蘭河流域墻式護岸和坡式石籠護岸設計探討

金 浩

(遼寧省水科院，沈陽 110002)

1 概 述

蘭河是太子河支流之—，位于葠窩水庫上游，發源于水泉的大黑山，自南向北流經甜水、寒嶺等鎮，于寒嶺鎮的黃家堡子匯入葠窩水庫。蘭河東與細河相鄰，西靠遼陽縣河攔、塔子等鎮，與湯河一山相隔。

蘭河治理工程下游起點位于楊房大橋上游300m處，末端為田家堡子，共36.65km，其中不需治理河段長5.51km，治理干流河段長31.14km、支流河段長1.40km。沿河兩岸村莊布局比較分散，房屋大部分沿河而建。河兩岸局部地段現在已有縣、鎮、村級建成的護坡等防洪工程。流域上游為山區，山多地少，流域內采礦場礦渣隨意堆放現象比較普遍，擾亂了河道形態，對河道的安全行洪構成威脅。

2 護岸工程現狀

甜水鄉蘭河河沿橋下游險工處理工程，其工程內容：護坡基礎為漿砌石基礎，坡面采用10cm厚的C10混凝土墊層，墊層上鋪設10cm厚的C25鋼筋混凝土，護坡頂部采用50cm厚漿砌石壓頂，現澆混凝土板每15m設一處伸縮縫。甜水鄉廟溝大橋下游段險工處理工程，其工程內容：疏浚工程分兩處，第一處為廟溝河村內橋下游305m，第二處為現甜水鄉廟溝蘭河大橋下游415m。遼陽縣甜水鄉古家段清淤工程，其內容：清淤總長度1887m。設計河底寬60m。清淤完成后，河岸兩側需平順連接，以便于行洪的需要，同時注重河岸的整潔美觀，與堤防形式大致相同。除了上述工程，還有多處村民自發組織建設的防護工程，用來保護耕地和魚塘，主要是從河道內取土，在岸灘上堆土。對村屯起到一定的防護作用。

3 工程布置

岸坡主要采用綠濱墊與固濱籠進行防護，工程根據現有岸坡走勢和河勢布置，受地形條件和已建建筑物限制的影響，護坡分為直立墻式護岸和坡式護岸。直立墻式護岸布置在地形狹窄布置受限河段，需滿足防沖和防凍要求。坡式護岸坡比采用1∶2.5，護坡厚度根據計算和經驗確定，護腳采用垂直防護或水平防護，垂直防護滿足沖刷深度要求，水平防護滿足3倍沖刷深度要求并設置1m×1m腳槽，坡頂滿足設計頂高程要求，并水平外延1m防止漫灘時水流淘刷。在石籠護岸的上下游，也就是護岸的起始點和終點位置，為防止水流頂沖、淘刷，進行石籠錨固。

4 護岸工程設計

4.1 墻式護岸

根據《河道整治設計規范》，墻式護岸的結構形式可采用直立式、陡坡式、折線式等[1]。直立墻式護岸布置在地形狹窄布置受限河段，需滿足沖刷深度和防凍要求。

4.1.1 墻式護岸抗滑計算

馬溝門護岸采用固濱墻結構形式，計算參數如下。墻高3m，共3層，每層高1m，各層寬度分別為1m、1.5m、2m，當地標準凍深為1.1m，又根據規范防沖要求，墻底埋深需在沖刷深度以下0.5-1m，馬溝門處沖刷深度為0.81m，故墻埋深取1.3m。其結構形式如圖1所示。

圖1 墻式護岸結構計算圖

擋土墻類型:抗震區浸水地區擋土墻，地震烈度7°，墻后填土內摩擦角34°，墻后填土黏聚力0kPa，墻后填土容重20.5kN/m3，墻背與墻后填土摩擦角17.5°，地基土容重20.5kN/m3，墻后填土為非凍脹性土，不考慮凍脹力。

基底抗滑穩定系數按式(1)計算：

FSsl=μ∑N/∑T

(1)

式中：∑N為豎向力總和,KN； ∑T為水平力總和,KN；μ為基底摩擦系數，取0.554。

其中μ根據現場試驗取μ=tanφf(φf取地基土的內摩擦角和格賓石料的內摩擦角中較小值)[2]。

4.1.2 墻式護岸抗傾穩定計算

抗傾覆穩定系數按式(2)計算：

FSot=∑My/∑Mo

(2)

式中：∑My為穩定力系對格賓墻體墻趾的力矩，kN·m；∑Mo為傾覆力系對格賓墻體墻趾的力矩，kN·m。

4.1.3 地基承載力驗算

格賓擋墻基底壓應力跟國內規范一致，呈梯形分布[3]。

(3)

對墻底面偏心距e的要求為：

格賓擋墻墻趾、墻踵壓應力為：

(4)

(5)

4.1.4 墻式護岸整體穩定計算

整體穩定性分析時，采用簡化畢肖普法和簡化簡布法進行計算，計算結果見表1。

表1 抗滑、抗滑、整體穩定性

4.2 坡式石籠護岸

4.2.1 坡式護岸結構形式的選定

護坡形式主要根據當地材料、施工條件及、岸坡土質等確定。主要有混凝土面板護岸、漿砌石護岸、石籠護岸，各方案特點如表2所示。

表2 各方案特點比較表

通過綜合比較施工工藝和投資，對于坡式護岸，最終采用石籠護岸的形式。

4.2.2 坡式石籠護岸設計

石籠護岸坡比采用1∶2.5，護坡厚度根據計算和經驗確定，護腳采用垂直防護或水平防護，垂直防護滿足沖刷深度要求，水平防護滿足3倍沖刷深度要求并設置1m×1m腳槽，坡頂滿足設計頂高程要求并外延1m防止淘刷。石籠底斜坡段部鋪設無紡布和0.15m厚砂礫墊層，無紡布采用短纖土工布標稱斷裂強度為12.5KN/m，型號采用400g/m2。

4.2.2.1 護岸沖刷深度計算

1)水流平行于護岸工程：

計算采用《堤防工程設計規范》中公式，公式及計算過程如下：

水流平行于岸坡產生的沖刷深度計算：

(6)

(7)

式中：H0為沖刷處的水深,m，以近似設計水位最大深度代替；UCP為近岸垂直平均流速,m/s；Uc為泥沙起動流速流速,m/s;n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4；η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α查表采用；d50為床沙的中值粒徑,m；γs、γ為泥沙與水的容重,kN/m3。

2)水流斜沖防護工程

按斜沖護岸沖刷深度計算公式：

(8)

式中：Δhp為從河底算起的局部沖深，m；α為水流流向與岸坡交角，(30°)；m為防護建筑物迎水面邊坡系數，2；d為坡腳處土壤計算粒徑；vj為水流偏斜時，水流的局部沖刷流速，計算公式如下

(9)

式中：Q為設計流量；ω為原河道過水斷面面積，m2；ωp為河道縮窄部分的斷面面積，m2。

護腳分垂直防護和水平防護兩種，枯水位較低時采用垂直防護，設計采用防護深度為1m。枯水位較高，垂直防護困難時，采用水平防護。水平防護頂部設置腳槽，腳槽頂高程高出枯水位0.5m，水平防護長度根據省內多條河流整治經驗，按照3倍沖刷深控制，若險工位于近深泓線段，防護范圍需滿足過深泓線3倍沖刷長度，計算結果見表2。

4.2.2.2 護面厚度設計

根據《堤防工程設計規范》規定，在波浪作用下，斜坡堤干砌石護坡的護面厚度t可按下式計算：

(10)

式中：K1為系數，干砌石取0.266；γb為塊石的重度,kN/m3；取27kN/m3；γ為水的重度,kN/m3；取10kN/m3；H為計算波高，當d/L≥0.125時，取H4%；當d/L<0.125時，取H13%；d為堤前水深,m；

表2 坡式護岸防護長度統計表

風浪計算采用《堤防工程設計規范》公式：

(11)

(12)

將各參數代入上式中，計算得t=0.16m。

馬克菲爾公司做了詳盡的綠濱墊的抗沖刷模型和原型試驗，根據試驗結果以及多年的工程經驗的總結，得出了“綠濱墊系列防護與流速的關系表”(如表3所示)：

表3 綠濱墊系列防護與流速的關系表

根據險工護岸工程的實際經驗，對流速>5.0m/s的護岸，塊石護坡厚度取0.50m，填石粒徑10-20cm。對流速<5.0m/s的護岸，塊石護坡厚度取0.30m，填石粒徑7-15cm。各險工坡面厚度見表4。

表4 坡面厚度統計表

4.2.2.3 塊石護坡穩定計算

1)采用《堤防工程設計規范》中折線滑動法，利用北京理正巖土軟件計算出護岸整體穩定系數為1.435>1.25，滿足要求。

2)固濱籠和綠濱墊下鋪設長絲無紡布，對摩擦力的影響按80%進行折算，坡比按最陡處考慮為1∶2.5，坡角為21.8°，由塊石護坡與無紡布沿岸坡滑動的安全系數為：

K=tg(34.5×0.8)/tg21.8=1.31>1.25

塊石與無紡布滿足岸坡抗滑要求，塊石只要砌筑得密實牢固，沒有鐵絲網也是安全牢固的。目前在東北地區多采用鐵絲石籠護砌，其原因是在護岸工程中，邊坡有時過陡，本身不夠穩定，有時下部基礎不牢固造成塊石下滑。或為防止因施工質量過低，影響到工程安全。因此在設計時，根據我省險工護岸施工經驗，采用鍍高爾凡覆塑石籠護砌，網格由外面的鋼絲經機械編織而成，網格尺寸為長4m×寬1m×厚0.5m和長4m×寬2m×厚0.3m。

4.2.2.4 護岸頂部設計

對于保護村莊的坡式護岸，護岸超高取0.5m，防止10a一遇設計水位超過岸頂對坡后土體造成沖刷，威脅村莊安全。

護岸頂部處理主要有布排錨固、岸頂處理、岸頂防沖。根據近幾年遼寧地區險工護岸的經驗，在水上部分石籠護岸的頂端，為使護岸與灘面銜接良好，以防止在洪水期形成后部淘刷，并阻止灘面雨水或河水入侵，防止坡面遭到破壞，將石籠向外延長1.0m。現狀高程較低，需回填土，壓實后在坡頂做石籠。

4.2.2.5 護岸上下游石籠錨固

在石籠護岸的上下游，也就是護岸的起始點和終點位置，為防止水流頂沖、淘刷，垂直于水流方向，沿石籠護岸邊緣開挖一0.5m×1m的溝槽，把無紡布壓入槽內，然后進行石籠砌筑。

5 結 語

蘭河為太子河支流，建成穩定健康的河道有利于減少水庫的入庫泥沙及改善水質。作為水源地，為引蘭入湯工程提供優良水保障。現狀蘭河河道險工險段較多，使兩岸人民生命財產安全受到威脅，防護工程的建設能夠給當地人民提供一個穩定的外部環境。兩岸廢渣的隨意堆放，擾亂了河道的形態，經過護岸設計及治理后兩岸房屋、農田得以有效保護；水土流失情況得以改善，對社會經濟穩定發展和構建社會主義和諧社會具有十分重要的意義。