嫩江白沙灘險工護岸工程設計

黃 俊 ，田偉峰 ，李佩南 ，王 禹

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021；2.中國水利水電第二工程局有限公司，北京100120）

1 工程概況

白沙灘險工段位于嫩江右岸黑龍江省與吉林省交界處，起于黑龍江省境內寧姜電灌站，止于吉林省境內白沙灘電灌站，全長約3.329 km。其中黑龍江省境內1.541 km，吉林省境內1.788 km。

白沙灘險工段處于嫩江主流凹岸頂流沖刷區，地形坡陡、岸高，局部地段邊坡達70°，陡岸巖性主要是細砂，岸頂至河道地面高差達25 m，沙坡裸露。受洪水沖刷，退岸嚴重。平均每年以2 m的速度坍塌退岸，50年間坍塌退岸100余米。據1998年洪水觀測資料，最大一次一天水平坍塌4～5 m。

2 工程地質條件

白沙灘險工段在地貌上屬于嫩江沖積平原，所處的河谷寬度500余米，枯水期水面寬100 m，水深2.0～3.0 m；河流兩岸均分布有寬闊一級堆積階地，階面較平坦，微傾河床，高出水面5.0～8.0 m，地面高程134～138 m，一級堆積階地之上為風積而成的砂土崗地，地面高程135～155 m，相對高差5～15 m。陡坎高出河水面5～25 m，陡坎隨河流呈弧形彎曲，地形坡度 60°～70°。

出露的地層巖性主要為第四系上更新統諾敏河組的冰水沉積物砂壤土、壤土、細砂等；第四系全新統河床沖積物細砂、風積物砂壤土、粉細砂層。其結構較松散，遇水易崩解，抗沖刷及抗滲性能較差。

3 氣象條件

工程所在地氣候特點是：四季分明，春季干旱多風，夏季濕熱多雨，秋季涼爽溫差大，冬季寒冷降水稀少，屬溫帶大陸性季風氣候。工程所在地年平均氣溫為4.4℃，10℃以上穩定通過初日為5月2日，終日為9月30日，其間隔日數為152 d。初霜一般出現在9月25日前后，終霜日期為5月15日，無霜期134 d。多年平均降水量為377.1 mm，6—9月降水量占全年的71.2%，由于受季風氣候的強烈影響，冬春季多西北風，夏秋季多西南風，風日多，風速大，最大風速可大25 m/s。多年平均風速為3.5 m/s。多年平均蒸發量在1840 mm左右，年內蒸發量以4—5月為最大，占全年蒸發量的25%左右。

4 設計洪水及水面線

暴雨是形成嫩江流域洪水的主要原因，暴雨多發生在7—8月，約占暴雨次數的80%左右。嫩江流域由于受北來系統的影響，易出現連陰雨天，雨強不大。但由于連陰雨中易出現暴雨，而且影響廣闊，因此也能造成大洪水。如1998年大洪水。暴雨的一次過程在3 d左右，主要雨量集中在1 d，暴雨移動規律一般是從大興安嶺東南坡移向小興安嶺西南坡。

年最大洪峰流量多出現6—9月，尤以7—8月最多；洪水以單峰居多，個別年份也出現多峰或雙峰，嫩江干流洪水歷時一般為40～60 d，洪量主要集中在15 d。大賚以上洪水主要以上游來水為主，江橋至大賚區間來水很少。

嫩江干流的防洪標準為50年一遇洪水，干流堤防按35年一遇洪水標準設計，尼爾基水庫建成后，防洪標準提高到50年一遇。相應設計流量、設計水面線、設計枯水水面線見表1。

表1 水面線成果表（p=2.86%）

5 工程設計

根據河勢演變分析，岸坡地質組成，工程措施采取坡式護岸，坡式護岸的上部(枯水位與設計水位之間)采用機織模袋混凝土護坡；下部(枯水位以下)護腳部分采用軟體沉排護腳。設計洪水位以上，由于堤岸巖性主要是細砂，其抗雨水沖刷能力較差，采用拱形磚砌體及植物措施護坡。

坡式護岸工程其結構由枯水平臺、腳槽、坡身、封頂四部分組成。腳槽頂面高程按高于設計枯水位1.0 m設計。護坡頂高程采用設計洪水位加0.5 m超高，設4 m寬平臺，作為渡汛搶險施工道路，并便于混凝土灌注，護坡頂部與平臺結合部位設50 cm×40 cm(寬×高)混凝土封頂。

1）軟體沉排護腳

由于白沙灘險工段為風積而成的沙土崗地，組成岸坡的巖土多為砂壤土、細砂，其結構較松散，遇水易崩解，抗沖刷及抗滲性能較差，為防止坡式護岸工程基礎受水流淘刷影響其結構穩定，對岸坡坡腳進行防護。

嫩江常用的護腳結構型式有拋石、石籠、軟體沉排等。

a）拋石護腳是普遍采用的一種護岸結構形式，取材容易、施工簡單，且造價較低。無論新護、加固均可應用；但其工程整體性差，在水流的長期沖刷下，部分塊石會流失，從而降低工程效果，因而需要經常性的維護加固。

b）石籠方案系用鉛絲或荊條等材料做成網狀籠狀結構，內填塊石、礫石或卵石，以增強抗沖能力和整體性，這種方法在各地均有所應用。其缺點是施工過程中受水流變化的影響較大，不易形成密實整體。

c）軟體沉排是用土工織物縫接成一定尺寸的排布，在排布上加一定的壓重形成的一種防沖結構。根據被保護基土的顆粒組成、土工織物的孔徑大小、抗拉強度以及受力的大小，排布可以采用單層、雙層、單層加網繩或雙層加網繩。壓載材料和形式有塊石、土枕、土袋、鐵絲石籠、聯鎖混凝土板塊、土工網格石籠、石籠網格充填土袋混合壓載等。軟體沉排優點是在保持防護結構的整體性同時能夠適應地形的變形變化。

白沙灘險工段為主流逼岸段，現有地形、地質和水流條件適宜采用軟體沉排護腳。

依據河勢演變分析、岸坡地質組成，樁號K0+000～K0+140.60設計枯水位以下采用干砌石護坡、護底，樁號K0+140.60～K3+329設計枯水位以下采用軟體沉排，排首錨固采用鐵絲石籠錨固槽法。槽寬1.0 m、槽深1.35 m，在錨固槽底部每隔2.0 m，楔入一根φ28，長2 m錨筋錨固。排體壓載型式采用石籠網格充填砂土袋混合壓載。石籠斷面尺寸50 cm×35 cm（寬×高），框格為 4 m×5 m，框格內采用砂土袋壓載。根據本工程的施工特點（冰上沉排）和施工設備及經驗，本設計排體寬度定為200 m。根據河勢分析，考慮本段近岸最大沖刷深為5.0 m，最陡穩定邊坡為1∶3，分析確定排體長度為15 m。按現有1∶6～1∶10邊坡進行鋪設。其主要材料設計指標為：

塊石：抗壓強度30 MPa。

編制布排設計指標：上層針刺滌綸短絲無紡布，縱橫向抗拉強度不小于225 N/5 cm，延伸率不小于25%，撕裂強度不小于120 N，CBR頂破強度不小于600 N；下層滌綸機織長絲土工布，縱向抗拉強度不小于2000 N/5 cm，橫向抗拉強度不小于1500 N/5 cm，延伸率不小于25%，CBR頂破強度不小于4000 N。

8號鍍鋅鐵線：抗拉強度T不小于380 N/mm2，伸展率12%，鋅層量不小于30 g/m。

編織袋：聚乙烯編織袋，伸長率20%～25%，CBR頂破強度不小于1450 N，撕裂強度不小于190 N，抗拉強度不小于750 N/5 cm。

2）機織模袋混凝土護坡

為阻止白沙灘險工段受風浪、水流淘刷形成進一步退岸，堤岸岸坡采用工程措施進行防護。岸坡防護形式比較了貼坡式擋土墻、機織模袋混凝土及干砌石護坡三種型式，其中模袋混凝土與干砌石護坡工程造價相當，但從后期運行維護及結構可靠性上，模袋混凝土要優于干砌石護坡；貼坡式擋墻方案，雖然占地較少，但其施工難度較大，需修筑施工圍堰，且工程造價較高。

模袋混凝土護坡方案具有結構簡單、施工難度小、速度快、工程造價低等優點。因此，本著經濟、合理的原則，本次設計采用模袋混凝土護坡方案。

雖然目前國家尚無有關模袋混凝土方面的規程規范，但在全國各地水利工程的應用已相當普及。實踐驗證，已達到其相應效果，在適應其相應的條件下更顯現出它的優勢。

根據計算結果，由細砂組成的白沙灘險工堤岸，穩定邊坡采用1∶3，模袋混凝土護坡平均厚度經計算采用12 cm，模袋混凝土標號：C20F200，下鋪400 g/m2長絲無紡布反濾。模袋混凝土護坡頂部設混凝土封頂，尺寸為50 cm×40 cm（寬×高），模袋底部埋入地面下80 cm，并對回填土進行夯實。

根據其它工程應用情況確定模袋規格及有關指標參考如下：

模袋布單層質量不小于240 g/m2，抗拉強度縱向不小于45 kN/m，橫向不小于40 kN/m，伸長率縱向小于35%，橫向小于30%，等效孔徑φ90≤0.3，CBR頂破強度不小于4.5 kN，垂直滲透系數不小于0.005 cm/s；模袋布筋繩強度不小于0.6 kN，模袋布筋繩伸長率小于25%，鉸鏈繩采用丙綸，直徑12 mm，強度不小于8 kN，延伸率不小于35%，垂直水流方向間距1 m布置；成型模袋混凝土平均厚度15 cm。

3）設計洪水位以上植物護坡

根據工程需要，護坡上部設計水位以上部分陡坎需削成穩定邊坡，依據計算結果，穩定邊坡比為1∶2.0。由于岸坡土體主要為0.10～0.25 mm粉細顆粒，其抗沖刷能力極差，岸坡開挖完后在2003年雨季受到雨水的沖蝕，出現數條1.5～2.0 m深的沖溝。根據現場情況，邊坡采用拱形混凝土護坡，岸坡頂部采用20 cm×20 cm封頂混凝土。由于該方案需預制大量混凝土塊，工期不能滿足要求，同時附近亦無較大預制場地，在不增加投資情況下，現場進行了現澆混凝土拱形護坡及拱形磚砌體護坡兩種護坡形式的現場試驗，根據試驗效果從施工進度及施工難度兩方面考慮岸坡上部護坡采用拱形磚砌體護坡。

通過現場試驗，樁號K0+547～K2+873岸坡上部拱形磚砌體護坡根據結構需要，拱腳處平砌磚改為垂直坡面立砌磚，磚砌體圓弧頂部立面砂漿抹面取消，砂漿抹面立面高度原為20 cm現改為15 cm，砌體、抹面砂漿均采用M15F50。拱形磚砌體混凝土封邊根據現場情況每3 m或5 m采用二氈分縫。拱形護坡結構形式的調整進一步優化了原設計方案，從而保證了施工進度及降低了施工難度。

6 結語

白沙灘險工護岸設計，取得了在粉細砂基礎上進行護坡設計的成功經驗，尤其是通過模袋混凝土護坡的實施，充分體現了該種護坡形式在結構、施工、運行維護及工程造價等方面的優點，肯定了沉排護腳方案的整體性強及適應地形變化方面的突出優點。