遜克縣嘎牛戶西套子島雷諾護(hù)墊護(hù)坡設(shè)計(jì)

孫蘭鳳，李 軍，曹國慶

(1. 黑河市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，黑龍江 黑河164300;2. 黑河市愛輝區(qū)宋集屯水庫，黑龍江 黑河164300)

1 工程概況

黑龍江干流嘎牛戶西套子島護(hù)岸工程位于黑龍江干流中游嘎牛戶西套子島上，遜克縣干岔子鄉(xiāng)小河?xùn)|村正北，該護(hù)岸起點(diǎn)位于上游島頭( 樁號(hào)0 +000) 處，終點(diǎn)至島下游( 樁號(hào)3 +439) 處，全長(zhǎng)3 439 m，寬250 m，面積0.92 km2，距中方岸250 m，距俄方岸900 m。

嘎牛戶西套子島護(hù)岸可行性研究于2010年5月11日通過松遼水利委員會(huì)( 松遼規(guī)計(jì)［2010］97 號(hào)) 審查，并于2010年8月17日經(jīng)黑龍江省發(fā)展和改革委員會(huì)( 黑發(fā)改農(nóng)經(jīng)［2010］1392 號(hào)) 批復(fù)。

本次初步設(shè)計(jì)經(jīng)實(shí)地勘測(cè)，嘎牛戶西套子島外江測(cè)均有不同程度的坍塌，為使該島免遭沖刷，本次護(hù)岸地點(diǎn)為島外側(cè)，起點(diǎn)為上游島端( 樁號(hào)0 +000) ，護(hù)岸沿島外側(cè)岸布置，至下游平緩處，護(hù)岸長(zhǎng)度3 439 m。該護(hù)岸分兩種形式護(hù)砌，0 +000 ～0 +393、1 +633 ～1 +879 段護(hù)坡采用植物護(hù)坡形式，植草插柳株距為2 m×2 m，總長(zhǎng)639 m;0 +393 ～1 +633、1 +879～3 +439 段采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡形式，總長(zhǎng)2 800 m。固腳采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，尺寸為200 ×150 ×100 cm ( 長(zhǎng)×寬×厚) ，和尺寸為200 ×100 ×25 cm ( 長(zhǎng)×寬×厚) ，護(hù)坡采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)墊厚25 cm，尺寸為300 ×200 ×25 cm( 長(zhǎng)× 寬×厚) ，壓頂采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，尺寸為200 ×100 ×50 cm( 長(zhǎng)×寬×厚) 。

該護(hù)岸工程總工程量7.26 ×104m3，其中: 土石方開挖0.95 ×104m3; 土 石 方 填 筑6.31 ×104m3; 雷 諾 護(hù) 墊 共49 296 m2。總用工12.00 ×104工時(shí)，工期1 a。工程總投資1 219.59萬元。工程建成后，不僅防止了國土流失，還可有效地保護(hù)臨江耕地的安全。

2 塌岸原因及修建護(hù)岸的必要性

該段江岸覆蓋層由粉土粉砂互層和砂礫石層組成，地質(zhì)結(jié)構(gòu)脆弱，抗沖能力差，江水沖淘嚴(yán)重，同時(shí)受嘎牛戶西套子島的頂托，使上游段河道變窄，水流湍急，此段江水位高，流速大，在中高水位漲落以及冰凌、風(fēng)浪的作用下，致使江岸松散土壤顆粒被江水帶走，使岸坡整塊坍塌。據(jù)實(shí)地調(diào)查，因水流、地質(zhì)等因素，造成該段江岸的塌岸速度每年已達(dá)到2 m左右，且塌岸速度呈逐年增加趨勢(shì)，塌岸使岸邊的良田逐年減少，如不及時(shí)采取必要的整治措施，使國土流失，不利于邊境地區(qū)的和平穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此修建嘎牛戶西套子島護(hù)岸工程非常必要。

3 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

3.1 護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式選擇

雷諾護(hù)墊由機(jī)編雙交合六邊形金屬網(wǎng)面構(gòu)成，其中裝入塊石等填充料后連成一體，構(gòu)成具有柔性、透水性及整體性的結(jié)構(gòu)，雷諾護(hù)墊由格板分成若干單元格，所有面板邊端均采用直徑更大的鋼絲。

采用干砌石護(hù)坡、雷諾護(hù)墊護(hù)坡兩種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行方案比選，見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)形式方案比選

方案結(jié)果表明: 雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式造價(jià)較高，但整體性好，能適應(yīng)變形，有較強(qiáng)的抗沖刷及抗冰推能力，且能恢復(fù)生態(tài)，保護(hù)環(huán)境。干砌石護(hù)坡造價(jià)較低，但干砌石護(hù)坡抗沖淘能力低，對(duì)塊石質(zhì)量要求高，塊石利用率低，維護(hù)費(fèi)用高，故本次護(hù)岸設(shè)計(jì)采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式。

3.2 護(hù)岸長(zhǎng)度及各種高程的確定

本次設(shè)計(jì)通過實(shí)地踏察，既考慮了岸邊坍塌部位的防護(hù)及其在中高水位情況下頂沖點(diǎn)移動(dòng)的趨勢(shì)，又考慮了江水流向變化、保護(hù)范圍等因素，綜合確定護(hù)岸長(zhǎng)度為3 439 m，其中0 +000 ～0 + 393、1 + 633 ～1 + 879 段為植物護(hù)坡，總長(zhǎng)639 m;0 +393 ～1 +633、1 +879 ～3 +439 段采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡形式，總長(zhǎng)2 800 m。

該護(hù)岸屬于Ⅳ級(jí)建筑物，護(hù)岸頂高程按20 a一遇洪水位確定，本次護(hù)岸設(shè)計(jì)護(hù)岸地面頂高程為110.50 ～115.62 m，低于20 a一遇洪水位，故確定岸頂?shù)孛娓叱虨樽o(hù)岸頂高程。

固腳工程是為了防止水流沖刷坡腳，在水流平順段可護(hù)至坡度為1∶1.6 ～1∶2.5 的緩坡河床處，固腳頂高程應(yīng)高于枯水位0.5 ～1.0 m，為減小開挖量根據(jù)地形可適當(dāng)將固腳高程適當(dāng)放高。本次設(shè)計(jì)結(jié)合工程實(shí)際地形情況，將固腳頂高程確定為106.90 ～111.20 m。

3.3 護(hù)墊厚度及自身穩(wěn)定驗(yàn)算

3.3.1 雷諾護(hù)墊厚度計(jì)算

雷諾護(hù)墊厚度的確定，一般要考慮兩個(gè)因素: ①是水流流速;②是波浪高度及岸坡的傾角。當(dāng)雷諾護(hù)墊既受到水流的沖刷，又受到波浪的作用時(shí)，需選用兩者中的大值作為設(shè)計(jì)厚度。

3.3.1.1 水流流速影響雷諾護(hù)墊厚度的計(jì)算

1) 對(duì)于水流流速的影響情況，馬克蘇菲公司早在20 世紀(jì)80年代就在美國的科羅拉多大學(xué)進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)和對(duì)已建工程的反分析，最后得出了各種厚度雷諾護(hù)墊的抗沖流速，見表2。

表2 雷諾護(hù)墊厚度與流速參照表

2) 另根據(jù)K.W.Pilarczyk 的《護(hù)岸的設(shè)計(jì)》，雷諾護(hù)墊厚度在水的流速可知的情況下，可采用下式計(jì)算:

式中:Δ 為雷諾護(hù)墊的相對(duì)密度，Δ≈1.0;D 為雷諾護(hù)墊的厚度，m;φ 為穩(wěn)定參數(shù)，對(duì)于雷諾護(hù)墊取Φ =0.75; Ucr 為平均流速，m/s，Ucr =2.0 m/s; C ﹡為臨界防護(hù)參數(shù)，對(duì)于雷諾護(hù)墊取C﹡=0.07;G 為重力加速度，g =9.81 m/s2;KT為紊流系數(shù)，取KT=1.0; Kh為深度系數(shù)，取Kh=1.0; Ks 為坡度系數(shù);θ 為岸坡角度;m 為岸坡坡度，m=2.5;Φ 為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角，Φ =41°。經(jīng)計(jì)算:D=0.10 m。

3.3.1.2 波浪高度及岸坡傾角對(duì)雷諾護(hù)墊厚度的影響計(jì)算根據(jù)報(bào)告的研究成果( 報(bào)告號(hào):BO—290460/18) ，在波浪高度和河岸坡度作為影響雷諾護(hù)墊厚度的主要因素，其厚度計(jì)算可按下式確定:

當(dāng)

式中:tm為雷諾護(hù)墊的厚度，m; Hs 為波浪設(shè)計(jì)高度，m，取H1%;根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附表C.1.3－1 計(jì)算: 設(shè)計(jì)波高H1%=H×2.23( H 為波浪平均波高) ; α 為河岸傾角，tm≥m 為河岸邊坡坡比，m =2.5; n 為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石孔隙率，%; Δm 為水下材料的相對(duì)單位重度，為水下材料的重度，KN/m3; rw為水的重度，KN/m3。

在大多數(shù)情況下，( 1 +n) Δm≈1.0，所以以上兩式可簡(jiǎn)化為:

當(dāng)

1) 風(fēng)浪要素計(jì)算包括:

風(fēng)速資料:根據(jù)提供的實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，計(jì)算歷年4—10月份各風(fēng)向最大風(fēng)速平均值。

護(hù)岸計(jì)算選取最大風(fēng)速平均值為15.3 m/s，設(shè)計(jì)情況采用風(fēng)速為平均風(fēng)速的1.5 倍，即22.95 m/s。

吹程:最大吹程為900 m。

依上進(jìn)行風(fēng)浪計(jì)算:

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50286—98) 附錄C，波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗(yàn)站公式:

按平均波周期計(jì)算的波長(zhǎng)可按下式計(jì)算:

式中:L 為平均波長(zhǎng)，m。

2) 雷諾護(hù)墊厚度計(jì)算為:由風(fēng)浪計(jì)算結(jié)果可知護(hù)岸的波浪設(shè)計(jì)高度為: HS=0.334 ×2.24 =0.745 m，將設(shè)計(jì)波浪高度值代入厚度計(jì)算公式可得:護(hù)岸設(shè)計(jì)厚度為:tm=0.15 m。

3) 雷諾護(hù)墊厚度的選定: 由以上兩種計(jì)算方法可以看出:當(dāng)水流流速作為影響雷諾護(hù)墊厚度的主要因素時(shí)，水流流速為2.0 m/s時(shí)，雷諾護(hù)墊厚度達(dá)到0.10 m就可以滿足要求;而當(dāng)由波浪高度及岸坡的傾角作為影響雷諾護(hù)墊厚度的主要因素時(shí)，經(jīng)計(jì)算雷諾護(hù)墊厚度達(dá)到0.15 m就可以滿足要求。綜合比較應(yīng)采用兩者中的較大值，但是考慮一定的安全裕度并按照雷諾護(hù)墊的規(guī)格，又由于該護(hù)岸沖刷比較嚴(yán)重，考慮冰塊撞擊及已建護(hù)坡工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此本次設(shè)計(jì)護(hù)墊厚度t 取0.25 m，采用網(wǎng)墊300 ×200 ×25 cm( 長(zhǎng)×寬×厚) ，共6 720個(gè)。

3.3.2 坡腳處護(hù)墊水平鋪設(shè)長(zhǎng)度的確定

平鋪網(wǎng)墊護(hù)坡不允許在自重的坡向分力下產(chǎn)生滑動(dòng)并有要求的安全系數(shù)Fs，可根據(jù)靜力平衡條件按下式計(jì)算:

式中:L1、L2、L3分為護(hù)墊長(zhǎng)度，m，見圖1;α 為岸坡角度;fcs為護(hù)墊與坡土的摩擦系數(shù)。經(jīng)計(jì)算確定水平鋪設(shè)水平長(zhǎng)度為7 m。

圖1 壩腳處護(hù)墊水平鋪設(shè)示意圖

固腳高度應(yīng)大于江岸沖刷深度，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50286—98) ，沖刷深度可按下式計(jì)算:

式中:hB為局部沖刷深度，m，從水面算起; hp為沖刷處的水深，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替，hp=7.00 m(0 +396 ～2 +963) ，hp=9.33 m(2 +963 ～3 +439) ; Vcp為平均流速，Vcp=2.00 m/s;V允為河床面的允許不沖流速，V允=1.2 m/s; n 為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4。

經(jīng)計(jì)算，局部沖刷深度hB=1.27 m( 2 +963 ～3 +439) ，hB=0.95 m(0 +396 ～2 +963) ，經(jīng)計(jì)算確定鋪設(shè)坡腳處護(hù)墊水平長(zhǎng)度為7 m，與固腳相同起防滑作用但不經(jīng)濟(jì)，因此采用網(wǎng)箱代替水平鋪設(shè)護(hù)墊，參考已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及本工程的實(shí)際情況，固腳采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，0 +393 ～1 +633、1+879 ～2 +963 段采用網(wǎng)箱200 ×150 ×100 cm ( 長(zhǎng)× 寬×厚) 。

3.3.3 護(hù)墊自身穩(wěn)定驗(yàn)算

上述對(duì)雷諾護(hù)墊厚度的計(jì)算僅用于初步設(shè)計(jì)的選用，厚度確定后還需按照馬克菲爾《河渠工程》的設(shè)計(jì)程序驗(yàn)算雷諾護(hù)墊的穩(wěn)定性和抗變形能力。

3.3.3.1 雷諾護(hù)墊的穩(wěn)定性計(jì)算

雷諾護(hù)墊的穩(wěn)定性計(jì)算考慮極限狀態(tài)，也就是設(shè)計(jì)最大沖刷深度的情況。一般來說，當(dāng)單個(gè)的石頭沒有發(fā)生移動(dòng)時(shí)，石護(hù)坡被認(rèn)為是穩(wěn)定的，護(hù)面的穩(wěn)定性的極限狀態(tài)發(fā)生在石頭將要移動(dòng)的臨界點(diǎn)，也就是“初始移動(dòng)”的狀態(tài)，此時(shí)如果護(hù)坡上的產(chǎn)生的剪應(yīng)力小于臨界剪應(yīng)力，那么護(hù)坡即為穩(wěn)定狀態(tài)。故若要保持雷諾護(hù)墊穩(wěn)定，則應(yīng)有:

式中:τb 為作用于底面的剪應(yīng)力，kg/m2;τc 為“初始移動(dòng)”臨界狀態(tài)下底面上的允許剪應(yīng)力，kg/m2; τm 為作用于坡面的剪應(yīng)力，kg/m2;τs 為“初始移動(dòng)”臨界狀態(tài)下坡面上的允許剪應(yīng)力，kg/m2。

作用于底面雷諾護(hù)墊上的剪應(yīng)力τb 可按下式計(jì)算:

式中:τw為水的重度，kg/m3，rw=1 000 kg/m3;h 為最大沖刷深度，m，h =0.95 m; i 為河床坡度，i =0.008。經(jīng)計(jì)算: τb=7.6 kg/m2。

“初始移動(dòng)”臨界狀態(tài)下底面上的允許剪應(yīng)力τc可按下式計(jì)算:

式中:C* 為臨界防護(hù)參數(shù)，對(duì)于散拋石在臨界狀態(tài)下的防護(hù)參數(shù)可以考慮C* =0.047，而由于雷諾護(hù)墊網(wǎng)格對(duì)石頭的約束作用可取雷諾護(hù)墊的防護(hù)參數(shù)C* =0.07; γs為石頭的重度，kg/m3，γs= 2 200 kg/m3; γw為水的重度，kg/m3，γw=1 000 kg/m3;dm為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的平均直徑，mm，即50%鋪面上的石頭可以通過的篩孔的尺寸，dm=120 mm。經(jīng)計(jì)算:τc=10.08 kg/m2。

由上述計(jì)算可知，作用于坡面雷諾護(hù)墊上的剪應(yīng)力τb小于底面臨界狀態(tài)下的允許剪應(yīng)力τc，故河岸坡面上的雷諾護(hù)墊是穩(wěn)定的。

作用域坡面的剪應(yīng)力τm可按下式計(jì)算:

經(jīng)計(jì)算:τm=5.7 kg/m2。

“初始移動(dòng)”臨界狀態(tài)下坡面上的允許剪應(yīng)力τs可按下

式計(jì)算:式中:Ks為坡度系數(shù)，;θ 為岸坡角;m 為岸坡坡度，m=2.5;φ為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角，φ = 41°。經(jīng)計(jì)算: τs=8.3 kg/m2。

由上述計(jì)算可知，作用于坡面雷諾護(hù)墊上的剪應(yīng)力τm小于坡面上的雷諾護(hù)墊在臨界狀態(tài)下的允許剪應(yīng)力τs，故河岸坡面上的雷諾護(hù)墊是穩(wěn)定的。

3.3.3.2 流速驗(yàn)算

護(hù)墊與過濾墊間的流速值:

考慮特定的砂質(zhì)土壤，則危險(xiǎn)流速值:

Vb＞(2 ～4) V，故加一層10 cm的礫石層。3.3.3.3 穩(wěn)定驗(yàn)算

取1.0 m3護(hù)坡計(jì)算，見圖2。護(hù)墊重G=25 t。

受力條件:按坡前無水，岸坡濕潤狀態(tài)考慮，網(wǎng)墊與粗礫之間的摩擦系數(shù)f 取值范圍在0.4 ～0.5。

垂直岸坡分力:N=G·cos21.8° =23.2 t

平行岸坡分力: F=G·sin21.8° =9.28 t

摩擦系數(shù):f1=0.40; f =Nf1=9.28 t; f2=0.40; f =Nf2=9.29 t;f≥F，網(wǎng)墊護(hù)坡自身穩(wěn)定。

圖2 雷諾護(hù)墊穩(wěn)定驗(yàn)算示意圖

3.3.4 流冰期冰排對(duì)護(hù)坡網(wǎng)墊撞擊影響

冰排對(duì)護(hù)坡網(wǎng)墊撞擊力的計(jì)算可根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL211—98) ，按下式計(jì)算:

式中:F 為冰塊撞擊建筑物時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值MN; υ為冰塊運(yùn)動(dòng)速度，υ =0.6 m/s; δ 為流冰厚度，取最大冰厚的0.8 倍，δ =1.6 m; A 為冰塊面積，A =10 m2; f 為冰的抗壓強(qiáng)度，f=0.45 MPa。

經(jīng)計(jì)算:F=0.14 MN，垂直作用在護(hù)坡網(wǎng)墊上的動(dòng)冰壓力F' =0.14 ×sin21.8 =0.05 MN。本次護(hù)坡網(wǎng)墊抗壓強(qiáng)度為27.5 N/mm2，可滿足冰排撞擊的要求。

3.4 護(hù)岸壓頂、固腳及防沖槽網(wǎng)箱設(shè)計(jì)

為防止岸頂雨水淘刷及其人類活動(dòng)破壞，護(hù)岸壓頂采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱200 cm×100 cm×50 cm( 長(zhǎng)× 寬× 厚) ，共1544個(gè)。固腳采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱200 cm×150 cm×100 cm( 長(zhǎng)×寬×厚) 1 544個(gè)和護(hù)墊200 cm×100 cm×25 cm( 長(zhǎng)×寬×厚)525個(gè)。

在雷諾護(hù)墊護(hù)坡首末兩端設(shè)置防沖槽，采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)200 cm×50 cm×50 cm( 長(zhǎng)×寬×厚) ，共29個(gè)。

3.5 穩(wěn)定計(jì)算

本次采用瑞典圓弧法計(jì)算護(hù)岸及岸坡基礎(chǔ)土的抗滑穩(wěn)定。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，土體的各項(xiàng)物理指標(biāo)見表1。通過STAB程序計(jì)算穩(wěn)定圖見圖3。

表1 土體物理指標(biāo)表

圖3 STAB 程序計(jì)算穩(wěn)定示意圖

經(jīng)計(jì)算: 枯水位時(shí): k =1.30; 20 a 一遇洪水位時(shí): k =1.49。

計(jì)算結(jié)果均大于允許值〔K〕=1.15，故邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

黑龍江省遜克縣黑龍江干流嘎牛戶西套子島護(hù)岸工程已通過松遼委及黑龍江省發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)，初步設(shè)計(jì)也批復(fù)，下一步將進(jìn)行該工程招標(biāo)及施工階段，相信雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)建完后在保護(hù)堤岸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水體和坡下土體間交換功能，恢復(fù)了生態(tài)平衡，它使工程結(jié)構(gòu)回歸自然，坡上植綠必將成為遜克縣嘎牛戶西套子島的一道亮麗的風(fēng)景線，此項(xiàng)技術(shù)在大慶等地已有應(yīng)用，相信不久的將來會(huì)廣泛地應(yīng)用在黑河沿江水利工程上。

［1］水利部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. SL211－98 水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.

［2］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. GB50286－98 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.