（交通运输工程专业论文）水毁路基边坡保护工程设计及二维数值模拟.pdf

摘要 摘要 河龙高速公路是我国东营至香港的国家重点公路建设项目的重要组成部分， 也是广东省“十五”期间规划建设的重点工程项目之一。该公路位于河源清溪河 段，在2 0 0 5 年6 月的东江流域特大洪水中受到严重的毁坏，沿岸边坡发生坍塌。 本论文结合工程路段的实际情况，采用航道整治工程对坍塌的边坡进行保护。 河源清溪河段属典型的弯曲河道，弯曲河道的水流因受离心力的作用，整个 水体向凹岸壅高，凸岸水面变低，从而产生了面流指向凹岸、底流指向凸岸的螺 旋状水流。由于河道表层水流较清，含沙量较小，底层水流较浑，含沙量较大， 表层的清水冲向凹岸，使凹岸遭到冲刷，冲刷产生的泥沙以及上游挟带下来的大 粒径沙卵石，由底流推移至凸岸产生淤积，并在凸岸形成边滩。因此，在弯道环 流的作用下，土质松软的工程河段凹岸不断受到冲刷，并不断地坍塌后退，特别 是在2 0 0 5 年东江流域特大洪水的作用下，刚刚竣工的高速公路以及河边的乡道路 基的基础被洪水淘空，因此导致了边坡失稳、路面下陷等严重问题。 本论文借鉴国内外众多专家对公路水毁问题的研究成果，在认真勘察工程现 场和了解所在河段的地质、水文、泥沙特性的基础上，详细分析了公路水毁的原 因和机理，提出了采用短丁坝和护岸相结合的航道整治工程措施来保护公路水毁 边坡的设计方案，并采用数值模拟方法，对设计方案的工程效果进行了验证和比 选。本论文提出了两种整治线走向的四种工程设计方案，即根据整治线的离岸距 离分为较长丁坝的两种方案和较短丁坝的两种方案。同时还进行了桩式护岸的设 计，并在技术性和经济性两方面与筑坝方案进行了比选。 数值模拟采用沿水深积分的平面二维模型，水流为非恒定不可压缩流体，因 此，采用n a v i e r s t o k e s 方程来描述水流运动，利用有限单元法对方程进行离散求 解，未知函数的时间导数采用差分格式来进行离散，进行空间离散时主要考虑风 产生的切应力、河床底部的摩阻应力以及地球自转引起的柯氏力的影响，并采用 二次插值函数对方程组进行离散。通过与原型进行整治水位下水面线和流态的验 证，表明模型计算精度基本达到要求。数模计算分别对各种整治方案在设计流量、 华南理工大学工稃硕+ 学位论文 整治流量、五年一遇洪水流量三种情况下，进行了整治工程前后的水位、流速以 及流态变化的分析和比较，计算结果表明长丁坝护岸更有利于使主流动力轴线偏 离凹岸，从而起到保护河道凹岸的作用。 关键词公路水毁；弯曲；- i 段；航道整治；数值模拟 i i a b s t r c t a b s t r a c t h e i l o n gf r e e w a y , o n eo ft h ek e yp r o j e c t sd u r i n gt h ep e r i o d t e nf i v e o fg u a n g d o n g p r o v i n c e , i st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ek e yh i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o j e c to fs t a t ew h i c hl i n k s d o n g y i n ga n dh o n g k o n g a st h er e s u l to f t h ee x t r e m ef l o o do f d o n g j i a n g r i v e ri n j u n e ，2 0 0 5 ， t h es l o p eo ft h ef r e e w a ya l o n gq i n g x ir e a c hw a sc o l l a p s e d b a s e do nt h ec o n d i t i o no ft h e p r o j e c t , t h em e a s u r e m e n to f c h a n n e li m p r o v e m e n ti sa d o p t e dt op r o t e c tt h ec o l l a p s e ds l o p ei n t h ep a p e r q i n g x ir e a c hi sat y p i c a lm e a n d e r i n gr e a c h d u et ot h ec e n t r i f u g a lf o r c e ，t h ew a t e rl e v e l i sh i g h e ri nt h ec o n c a v eb a n kt h a ni nt h el o w e rc o n v e x , w h i c hr e s u l t si nt h eh e l i c a lf l o w - - - - t h e s u r f a c ef l o wd i r e c t s 协t h ec o n c a v eb a n kw h i l et h eb o t t o mf l o wd i r e c t st ot h ec o n v e xb a n k b e c a u s et h es u r f a c ef l o wi sc l e a rw i t hl o w e rs a n d i n e s sa n dt h eb o t t o mf l o wt u r b i dw i t hh i g h e r s a n d i n e s s 。t h ec l e a rf l o wd i r e c t st ot h ec o n c a v eb a n ka n ds c o u r si t 。他es c o u r e ds e d i m e n ta n d t h eg r a v e lw i 氇l a r g e rp a r t i c l ef r o mt h eu p p e rr e a c hi sp r o c e s s e d 协t h ec o n v e xb a n kb yt h e b o t t o mf l o wa n df i l l e du p ，w h i c hf o r m st h ef l o o d l a i n e f f e c t e db yt h ev o r t e xc u r r e n t t h e c o n c a v eb a n ko fq i n g x ir e a c hw i ls o f ts o i li ss c o u r e da n dc o l l a p s e db a c k c o n s e q u e n t l y , t h e n e w c o m p l e t e df r e e w a ya n dc o u n t r y s i d eh i g h w a ya l o n gt h et e a c hw a ss c o u r e db yt h ee x t r e m e f l o o di n2 0 0 5 ，w h i c hr e s u l ti nt h ed e s t r u c t i o no ft h es l o p ea n dt h es e t t l e m e n to fr o a ds u r f a c e e t c b a s e do nt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sh o m ea n do v e r s e a , a n dt h ea n a l y s i so ft h e h y d r o l o g i c a l a n dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s , c h a r a c t e ro ft h es e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o na n a l y s e st h er e a s o a sa n dm e c h a n i s mo fb a s e - w a t e r i n go fh i g h w a y , a n dp r o p o s e s t h em e a s u r e m e n to fc h a n n e li m p r o v e m e n ti n t e g r a t i n gt h es p u rd i k e sa n da r m o rs t o n et o p r o t e c tt h ec o l l a p s e ds l o p e m o r e o v e r , t h en u m e r i c a lm o d e l i sa d o p t e dt os i m u l a t et h e _ p r o j e c t 。 a c c o r d i n gt ot h e d i s t a n c eb e t w e e nt h ei m p r o v e m e n tl i n ea n d t h eb a n k , t h e r ea r et w o a l t e r n a t i v e s ：t h el o n g e ra n dt h el o w e rs p u rd i k e s a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t r o l l i n gw o r k so f p i l e si sc o n s i d e r e da n dc o m p a r e dw i t ht h ea l t e r n a t i v eo f s p u rd i k e si nt e c h n i q u ea n de c o n o m i c b e n e f i t s a2 - dm o d e lf r o mn a v i e r - s t o k e s e q u a t i o ni sa p p l i e dt o d e s e r i b et h eu n s t e a d y t m c o m p r e s s i b l ef l o w 秘站h y d r a u l i cb a s i ce q u a t i o n sa r es o l v e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，i nw h i c ht h et e m p o r a l d i s c r e t i z a t i o ni s p e r f o r m e d v i at h ef i n i t ed i f f e r e n t m e t h o d ( f d m ) ，a n dt h es p a t i a ld i s c r e t i z a t i o nc o n s i d e r st h es h e a r i n gs t r e s s ，t h ef r i c t i o no ft h e 1 i i 华南理下大学工稃硕七学位论文 r i v e rb e da n dt h ec o r i o l i sf o r c ea r i s e l lb yt h er o t a t i o no ft h ee a r t h t h es y s t e mo fe q u a t i o n s a r ed i s c r e t i z e db ya q u a d r a t i ei n t e r p o l a t i v ef u n c t i o n 孙。c o m p u t a t i o n a le x a m p l e so f t h er e a c h s h o w st h eg o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r i n gd a t ao nt h ec t l l t e n tv e l o c i t y , w a t e rl e v e l s o , t h em o d e li sf e a s i b l ef o rt h es i m u l a t i o no fr e a c hp r o j e c t s a c c o r d i n gt oe a c ha l t e r n a t i v e ，t h e 2 ，dm o d e ls i m u l a t e st h ew a t e rl e v e l c u r r e n tv e l o c i t ya n ds t r e a mf o r mb e f o r ea n da f t e rt h e i m p r o v e m e n te n g i n e e r i n g 。i ts h o w st h a tt h ea l t e r n a t i v eo f l o n g e rs p u rd i k e sc o n d u c e s t h em a i n f l o wt od e p a r tf r o mt h ec o n c a v eb a n k ，t h e np r o t e c t si tf r o ms c o u t i n g k e yw o r d s ：b a s e - w a t e r i n go fh i g h w a y ；m e a n d e r i n gr e a c h ；c h a n n e li m p r o v e m e n t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。 i v 华南理工大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取褥的磅究成果。除了文中特别加数标注萼| 瘸戆悫容井，本论文不镪含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均融在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律蜃栗森本久承整。 作者签名： 五彩劈 l 日期：6 年fd 月畛日 学位论文版权使用授权书 本学绽论文作者完全了解学校有关镶餐、使用学像论文的魏定，瑟： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和咆子版，允谗学位 论文被查溯( 除在缣密期内的保密论文外) ；学校可戳公布学位论文的全部 或部分内裙，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人逝子文档的内容和纸质论文的内容糨一致。 本学德论文属于； 口保密，在年解密后适用本授权书。 篷不保密。 学位论文全文电子版提交后： 囵同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共摩协议的单位浏览。 ( 请京以上箨应方框痰努“”) 作者签名：五锵斋网期：细苫乓1 0 弭 ) 廖 指导教师龆戈f 辟慨驯弩叫4 ，妒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 工程背景 合拢高速公路( 热水至柳城段) 是我国东营至香港的国家重点公路建设项目的重要 组成部分，也是广东省“十五”期间规划建设的重点工程项目之一。该路东起东源县柳 城镇，接在建的梅龙高速公路，西止于仙塘镇，与在建的粤赣高速公路相连，总投资1 4 2 8 亿元，全长4 6 7 3 6 公里，于6 月3 0 日正式建成通车。 2 0 0 5 年6 月份，东江流域发生了特大洪水，这次洪水给东江流域造成了重大的损失。 其中河源市因洪灾死亡人数2 6 人，造成直接经济损失1 1 6 4 亿元。全市共有1 0 0 个乡 镇( 含办事处) 受灾，出现山体滑坡1 9 3 万处，受灾群众1 2 3 3 3 万人，转移群众1 5 9 2 万人，因洪灾倒塌房屋2 6 4 9 7 间，工矿企业停产1 4 8 户，损坏公路路基9 9 1 6 公里，损 毁铁路1 3 公里，损坏输电线路4 7 3 7 3 公里，损坏通信线路2 7 6 6 5 公里，损坏堤防1 4 8 1 处1 4 4 9 公里，冲毁塘坝9 6 1 座，损坏小水电站5 5 座、机电水泵4 8 座，农作物受灾面 积5 1 9 8 千公顷。 河龙高速公路k 2 1 + 3 0 0 + 8 0 0 段位于东江清溪河段沿岸河边，在这次洪水中，该 河段最高水位达5 1 9 3 米，洪峰流量达3 1 4 7m 3 s ，多处路基被水冲毁，部分路面塌陷 ( 见图1 - 1 ) ，情况危急，急需采取工程措施保护。保护河边路基边坡一般可采用桩式 护岸或护岸短丁坝护岸的方法。但由于本路段正处于弯道凹岸，大小不同的洪水其水流 的顶冲点不同，冲刷的部位也不同，如果只是对本次冲毁路段进行处理，将会存在不小 的安全隐患。而采用全线打桩的方法处理造价相当高，且技术难度和施工难度较大。所 以从长远和经济角度来考虑，本工程采用护岸短丁坝护岸的方法进行处理，将主流挑离 河岸引导至河中间，使得河岸不再受主流直接顶冲，同时采用坡式护岸进行护坡，保证 在中、洪水时岸坡也不被冲刷，起到长久保护河岸的作用【1 】。 华南理1 = 大学工稃硕士学位论文 1 1 2 国内外研究现状 霪1 - 1 1 9 7 8 年布浆鞭( b r i c e ) 统计，美骧1 9 6 4 年刭1 9 7 2 零静9 年孛，每发象一次缝送 毪的洪农，弓| 怒瓣公路秘疆粱承羧豢寒豹壹接经济损失遮一亿美元。 1 9 9 1 年瑟赫尔( s h i r h o l e ) 和何将( h o l t ) 对美国融毁坏的8 2 3 座桥梁的毁坏原因 避行分析统计，续粜袭明6 0 毁坏的桥梁是由于水毁造成的。 1 9 8 0 年以来，我国公路水毁带来的经济损失平均每年多达l o 亿元以上，1 9 9 0 年以 嚣，公路零毁羧失爨是袁瑟堰热，基璧逐年上舞豹趋势。我嚣公路拳羧严重豹凑镑主要 有覆藏、灞嚣、游淡、福建、交簸、溃癃广东彝汪莲等。掰 针对公路水毁现象，国内外的专家也有一定的研究，根据资料，国外的研究主要集 中于桥梁的水毁治理，而我国在四川、蹰藏、陕西、贵州等地也有专家进行了专题研究， 弗取褥7 一定的磷究成栗。在众多公鼹承毁整治实例中繁诗了事富静实鼯经验，翔在美 嚣洛移戮由瑟l 蔽旋怒镶鼹羧戆姨谷滚游公路，鼹基溶潜一弱采蹋带锤释瓣锈叛捷轻受支 档，基脚采用犬块蕊抛石防护，效果非谨好；秦岭山区挎水磐在修建县城第二条主干道 时，在沿河路段采用浸水丁坝群路基防护设计，经过1 9 7 4 年7 月5 0 年一遇的大洪水考 验，沿河路基却发然笼恙【2 l 。 2 第一章绪论 1 2 论文的主要工作内容 本文针对河源清溪沿河公路路基水毁现象，结合流域水位、泥沙等周边条件，将公 路流域的知识和航道整治流域的知识相结合，提出采用航道整治工程的方式方法进行坍 塌边坡的保护的设计方案，并采用二维数模进行论证。本文主要研究的内容有以下几方 面： 1 基础资料的收集 ( 1 ) 航道图的测量，本航道图的测量和常规的测量有所不同，在测量中要将高速 公路和乡道两级公路包括进去。 ( 2 ) 水文资料的收集，包括流量、水位资料和瞬时流量测量等资料的收集。 ( 3 ) 地质资料的收集，本文主要依据河龙高速公路有限公司提供的地址报告。 2 水毁机理分析，根据收集的基础资料和国内外的依据成果，利用公路的相关知识 和航道整治的原理及经验，对本路段的水毁进行机理分析。 3 设计方案的提出，利用航道已有资源和实际情况，结合该段航道日常维护经验， 提出合理的整治原则，进行整治线的布设，整治建筑物的布置，航标的配布。 4 选取合理的数学模型，对提出的各个方案进行分析比选。 1 3 研究机理和设计方案的提出 公路水毁根据造成水毁的原因一般可以分为三大类：第一类是地表水冲刷路基表 面，形成较深的洪沟，从而对公路造成破坏；第二类是地下水，由于排水系统的不完善， 低下水无法及时排出，路基基础达到饱和度，从而形成管涌等破坏现象；第三类就是沿 河公路受河水冲刷淘脚造成路基坍塌、下陷等破坏现象。 3 1 根据河龙高速公路的设计资料，道路的设计充分考虑了地表水和地下水对公路的影 响，并采取了相应的工程措施，而发生路基水毁路段正是处于东江清溪河段的弯曲河段， 因此，判断该路段的水毁是由于在2 0 0 5 年东江流域特大洪水的作用下，受到洪水的冲 刷，路基基础被淘空，边坡失去稳定，从而发生边坡坍塌、路基下陷的现象。为了经济 有效的解决这个问题，并能够从根本上解决这个问题，根据作者本人多年的航道整治工 作经验和这几年交通运输工程的学习心得，提出采用航道整治工程的方式方法对该路段 的水毁路基进行处理的设计方案。 华南理下大学工箨醺七学便论文 。4 论文豹翎鞭赢 在常规的公路问题的处理上般怒采用道路工程豹棚笑措施进行处理，例如架桥、 打桩、建挡土墙的工稷措施，本文针对河源清溪河段公路路潦水毁的现象，改变常规的 慝臻，薅簸遭整渗工程缮藏应震裂公鼹鼹基本毁豹治瑾上，袋羯改变承激溺力麓线霆羯 豹方法来这蘩瓣决溺戆瓣曩静。这藏要求终逶路工程帮簸瀵王程疆令不阕学辩豹知谖焘 结合起来，因此，既鼷有扎实的航道工程理论基础，又黉脊具备交通工程知识。 本文针对公路水毁路基的治理提出了一种解决方法，该方法在道路交通与水路交通 蒸硝设施维护治壤鹃交叉应用方甏送行了一次鸯意义的尝试，葵具有重簧靛王稷应瘸馥 镶。 4 第二章自然条件 第二章自然条件 2 1 工程河段概况 2 1 1 工程河段地理位置 河龙高速公路k 2 1 + 3 0 0 8 0 0 段位于东江清溪河段沿岸河边，东江清溪河段位于河 源市东源县黄田镇，上距龙川水文站4 8 1 k m ，距黄田水位站3 3 k m ，下距河源水文站 3 0 2 k m ，工程以上河长2 6 4 1 k m ，集雨面积9 1 8 4 k m 2 。 2 1 2 流域概况 东江是珠江水系三大河流之一，位于东经1 1 3 。5 07 1 1 5 。4 57 ，北纬2 2 。4 5 2 5 。2 0 ，之间，河口以上集雨面积3 5 3 4 0 k m 2 ，石龙以下是东江三角洲，石龙以上流域面 积2 7 0 4 0 k m 2 ，其中广东省境内2 3 5 4 0 k m 2 ，占8 7 0 6 ，江西省境内3 5 0 0 k m 2 ，占1 2 9 4 。 东江发源于江西省的寻邬桠髻钵，上游称邬水，南流入广东境内，至龙川县合河坝 汇安远水后称东江。东江流经龙川、东源、源城、紫金、惠阳、惠城、博罗至东莞市的 石龙，分南北两支水道，南支称东莞水道，北支为东江干流，再分成河网注入狒子洋， 经虎门出海。干流河道平均比降为0 3 9 0 ，流域内大于1 0 0 0 k 2 以上的主要支流有安远 水、俐江、新丰江、秋香江、公庄水、西枝江、石马河等7 条。 东江全长5 2 6 k m ，寻邬水为东江的上游段，自海拔高程1 l o l m 的桠髻钵至龙j | l 的合 河坝全长1 3 8 k m ，河道平均坡降2 2 1 o ，全河段处于丘陵地带，河床陡峻，水浅河窄。 龙川合河坝至博罗观音阁为东江中游段，全长2 3 2 k m ，河道平均坡降0 3 1 1 o 。龙川以 下两岸山势逐渐开展，在观音阁附近右岸出现平原，左岸仍为丘陵区。博罗观音阁至东 莞石龙全长1 5 0 k m 河道为东江的下游段，河道进入平原区，河道平均坡降0 1 7 3 o ，从 观音阁后开始筑有堤围，由于河宽逐渐增大，流速减小，河中沙丘多，流动性大，每次 洪水过后，河床变化大，但河岸仍然稳定。 流域地势是东北高西南低，高程5 0 5 0 0 m 的丘陵及低山地约占7 8 1 ，高程5 0 m 以下的平原约占1 4 4 ，高程5 0 0 m 以上的山区约占7 5 。 工程所在河段属于东江中上游，河量弯曲，河宽1 2 0 米2 4 0 米，大致成v 字型， 河床质主要为沙质，中水期水面比降0 0 8 。 华南瑾工大学工程硕士学位论文 2 。2 水文混沙4 2 2 1 水文基本赘料 本工程所在地炙实测水文站。工程上游1 0 1 2 k m 鲶蠢梅光水文蜷( 枫树坝下游约 1 2 k i n ) ，上游躐本工程3 5 4 k m 获2 k m 窍龙捐承文擎鼗焚翻承文筵，工程爹游4 2 ，9 k m 毒 溺源水文站。工稷上下游这圆个水文( 使) 菇，实测系剃长，测验姿辩搿靠。 枫树坝坝下水文站原为梅光水文站，1 9 5 8 年7 月建站，位于枫树坝坝址以上5 0 0 m 处，有降覆、承饿、流星、蒸发量等躐测项目，至1 9 7 2 每8 男，因受枫树竣大坝施王 影响，移至大蛾下游1 ，2 k m 处继续鼹溯。 龙矧承文辩佼予忿朋县驸镇承鼹糟，集搿蕊积7 6 9 9 k r a 2 ，该站于1 9 5 1 年7 月歼始设 立，观测项目有降雨、水位、流萤、混沙等，属国家级承文站，资料可靠，w 作为设计 童要依据站。 将承尺上移5 5 0 米改为黄国( = ) 站，观测项匿为汛期( 4 1 0 胃) 水位，及藤鬟 簧羽窳垃逮位于农源慧黄疆镇，1 9 5 8 攀5 秀建站，1 9 6 0 每激镪，1 9 6 5 年莰复，莠海源 水文站有大支瀛新率江( 集雨谣积5 8 1 3 7 6 9 9 k m 2 ) 加入，考虑到河源承文站受新丰江水 库调峰的影响，因此本工程以梅光( 枫树坝) 和龙川两水文站资料为设计的主要依据。 王程繇在上、下游各溅站豹基本资料情况冤表2 - 1 。 表黔l 工羧海段主下游主要零文测活 鬣河口距离熊掰面积 站名设立殿施测日期施测项目 ( k 曲( k i n 2 ) 梅光( 枫树坝)3 4 75 1 5 01 9 5 8 7 一谯今h q p e 燕j | | 2 9 37 6 9 91 9 5 1 。? 迄今 # 。q p ( 禽量) 溺滚 2 0 51 5 7 5 0 1 9 4 3 6 迄今h 。q p 。e 黄田( 二) 2 4 79 3 0 71 9 5 8 5 一迄今h 1 9 5 9 + 5 设站 楼- 6 ( 二) 2 3 5叠4 4 0珏 1 9 6 5 。1 1 1 6 擞镌 2 2 2 径流 龙川站以e 鬃雨蕊积7 6 9 9 k m 2 ，工程河段以上集两颟稂为9 1 8 4 k m 2 ，区间葡积仅占龙 川站的1 9 3 ，其问无大支流汇入，根据水文计算规范的规定，工程河段的年径流 6 第二章自然条件 可直接采用龙川水文站1 9 7 4 2 0 0 2 年的实测系列径流成果，并以面积比的1 次方移置。 计算得工程河段多年平均流量为2 5 4 m 3 s 。龙川站和工程河段年径流成果详见表2 2 。 表2 2 工程河段年径流量成果表 ( 单位：m 3 s ) f 均 cp ( ) 项目c v 适 | ( k i n 2 )值1351 02 05 07 59 09 59 7 c s 龙川 7 6 9 92 1 30 2 923 8 03 4 13 2 22 9 42 6 22 0 51 7 01 4 41 3 21 1 4 站 工程 9 1 8 42 5 40 2 924 5 34 0 73 8 43 5 13 1 32 4 52 0 31 7 21 5 71 3 6 河段 2 2 3 洪、枯水特征 1 洪水特性与成因分析 本工程所在河段为东江中上游，因东江上游河床陡峻，又常为暴雨中心，暴雨下降 后迅速汇集，中游河槽淤浅，容量少，形成洪水暴涨暴降，4 6 月份为前汛期，主要是 锋面雨；7 9 月为后汛期，多为台风雨。洪水特点是峰高量大，流量变率大，年最大洪 水一般发生在4 9 月。据统计年内最大的洪水一般都出现在前汛期，出现机率为7 4 5 ， 后汛期出现机率为1 9 6 ，此外，3 月份出现机率5 9 9 6 。锋面雨形成的洪水峰型较肥硕， 涨水缓慢，台风雨形成的洪水峰型尖瘦，变率大。洪水历时一般一次过程为6 8 d 。例 如，龙川站实测前汛期最大洪水发生于1 9 6 4 年6 月，洪峰流量为1 0 2 0 0 m 3 s ，实测后 汛期最大洪水发生于1 9 6 1 年8 月，洪峰流量为7 9 8 0 m 3 s ，但前者洪水7 日的总洪量是 后者7 曰总流量的1 5 8 倍。由此可见，洪水威胁主要来自前汛期4 6 月。 2 洪水流量 本河段为内河级航道，设计最高通航水位采用5 年一遇的洪水水位，相应流量采 用龙川水文站的设计最高通航水位相应流量按其集水面积的n 次方移置过来，计算公式 见公式( 2 - 1 ) 。 g = ( 乎 ， q l 、q 2 设计断面及参证站的洪峰流量； 7 华南理t 大学丁稃硕士学位论文 e 、五设计断面及参证站的流域面积； n 指数。 n 采用上游梅光、龙川两站的实测洪峰流量资料反算，经计算得n = 0 6 2 。 龙川站p = 2 0 ( 5 年一遇) 的洪峰流量为2 0 0 0 m 3 s ，经计算整治河段相应洪水流 量为2 2 3 1 一s 。龙川站今年6 月份洪水洪峰流量为2 8 2 0m 3 s ，经计算本河段相应洪水 流量为3 1 4 7m 3 s ，相应的水位为5 1 9 3 m 。为了河岸的安全，所以在本设计中采用两者 中高的水位，即今年6 月份最高洪水水位进行计算。 3 枯水特征 东江枯水期为1 0 月次年2 月，最低水位和最小流量常发生在1 2 月和1 月。 解放后，东江旱情较严重的年份有1 9 5 5 年、1 9 6 3 年、1 9 7 7 年、1 9 9 1 年。特别严 重的是1 9 6 3 年，从1 9 6 2 年1 0 月至1 9 6 3 年5 月连续8 个月基本上没下过透雨，雨量较 正常年份偏小5 0 左右，而1 9 6 3 年3 月至5 月春旱期雨量更比正常年份偏小6 0 以上， 其重现期超过百年一遇。1 9 6 3 年6 月2 日上游的龙川水文站最小流量仅7 9 m 3 s 。 2 3 工程地质 2 3 1 地形地貌 东江流域地势东北高、西南低。流域内丘陵地较多，高程在5 0 0 m 以上的山区约占 全流域面积的8 ，5 0 0 5 0 m 之间的丘陵地约占7 8 ，5 0 m 以下平原约占1 4 。工程路 段左侧为缓丘陵坡脚，右侧濒临东江，与路线平行。掘本次勘察钻孔资料显示，该路段 下伏地层岩性主要为下侏罗统强弱风化炭质页岩，强弱风化英砂岩，岩层走向平行 于高速公路轴线，岩层向东江倾斜，为顺层边坡。 2 3 2 地层岩性 根据钻孔勘探结果，按由上到下的顺序对其分布形态与特征描述如下： 1 覆盖层 ( 1 ) 素填土：褐灰、棕褐色，湿，稍压实压实，层厚不均匀，最薄处为6 9 0 m ， 最厚处为1 8 3 0 m ，平均厚度为1 1 7 0 m 。实测击数最大值= 1 0 0 、最小值= 6 、平均值= 1 9 ，由于填土中含有碎石、块石等，造成实测击数最大值变异。 ( 2 ) 冲填土：灰褐色，湿，欠压实，零星分布，厚度为0 7 0 m 。 ( 3 ) 亚粘土：灰褐、灰绿色，湿，硬塑，层厚不均匀，最薄处为1 o o m ，最厚处 8 第二章自然条件 为3 7 5 m ，平均厚度为2 1 2 m 。实测击数最大值= 1 0 0 、最小值= 1 0 、平均值= 4 3 。 2 基底 ( 1 ) 全风化粉砂岩：灰褐、浅灰色，原岩已风化为砂土状，厚度为7 8 5 。实测击 数最大值= 2 9 ，最小值= 1 7 ，平均值= 2 3 。该层主要物理力学指标为：液限( w l ) = 2 4 2 ， 塑限( w p ) = 1 7 8 ，塑性指数( i p ) = 6 4 ，液限指数( i l ) 一1 2 8 ，含水率( w o ) - - - - 9 6 ，天然容重( r ) = 1 9 0 ，空隙比( e o ) = 0 5 3 4 ，压缩系数( a v ) = 0 2 0 9 ，压缩模量( e s ) = 7 2 。 ( 2 ) 强风化炭质页岩：灰黑色，原岩已风化为半岩半土状，层厚不均匀，最薄处 为2 5 0 m ，最厚处为9 5 0 m ，平均厚度为5 1 3 m 。实测击数为8 3 击。该层主要物理力学 指标为：液限( w l ) = 2 0 6 ，塑限( w p ) = 1 4 2 5 ，塑性指数( i p ) = 6 3 5 ，液限指数( i l ) 一o 3 5 ，含水率( w o ) = 1 2 1 ，天然容重( r ) = 2 1 9 ，空隙比( e o ) = o 3 6 ，压缩系 数( a v ) = 0 1 5 7 ，压缩模量( e s ) = 8 5 ，粘聚力c 直- - - - 8 k p a ，内摩擦m 直- - - - 4 1 7 度。 ( 3 ) 强风化硅化炭质页岩：灰黑色，原岩已风化为半岩半土状和碎石状，为断层 破碎带，厚度为4 5 5 m 。 ( 4 ) 强风化粉砂岩：灰褐、黄褐、灰色，原岩已风化为碎石状，层厚不均匀，平 均厚度为1 8 3 m 。实测击数最大值1 0 0 击。 ( 5 ) 强风化石英砂岩：灰色，原岩己风化为半岩半土状，为断层破碎带，层厚为 4 8 5 m 。 ( 6 ) 弱风化炭质砂岩；灰黑色，岩质较硬，性脆，岩芯破碎，硅化现象明显。多 呈碎石状和碎块状，为断层破碎带，层厚为4 8 0 m 。 ( 7 ) 弱风化炭质页岩：灰黑色岩质较硬，岩石裂隙发育，岩芯破碎，多呈碎石状 和岩屑状，少量呈碎块状，层厚为1 8 7 0 m 。 ( 8 ) 弱风化硅化石英砂岩：灰色，多呈碎石状，少量呈碎块状，为断层破碎带， 层厚极不均匀，最薄处为1 2 0 m ，最厚处为2 1 9 0 m ，平均厚度为9 4 6 m 。 ( 9 ) 微j x l 化石英砂岩：灰色，岩质较硬，硅化现象明显，多呈碎石状和碎块状， 少量呈短柱状，为断层破碎带，厚度为1 2 1 m 。 ( 1 0 ) 微风化炭质灰岩：灰黑色，岩质较硬，性脆，有轻微硅化现象，岩裂隙发 育，岩芯破碎，多呈碎块状和碎石状，厚度为3 1 0 m 。 华南瑷工大学工襁碛士学位论文 2 。4 气象 零王程地怂鼗热带，高温多鬻。舆肖掰慧充沛，瀑度犬，疑季妖，热纛事蜜熟姆 点。酶零鞋蠢l 冷暖气骥交绥黪锋嚣疆洚圭，多发生程4 6 冀傍。其次怒努风瓣，多 发生在7 9 月份。海水帮内配不均，冬鸯于翠，夏秩洪涝。4 9 月占全年总降雨爨8 0 戳童，簿承莛上分覆般是露露多，寒t 少。搽惹矧灞为钱裁t 降雨量：掰龙川站1 9 5 2 - 2 0 0 2 年统计，多年平均降雨量为1 6 2 3 m 。最大年雨鬣为 2 5 0 4 r m ( 1 9 8 3 霉) ，最，l 、零降雨璧1 0 2 4 m m ( 1 9 9 1 年) 。 气温：流域气温较满，年平均气温农2 0 2 2 9c 之闯，靠近菔瑶( 盘城塘) 工程 鹣嫁麒气象站多年平辫气滠为2 0 。5 。c ，鼓薅气漫为3 9 。6 4e ( 1 9 8 0 簟7 鼹) ，最鬣气滋 必一3 + 6 4e ( 1 9 6 3 年1 月) 。 风囱和风速；本流域属季风嚣，骞爱攀欢东南风，敬冬攀姨蘧j e 诫。7 - 1 0 撵游螽 鼹藏攀，据龙臻瓣1 9 6 6 零2 0 0 2 筝3 7 每炎辩绫谤，多年乎稳风速1 6 m s ，多枣学均 年最大风速1 1 。5 m s ，掰肇最犬风遮2 2 0 m s 。 蒸发及耀鼹瀑茨：多争平穆蒸发霪1 0 3 8 m m ( e 6 0 1 ) ，裴大蒸发燕t 0 7 2 m m ( 1 9 7 7 零) ， 最小9 0 7 m m ( 1 9 7 0 年) 。多年平均相对湿度为8 0 左右。 第三章水毁路基边坡情况分析 3 1 水毁情况 第三章水毁路基边坡情况分析 在今年6 月份的洪水中，位于清溪河段河边的河龙高速公路k 2 1 + 3 0 0 至k 2 2 + 4 0 段 ( 见图3 一1 ) 岸坡均出现了不同程度的坍塌现象，坡脚被淘空，岸坡陡直，问题比较严 重的有3 处，分别是k 2 1 + 3 6 0 处、k 2 2 + 11 0 处及k 2 2 + 2 6 0 农坑中桥处。 图3 - 1 工程平面位置图 k 2 1 + 3 6 0 处的村道被冲毁，约有6 0 米长度的岸线遭到破坏，坍塌现象严重，边坡 大面积下滑，原有的岸标已经被冲毁。 k 2 2 + 1 1 0 处水毁段约3 0 米，长度不大，但是破坏严重，村道已经被完全冲毁，造 成村道内侧的高速公路挡土墙部分坍塌，使得高速公路路面变形下陷，该侧车道被迫部 分封闭。k 2 2 + 2 6 0 农坑中桥处是水毁最严重的地方，由于该段村道属于改道段，非原状 土，由开山土回填而成，所以在这次的洪水中崩塌严重，岸线向后退达2 0 多米，从桥 的# t - f 1 0 ，退到了桥的内侧。但由于该段为架空桥梁，所以对高速公路的影响并不严重， 只是桥两侧的挡土墙出现一些裂缝。 3 2 河段水、沙运动情况 工程所在河段清溪河段为典型的弯曲河道，在该河段上，水流由于受离心力 的作用，整个水体向凹岸壅高，凸岸水面变低，产生面流指向凹岸，底流指向凸岸的螺 旋状水流向前运动。而通常河道表层水流较清，含沙量较少，底层水流较浑，含沙量较 华南理 二大学t 稃硕十学位论文 多，表层的清水冲向凹岸，使凹岸遭到冲刷，冲刷产生的泥沙以及上游挟带下来的大粒 径沙卵石，由底流推移至凸岸产生淤积，在右岸形成沙滩。因此在弯道环流的作用下， 工程河段的凹岸是不断受冲刷的，土质松软范围则河岸不断坍塌后退。 另外，不同的水位，湾道的水流运动情况也不同。枯水期水流动力轴线进入弯道 后，向凹岸移动，至弯顶的上游顶冲凹岸，贴岸移动一段距离后，离开凹岸向下一个弯 道过渡；洪水期动力轴线在弯顶下游顶撞凹岸，然后贴岸移动一段距离。从河道现状看， 位于顶冲变动区和常年贴流区的岸坡，坍塌较为严重。 3 3 水毁原因分析 通过河段水流，泥沙运动及现场情况分析，导致本次路基水毁的主要原因有以下几 个方面：第一，该路段正处于东江清溪河段凹岸，河流水流在重力和离心力的作用下， 形成螺旋流，冲刷凹岸，淘刷坡脚，冲毁路基；第二，由于在上游存在一个山嘴，将水 流挑向了对岸，主流沿多年斜流冲刷形成的深槽，以弯曲水流的形式逼向对岸，沿对岸 坡脚流向下游，形成对沿河公路路基的冲刷；第三，今年6 月份的特大洪水最高水位达 5 1 9 3 米，洪峰流量达3 1 4 7m 3 s ，直接导致路基的坍塌；第四，由于高速公路原排水系 统不够完善，后方降水直接排至村道上，未加于引导，水流集中于地势低洼处冲刷边坡， 造成一定的破坏。 1 2 第四章工程设计 4 1 设计原则 第四章工程设计 根据水毁原因分析和多年航道整治经验，制定设计原则如下； 1 统筹兼顾，既要保护河岸，又要保证航道航行安全，兼顾排洪。 2 因势利导，短丁坝护岸与斜坡式护岸相结合。尽量利用节点，采用护岸短丁坝工 程措施将主流挑离河岸刚，使得河岸不受主流直接顶冲，同时采用斜坡式护岸对岸坡进 行保护，保证在中、洪水时岸坡也不被冲刷。 3 因岸坡陡直、河床土质松散，设计护岸结构时，应加强护脚，减少削坡。 4 顺应地势，充分利用原有植被，降低工程造价成本。 4 2 设计参数 4 2 1 设计标准 根据现行的航道维护标准，即按照内河级航道标准，水深0 6 m ，宽度1 8 m ，弯曲 半径9 0 m 。 4 2 2 设计最低通航水位的确定 采用航道部门已经推算的成果，即本河段的设计最低通航水位为4 3 3 8 4 3 4 4 米。 设计最低通航水位下的流量采用公式( 4 1 ) 将龙川水文站设计最低通航水位下的 流量进行移置，得到设计流量为3 0 7m 3 s 。 9 捌q 限。， 4 2 3 整治水位的选取 根据该河段历史航道整治经验。以往采用高坝和低坝整治两种方式，低坝的整治高 度采用0 8 6 m ，高坝的整治高度则采用1 7 2 m ，所以，为了保护河岸，本项目采用了1 8 0 的整治高度。 整治水位的流量则采用现场实测的方法获得，整治水位的流量为1 9 7m 3 s 。 华南理工大学工稃硕士学位论文 4 3 设计方案比选 4 3 1 “短丁坝护岸”与桩式护岸的比选 为了说明设计的合理性，本设计还对桩式护岸方案进行了粗略设计和造价估算，然 后与斜坡式和“短丁坝护岸”进行技术经济比选。 根据本河段的地质及水毁情况，必须采取工程措施的河段有6 5 0 米，对坍塌边坡及 上下游共6 5 0 米河段进行打桩护岸的处理形式，桩问间隔2 5 0 m ，全长需打8 1 3 根桩， 桩型为5 5 0 5 5 0 r a m 的预应力砼方桩，平均桩长为2 8 m 。 从技术和经济两方面进行比选： 1 从技术方面比选 本工程河段位于东江清溪河段弯曲河段的凹岸，河道弯曲半径较小，河流水流在重 力和离心力的作用下，形成螺旋流，冲刷凹岸，淘刷坡脚，根据公路水毁整治的经验成 果可以得知，在这种条件下，斜坡式和短丁坝相结合的整治措施是最有效的、最稳固的 4 1 。山区河流水深条件较差，打桩机的进场、施工困难，施工地点不在城镇，没有预制 厂，桩的运输难度较大。而采用采用“短丁坝护岸”采用山区较丰富的块石资源，采用 民船装运抛，施工条件限制小，能有效保证施工进度。所以从技术方面比选，“短丁坝 护岸”比桩式护岸方案更适合本工程河段的实际情况。 2 从经济方面比选 采用桩式护岸工程造价为1 7 ，9 0 7 ，0 8 1 元。由于在工程造价方面，“短丁坝护岸”方 案总造价为7 ，0 9 8 ，7 2 4 元，是桩式护岸方案造价的3 9 6 ，节约投资1 0 ，8 0 8 ，3 5 7 元。 从经济比选结果来看，“短丁坝护岸”方案比桩式护岸方案造价低很多，是