带从实地看一般略高，原为河道过水的一部分，其下伏地层一般由淤泥、砂、卵砾层组成，透水性强，层土较为松散，稳定性低；开挖、压填或防渗处理工程量大，从投资上和处理难度上均不可取。而处于河岸边的阶地，从实地看一般较高，一般粘性土覆盖层较厚，地势较高，土层密实，可考虑作为新筑堤的基础。
2.2在地貌上，由于河堤一般紧排居民集居地，改变堤线比较困难，因此在堤线选择上，既要注意结合堤型的选择，尽量做到少占耕地少拆迁，又要结合防洪留有适当余地，根据河流制导线要求，布置留有适当宽的滩地。由于占地拆迁费用很大，牵扯多，处理复杂，往往会导致工程开工困难和工期拖延，故堤型的选择极为重要。按照因地制宜、就地取村原则，结合地形、地势和地质状况，选择合适的堤型，如斜坡式堤、直挡墙式堤或直斜复合式堤等，同时考虑采用加筋土、挡墙式、沉箱式等工程技术措施使得堤型和堤线布置均可行。
2.3堤线布置时，应进行实地踏勘，翻阅历史记载，深入实地集居地调查收集洪灾资料，对河道的历史演变、改道、泛滥情况进行充分的调查，尽量能避免穿越故河道和历史泛滥区，从而减少堤基处理措施，节省投资。
3、防洪堤基础防渗处理
堤线布置选择主要是根据防洪规划和保护对象的要求，或历史形成的，对堤防基础条件好坏考虑较少，加上堤防工程面广线长，什么基础都能碰到，而国家资金的投入有限，故堤防基础处理困难是比较大的。
堤基的土层结构及各土层厚度、水文地质状况，还有需加以探明的天然暗沟和动物巢穴（如白蚁洞）等，决定了防洪堤的防渗处理方案。针对建于河岸边的大多数防洪堤的堤基，地层性质为沉积（或冲积）土形成，地层多以砂层和卵砾石层为主，土层结构由粘性（或砂性）土、淤泥、砂、卵砾构成的复杂地基。以下就谈谈对此类堤基的防渗处理：
3.1对于相对不透水层埋藏较深、透水层较厚的堤基，当临水侧有稳定滩地时宜采用水平防渗处理，一般是采用铺盖的方法；当临水侧滩地难以满足设铺盖时，也可考虑采用粘性土截水槽或建造地下截水墙方法；以上两种方法均是起到延长渗径，减小水头压力作用，使堤防难以达到稳定渗流，从而保护堤防安全。铺盖防渗是国内外常用的方法，如长江无为大堤中的惠生堤是用长度30m的粘土铺盖防渗，经多次洪水考验，卓有成效。
3.2对于由粘性土、砂卵砾构成的浅层透水堤基，宜采用粘性土截水槽或其他垂直防渗措施截渗。此类堤基结构一般为上部堤是较厚的粘性土层，中间为砂或卵砾石强透水层，下部为相对不透水层，形成双层地基，其破形成主要有以下两种：
3.2.1地面上部粘性土层破坏，堤内地下水潜伏，渗透破坏表现为管涌、沸砂。
此类破坏多发生于堤后池塘、沟渠或耕植土深挖处，需进行填塘固基处理。
3.2.2有粘性土盖板情况下，堤内地下水为承压水。由于河床较深，与堤基强透水层相通，当洪水期时水位抬高，压力增大，粘性土顶板遭冲决而产生激涌、沸砂和地表塌陷。
此类破坏一般是由于粘性土盖板较薄，承压水头太大引起的。如漳州市保护市区的石堤堤段，全长2.175公里，1986年以前石堤后的澄观道居民区，一来洪水就到处发生管涌沸砂，虽经填堵和设置减压井，及未能解决问题，1985年发生洪水（约相当于十年一遇）时连离堤脚100多米的水井仍然冒水出流。1986年在堤基下构筑高压喷射混凝土防渗墙，桩号0+000～0+760为悬挂式，0+760～2+175为封闭式（即防渗墙构筑至不透水层），原来严重漏水段（1+100～1+300和1+400～1+800）在构筑防渗墙后，堤后漏水已得到解决，严重漏水段（0+150～0+300）堤后漏水情况也得到大大改善，运行至今效果良好。
3.3对于由粘性土或淤泥、砂、卵砾构成的深层透水堤基，宜采用堤后压载、设排水减压沟或减压井等措施，使得堤基渗出口渗透坡降小于允许渗透坡降。当表层弱透水层较厚时，宜采用堤后压载；当表层弱透水层较薄时，可考虑采用减压沟或减压井。如安徽长江同马大堤，透水层厚达100m，表层为弱透水层，为了保护大堤，在汇口、乔墩、朱墩、甘家桥四段采用减压井处理，共设67口减压井，已运用多年；而采用堤后压载的就更多，如长江和淮河堤防就多处采用堤后压载，都取得预期的效果。
减压沟（井）始建工程量小，但管理维护工作量大，特别是减压井容易淤堵，洗井费用很高；堤后压载始建时工程量大，有时铺盖料要经过远程运输，费用较大，但管理维修容易。故应根据具体堤防的实际情况，经过全面论证，选择经济合理的处理措施。同时，通过经济技术比评还可结合其他工程措施如采用悬挂式防渗墙一起来处理堤防防渗。如保护漳州市区的康山土堤的防渗加固：
该段土堤建成于1961年，堤身高度5～7m，堤身蚁穴隐患多，堤身较为单薄，堤基渗漏严重。1984年曾挖蚁穴21处，并在做劈裂灌浆时下了666药粉，但仍杜绝不了，常是此灭彼生。从堤基的地质资料揭示，堤基属冲洪积和淤积层，由透水性强的砂土层、砂层和卵石层组成，堤基强透水层达16～24m，因修建堤防时，未对地基作适当处理，汛期外江水位上涨，堤内便发生不同程度的渗透管涌。为了使堤防能抗御百年一遇洪水，除需加厚堤身外，应特别处理好堤身及堤基的渗漏问题，并杜绝白蚁繁殖生灾。经过方案比较，确定采用设置减压井和构筑射水法悬挂式混凝土连续防渗墙相结合的处理方案，首先在漏水严重地段的堤后设置减压井以降低渗流渗出口渗透坡降，同时在堤的迎水坡上穿过堤身构筑射水法悬挂式混凝土连续防渗墙以增长渗径，有效地切断白蚁取水通道而杜绝白蚁隐患，经过渗流计算时，当防渗墙进入堤基长度足够使堤基渗出口渗透坡降小于允许渗透坡降时，堤后就不产生管涌砂沸，故能有效地解决堤身和堤基的防渗问题。而且施工机械化，工效快、技术上有把握。
4、结束语
4.1笔者认为，防洪堤是保护国家和人民生命财产的生命线工程，堤线长，保护范围广，工程和资金投入巨大。因此，堤线的布置和选择应经过充分论证，经过各方面的综合比较，才能达到最经济、安全和合理。
4.2其次，防洪堤堤基防渗是堤防建设的一个关键问题，要根据堤身堤基的历史现状，通过勘探全面了解堤基组成和各土层情况，通过经济技术比较，采取合理、有效和经济和处理措施。
总之，堤防工程建设关系重大，不仅在堤线布置和堤基防渗问题处理上，其他各方面我们也得从为国家和人民利益出发，认真、细致做好每一项工作。
桥梁工程箱梁悬臂桥板的结构计算简析
2010-9-17 15:9 来源于网络 【大 中 小】【打印】【我要纠错】
箱梁桥板由于整体性好，其混凝土受压区能较好地承受正、负弯矩，在一定的截面面积下还能获得较大的抗弯惯矩，抗扭刚度大，即使在偏心的活载作用下其各梁肋的受力也比较均匀，并能做成各种复杂形状，同时具有立体感强和美观等优点。其主要设计构思是在抗扭刚度大的箱梁上从两处挑出足够长的悬臂，这样不仅满足了使用要求，而且经济指标优越，同时又最大限度地减少了桥墩墩身和基础宽度。因此在江浙运河一带大中跨径桥板设计方面运用广泛，随着现代化城市高架桥的快速发展，目前箱梁的发展也正逐渐趋向大箱配大悬臂板形式。
针对目前箱梁桥板的发展趋向，为满足其安全和可靠的要求，对于悬臂板纵向弯曲受力情况应引起足够重视。目前箱梁桥板工程中常常出现的箱梁腹板根部发生裂缝，根据现场检测：发现其裂缝具有腹板根部粗、两侧逐渐减小的特点；根据分析初步判断是由于设计时只考虑了桥板的整体受力，但却忽视了悬臂板纵向弯曲的问题，因此纵向受力钢筋在底板处虽已配足，但由于纵向受力钢筋在底板处系采取平均布置，而非按实际受力情况布设，从而造成腹板根部局部承载能力不足，并导致横向裂缝的产生。
1．悬臂板结构受力情况分析
1.1悬臂板受弯分析
在结构设计中往往将复杂的空间结构简化为直观的平面问题来进行考虑，但就复合式箱梁悬臂桥板而言，它是空间结构。因为悬臂板与腹板间结构高度发生突变，导致两者形心跳跃，由于恒活载在箱梁横截面内各部件的内力与应力变化十分复杂。如采用电算时，常常把箱梁作为整体空间结构来进行分析，其纵向受力计算通常只考虑了板的整体弯曲结构验算，而忽视了悬臂板受力的不均匀性，其主要受力部位的纵向弯曲往往成为结构计算的盲点。
如图2所示的箱梁悬臂板在恒活载作用下除会发生横向弯曲变形外也常常会发生纵向弯曲变形。 由于箱梁悬臂板为薄壁构件，其高度不到梁高的三分之一，但又要传递较大的垂直和水平应力，这就使它成为上部结构中的薄弱部位，并在悬臂根部产生应力集中和开裂的现象。在悬臂板横断面设计时其悬臂长度与端部厚度通常均参照有关图表，并根据横向预加应力或布设钢筋等情况而定，当悬臂过长时恒活载则会在悬臂根部产生很大的剪切力，并导致在悬臂侧腹板产生纵向弯曲应力，所以结构设计时可将此剪切力作为外荷载处理，并根据此剪切力产生的弯矩在腹板侧配足够的受力钢筋，也就是说箱梁整体验算的基础上对纵向受力钢筋在底板的布置应按受力情况重新进行配置。
而目前采用的电算程序往往只注意将纵向抗弯钢筋平均分配在箱梁底板上，虽然根据计算纵向受力钢筋已经配足，但按其实际受力情况特点分析由于在悬臂侧腹板根部会出现应力集中，而在腹板根部两侧渐递减小。如按常规设计就会造成悬臂侧腹板内纵向受力钢筋配置不合理，从而导致箱梁悬臂板侧腹板根部抗弯能力不足，并产生裂缝。
2．悬臂板强度验算
根据悬臂板的空间受力特点，应对悬臂板的横向和纵向分别进行计算。
2.1悬臂板的横向抗弯强度验算
由于悬臂板的横向抗弯强度验算各类参考书中都已有详细介绍，故本文不作探讨。
2.2悬臂板的纵向结构强度验算
我们可以考虑换个角度思考问题，如单独考虑悬臂板参与纵向受力，由于板的厚度过小加上承载能力不足，其纵向一定会发生断裂。考虑到箱梁悬臂板受力的特点可知由于悬臂板的纵向受力可与比邻的腹板共同承担，但计算腹板厚度时不宜超过悬臂根部高度。由于纵向最大弯矩通常均发生在与悬臂板比邻的腹板跨中根部，故计算时受力简图可取脱离体——倒L形截面按T形简支梁验算。
恒载考虑悬臂板、腹板、铺装层等重，活载可考虑在脱离体布置的车辆荷载。按简支T形梁进行抗弯及抗剪强度计算，根据计算所得的钢筋全部布设在桥板悬臂根部。
2.3悬臂板的钢筋布置
由于悬臂板在纵向的抗弯能力可由最近的腹板共同承担，则在腹板内需配置能足够承担此弯矩的钢筋骨架或是预应力钢筋，如图4所示。
3．案例
某人行桥采用C40箱梁桥板，跨径12m，计算跨径l=11.4m，设计人群荷载5kN/m2，桥面毛宽3.6m，净宽3.1m，铺装层采用5~7cm厚的混凝土，上铺3cm厚花岗岩，路面作成1.5%纵坡，不设横坡。桥面由2块板组合，宽度180cm，（预制宽度179.5cm，留0.5cm为施工调节裕量），板厚为70cm，两侧设置栏杆。
（1）荷载计算
桥面板自重：15.44T(含铰缝及封头缝)；桥面花岗岩：1.24T；铺装层4.29T；栏杆：2.4T。每块桥板恒载设计值：g=2.337T/m；活载设计值：q=1.085 T/m。
（2）整体强度验算
按简支梁计算弯矩：M跨中=55.59T·m，按T形梁截面配筋计算需配置14根φ20Ⅱ级钢筋。
（3）左侧悬臂板局部强度验算
悬臂板纵向弯曲强度验算按图3取脱离体按T形截面进行配筋计算（本文右侧悬臂板强度验算及其它验算略）。脱离体荷载计算：脱离体自重：0.395T/m；桥面花岗岩：0.024T/m；铺装层0.18T/m；栏杆：0.2T/m。恒载设计值：g=0.959T/m；活载设计值：q=0.273T/m。
按简支梁计算弯矩：M跨中=20.01T·m，按T形梁截面配筋计算需配置4根φ20Ⅱ级钢筋。钢筋布置如图4所示（其他钢筋未示）。
4．结语
4.1目前通行的悬臂桥板计算由于只考虑了板统一的整体空间结构，而忽视了局部悬臂板受力的不均匀性，特别是忽略了纵向弯曲受力的特点，其受力钢筋往往是均匀布设而不是按受力特点布设，因而是常常会导致悬臂板根部应力集中处发生裂缝。
4.2本文介绍的计算方法系按悬臂板实际受力特点布设受力钢筋，因而在其根部可以避免出现裂缝，并保证了箱梁悬臂板的安全运行。
4.3对于外挑长度超过2.0m的箱形悬臂板，建议对悬臂板加设加劲肋或加斜撑间隔布置，通过加强的加劲肋或斜撑传力，以避免外挑悬臂板在纵向产生过大的弯曲应力。
