北江大堤某處堤險情分析及處理措施

梅飛朋

（廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，廣東 廣州，510635）

北江大堤某處堤險情分析及處理措施

梅飛朋

（廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，廣東 廣州，510635）

分析北江大堤某處險情出現的原因，根據分析結合實際情況提出合理可行的處理措施，為類似工程提供參考。

北江大堤；沖刷；坍塌

1 工程概況

北江大堤樁號32+100～32+250段位于北江大堤蘆苞堤段中部，原址為劉寨水閘（以下稱蘆苞劉寨段），位于北江大堤歷史險段范圍，見圖1。該段上游在2011年曾進行拋石護岸處理，下游于2007年在北江大堤達標加固工程中采用膜袋混凝土防護，因此該段成為整個險段中的薄弱環節。

2013年5月16日～17日北江流域出現局部大暴雨，17日石角站出現洪峰水位9.01m(珠基，下同)，對應流量11700m3/s。5月20日水退后，蘆苞劉寨段距外坡腳約15m的岸灘地出現沖刷坍塌現象。根據2013年5月北江流域管理局實測洪水后的水下地形圖顯示該段出現深槽，位于劉寨航燈塔（天然磯頭處）下游靠近左岸堤腳，槽底高程約為-13.14m，有向下游延伸擴展趨勢，見圖2。

北江大堤重要性不言而喻。如果不及時采取防護措施，將可能導致險情進一步發展，最終威脅北江大堤的防洪安全。

2 成因分析

北江屬季節性河流，汛期水量大，河面寬闊，枯水期流量較小，河面窄。北江大堤河段位于北江下游，洲汊縱橫交錯，灘涂險段較多[1]。根據地形、地質資料及洪水期現場觀察結果進行分析，蘆苞劉寨段險情主要原因如下：

1）蘆苞劉寨段位于北江河道分叉河段的左汊，由于多種因素影響河勢逐漸演變，左汊分流比不斷增大，主流從右汊逐漸轉移到左汊，左汊成為主航道。由于分叉后河面自然收窄，因此左汊水流流速較大，對該段河床及岸坡沖刷加劇，加之采砂作業影響，造成河床下切，形成深槽迫岸，影響岸坡穩定。

圖1 險情位置示意圖

圖2 實測水下地形圖

2）在劉寨水閘下游樁號32+050～32+100之間河岸為一天然磯頭，磯頭高程在6.5m左右，相當于一座丁壩，蘆苞劉寨段正處在天然磯頭的下游側，受天然磯頭影響該段形成回流區，產生漩渦沖刷岸坡[2]。

3）從整個河勢看蘆苞劉寨段基本處于河道凹岸弧線頂點。水流由于離心力作用，凹岸水面高于凸岸，從而使凹岸水體下沉沿河底流向凸岸，在上升水面取向凹岸，形成橫比降的環流。它與河道的縱向主流匯合就成為螺旋流前進，造成凹岸沖刷[3]。

4）根據地質資料，北江大堤蘆苞堤段堤基分布在沖積層上，沖積堤基由Q4、Q3二次沉積旋回地層組成。蘆苞劉寨段堤防上部堤身為人工填土、粘土及淤質粘土，堤腳以下部分主要為粗砂、淤質細砂，抗沖刷能力較差。

3 處理措施

根據上述分析，本次險情處理措施重點從加強堤腳以下部位岸坡防護，增強岸坡抗沖刷能力，優化岸線，改善局部水流流態減少回流淘刷兩方面考慮。由于投資方面考慮，本次未對深槽采取處理措施，但應密切關注深槽發展，必要時采取處理措施。常見岸坡坡腳防護措施主要有以下幾種：

①拋石護腳。將塊石拋投于堤腳淘刷坍塌處覆蓋原來淘刷部位，防止坡腳淘刷的一種措施。由于拋石的數量和質量不方便控制，實施嚴格的監理和監督比較困難。在水下施工過程中難以控制塊石間空隙，拋石體不夠密實，水流在拋石中流速仍較大，極易將被保護坡腳土體淘走，導致結構失穩，以往工程中出現過這方面的問題。北江大堤險段在做此類工程時，采取了在拋石體和被保護的岸坡之間加鋪土工布及級配碎石的方法，取得了顯著的效果。本段上游2011年即采用拋石換處理，至今未出現任何險情。

②模袋混凝土護岸。將土工織物制成的模袋鋪設到工程防護部位，然后通過用高壓泵把混凝土或水泥砂漿灌入模袋中，混凝土或水泥砂漿固結后形成具有一定強度的板狀結構或其它狀結構，形成水下岸坡防護工程，防止水流沖刷岸坡。該方案可以水下施工，具有施工強度高、生產工藝先進、質量易保證等特點，但該方案對施工水平及施工設備的配置有一定的要求。模袋混凝土護岸已在北江大堤達標加固過程中應用，并在工程設計和施工工藝方面積累了一定的經驗。

由于本段護岸范圍較小、護岸工程量不大。如果采用模袋混凝土護岸，水深達10多米，采用滑道法施工質量才容易控制。但需要大型船只，其設備進退場費用較高，顯然是不經濟的。考慮到水下散拋塊石的數量和質量均難于控制，本次設計對拋石方案進行改進：施工水位高程2.0m以下采用拋投格網石籠，施工水位高程2.0m以上仍拋投塊石。格網石籠采用熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲網兜，現場裝滿塊石扎緊封口后呈長約1.8m、直徑約0.64m圓柱體，單個石籠約1.1噸。

設計方案如下：水下拋投格網石籠至高程2.0m平臺，拋投體邊坡1：2.5～3.5，根據地形情況平臺寬度在4m～6m之間，以便岸線與上下游平順連接，改變局部流態；高程2.0m～6.0m之間岸坡拋投塊石，邊坡1：3.0～3.5，拋石體外采用400厚干砌石護坡。拋投石塊及格網石籠網兜前先鋪設土工布再拋投一層200mm厚級配碎石，見圖3。

4 堤岸防護計算

(1) 拋石護坡體內部穩定

選取32+150斷面作為典型斷面，枯水位取本次護岸平臺高程2.0，計算拋石護坡體內部穩定。根據《堤防工程設計規范》GB50286-2013附錄D.1.1，石護坡穩定安全系數：

圖3 防護方案典型斷面圖

f1—護坡和基土之間的摩擦系數，取約0.5；

其他參數定義參見《堤防工程設計規范》GB50286-2013附錄D.1.1。

經過計算，k= 1.73＞1.3 ，滿足規范要求。

圖4 計算簡圖

(2) 拋石抗沖粒徑計算

根據《堤防工程設計規范》GB50286-2013附錄D.3.4，在水流作用下，防護工程護坡、護腳塊石保持穩定的抗沖粒徑(折算粒徑)及石塊重量可按下式計算：

V—水流流速(m/s)，根據實測資料計算流速取3.3 m/s；

g—重力加速度(9.81m/s2)；

C—石塊運動的穩定系數，傾斜底坡C＝0.9；

rs—石塊的容重，可取rs＝26.5(kN/m3)；

r—水的容重，rs＝10(kN/m3)。

經計算，塊石折算粒徑為0.415m，塊石重量0.991kN，單個塊石的質量應大于99.1kg。考慮到塊石級配問題，要求拋石護腳塊石質量在80kg～120kg之間，大于100kg占75%以上。單個石籠質量在1.09t，滿足設計要求。

(3) 干砌石護坡厚度計算

式中：

t—斜坡干砌塊石厚度(m)；

K1—系數，對一般干砌石可取0.266；

rb—塊石的重度，取26.5(kN/m3)；

r—水的重度，取10(kN/m3)；

H—計算波高(m)，當d/L ≥0.125，取H4%，當d/L＜0.125，取H13%，d為岸坡前水深(m)，取10m；

L—計算波長(m)；

m—斜坡坡率，取3.0。

設計波浪要素采用風速推算，多年最大風速的平均值取12.3m/s，經計算砌石厚度為0.27m，護岸干砌石厚度采用400mm。

5 技術要求

(1)石料應采用新鮮巖石，塊石強度等級大于MU80，軟化系數大于0.75。

(2)拋石護腳塊石質量在80kg～120kg之間，大于100kg占75%以上；石籠充填塊石粒徑大于0.25m。

(3) 施工過程中必須定期進行石塊檢測，嚴格控制施工質量。

(4) 枯水位以上的拋石體，必須按干砌石的要求進行整平。

(5) 水下石籠應排列緊密，不得疊砌、架空。

6 結語

堤防安全直接關系到人民的生命財產的安全。堤腳的沖刷、河床的下切由于被水面覆蓋往往在枯水期或洪水退后才被發現，此時已經造成嚴重影響。本文通過分析蘆苞劉寨段險情，針對造成險情原因提出防護措施，按照設計方案處理完險情后至今未出現任何情況，可為類似工程設計提供參考，于險情出現之前采取適當的防護措施，起到防患于未然的作用。

[1]陳小春，譚 泳，陳永超.從河床演變的觀點淺析北江大堤幾總險情[J].廣東水利水電，1999，(4).

[2]應強.丁壩水力學[M].北京：海洋出版社，2004：11-14.

[3]毛昶煦.堤防工程手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2009：220-222.

[4]中國水利部. GB 50286-2013,堤防工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

Danger Analysis and Treatment of a North River Levee Segment

MEI Fei-peng
(Guangdong Hydropower Planning &Design Institute, Guangzhou 510635, China)

In this paper, the reasons of the danger of a North River Levee segment are analyzed, based on which reasonable and feasible measures are put forward as a possible reference for similar projects.

North River Levee; erosion; collapse

TV871

A

1672-2841（2016）02-0009-04

2016-05-19

梅飛朋，男，工程師，碩士，主要從事水工設計工作。