溧江河桃溪段河道治理工程設計探究

趙金蓮

(新干縣窯里水庫管理局，江西 新干 331300)

1 工程概況

溧江系贛江中游右岸一級支流。流域位于吉安市北部，發源于豐城市石江鄉坳上，位于E115°45′，N27°48′。由東北向西南，流經豐城市的上舍、蜜蜂街進入吉安市境內，再經新干縣窯里水庫、桃溪鄉，潭丘鄉、峽江縣，再折向北流經水邊鎮，于新干溧江鄉的陳家從右岸匯入贛江，溧江全流域面213km2，主河道長度 36.4km，主河道縱比降 3.7‰。溧江由于河道坡降大，山洪暴發時洪水暴漲暴落，洪水沖刷力強。

根據沿河兩岸沖刷破壞的嚴重程度；河岸崩岸、農田沖毀的位置；保護圩鎮、村莊的范圍，確定本次設計河道治理段如下：溧江河橫江村組段、桃溪村組段、板埠村組段、城頭村組段和溧源村組段，本次工程河道綜合治理總長 16.796km。存在的主要問題有：①河床淤積較嚴重；②河道迎流頂沖處較多，岸坡抗沖刷能力較差；③原有護岸標準低，老化嚴重，不能正常運行，影響防洪安全[1]。

2 護岸斷面設計

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)要求，防護工程頂部應與灘面持平或略高于灘面。并力求頂部表面平順。河岸防護工程的護腳延伸范圍為：

1)在深泓逼岸段應延伸至深泓線，并滿足河床最大沖刷深度的要求；

2)在水流平順段可護至坡度為1∶3-1∶4的緩坡河床處；

3)堤岸防護工程的護腳工程頂部平臺應高于枯水位0.5-1.0m。

本工程主要為護岸工程，未新建堤防，綜合河岸工程地質及現狀實測河岸(塌岸)坡比及岸邊農田、村鎮、旅游區分布情況，分別采用以下四種護岸型式為:漿砌石擋墻護岸、混凝土預制塊護坡、干砌石護坡、草皮護坡。

2.1 漿砌石擋墻護岸斷面設計

本工程重力護岸主要布置在險工險段、橋梁上下游一定范圍內、濱河公路段和傍河房屋密集段，采用漿砌石擋墻護岸。溧江屬山區河流，山洪暴發時水流速度快，洪水沖刷力強。為防止水流沖刷河堤岸腳，險工險段、橋梁上下游一定范圍內、濱河公路段和傍河房屋密集段護岸削坡時危及岸坡穩定安全并確保堤岸、岸灘穩定，需采取M7.5漿砌石擋墻齒腳護岸，以增強河岸的穩定[2]。

對河道坡降大的主流迎流頂沖、崩岸段結合當地經驗并考慮公路濱臨河道無法放坡削岸等因素，采用漿砌石擋墻護岸，斷面型式為重力式擋墻或仰斜式擋墻。重力式擋墻頂寬50cm，迎水面垂直，背水面坡比為1∶0.3，墻高2.5-3.0m，基礎持力層為砂卵石層，深入河床沖刷線以下1.0m，每10m設一沉降縫，縫內填閉孔泡沫板；仰斜式擋墻頂寬50cm，迎水面坡比1∶0.5，背水面坡比為1∶0.3，墻高2.5-3.5m，基礎持力層為砂卵石層，深入河床沖刷線以下1.0m，每10m設一沉降縫，縫內填閉孔泡沫板。

本工程現有漿砌石擋墻護岸0.834km；其中樁號TK12+475-TK12+610段漿砌石擋墻護岸，長0.135km現狀良好，予以保留，對其他河段現有老化損壞的漿砌石護岸采用漿砌石進行加固修復。加固修復現有漿砌石擋墻護岸長0.699km。

2.2 混凝土預制塊護坡斷面設計

本次設計對邊坡較緩且靠近村莊河岸采用15混凝土預制塊護坡。

本次設計針對險情情況，對臨水坡易沖刷堤段需對其進行混凝土預制塊護坡。混凝土預制塊采用六角形板邊長30cm，其混凝土標號為C15。

混凝土預制板護坡厚度按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》(SL189—2013)附錄A推薦的公式計算：

(1)

式中：η為系數，對整體式大塊護面板取1.0，對裝配式護面板取1.1；hp為波高，m；Lm為平均波長，m；b為沿壩坡方向板長，取1.0m；ρc為板的密度，取2.4t/m3；ρw水的密度，取1.0t/m3；m為坡度系數，取2.5。

經計算t=9.1cm，參考類似工程10-20cm，上游壩坡預制塊護坡厚度取10cm，混凝土預制板下設碎石、卵(礫)石、砂料、墊層厚10cm。

護岸設計依據《長江中下游護岸工程技術規定》(試行)、《堤防工程設計規范》及我院實測水下地形圖等進行。由于迎流頂沖、急流傍岸等原因形成的逼近岸腳的陡岸，需采取防護措施。根據工程現狀存在的問題，對迎流頂沖、急流傍岸等原因形成的直接危及安全的陡岸河段，一般采用平順護岸的形式進行處理，采用C15混凝土齒腳上接混凝土預制塊護坡處理，C15混凝土齒腳頂高程與河床設計高程持平，齒腳頂寬0.5m，高0.8m，墻頂以上接0.1m厚混凝土預制塊護坡，預制塊護坡底下為0.1m厚砂礫料墊層，護坡坡比為1∶1.5，坡頂為0.8m寬混凝土壓頂，護坡頂部高程平河岸高程，并力求平順。

2.3 干砌石護坡斷面設計

本次設計對迎流頂沖河岸和地質條件較差的河岸采用干砌石護坡。

護岸厚度設計及選用：溧江河蜿蜒曲折，在河道凹岸，形成迎流頂沖。根據現場調查和實測資料分析，溧江河兩岸共有迎流頂沖險段22處，長3.485km。塊石須選用新鮮完整、無風化的塊石進行護坡，下設砂卵石墊層，墊層厚0.10m。

河岸護坡所需塊石粒徑及護坡厚度按《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)的有關公式:(塊石在最大局部波壓下所需的換算直徑、質量、平均粒徑、平均質量和護坡厚度為)計算。

(2)

式中：D為石塊換算成球形的直徑，m；D50為石塊的平均粒徑，m；Q為石塊的質量，t；Q50為石塊的平均質量，t；pω為水的密度，取1.0t/m3；pi為塊石的密度，取2.2t/m3；Lm為平均波長，m；hp為累積頻率為5%的波高，m；m為護坡坡率，m=2.0；Kt為隨坡率變化的系數，取Kt=1.3。

經計算后，參考類似工程干砌石護坡的厚度選用30cm。本次設計采用C15混凝土齒腳上接干砌石護坡處理，C15混凝土齒腳頂高程與河床設計高程持平，齒腳頂寬0.5m，底寬0.86m，高1.0m，墻頂以上接0.4m厚干砌石護坡，干砌石護坡底下為0.1m厚砂礫料墊層，護坡坡比為1∶1.5，坡頂為0.75m寬0.1m厚混凝土壓頂，護坡頂部高程與河岸高程持平，并力求平順[3]。

本工程現有干砌石護坡0.356km，位于樁號TK10+184-TK10+540段右岸的干砌石護坡，現狀良好，予以保留。

2.4 草皮護坡斷面設計

對清淤河段進行坡比1∶2.5整坡后鋪設草皮護坡，坡比緩于1∶2.5的保持現狀，頂高程為河岸高程。

3 護岸工程設計計算

3.1 基礎沖刷深度計算

堤岸沖刷深度的計算，按照規范《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)并參考相關文獻計算。

水流平行于岸坡產生的沖刷可按下式計算：

(3)

經計算hB=0.88m，取整為1.0m，根據以上計算成果，水流彎段最大沖刷坑深度為0.88m，參照相關工程經驗，混凝土齒腳采用C15現澆混凝土，埋深1.0m，其埋深大于最大沖刷深度，滿足堤腳抗沖刷要求。設計漿砌石擋墻基礎埋深取1m，墻前回填塊石護腳。即護岸基礎應深入河床面以下1.0m。

3.2 邊坡穩定計算

3.2.1 計算法

根據《堤防工程設計規范》，堤防整體抗滑穩定計算采用瑞典圓弧滑動法，計算簡圖見圖1。土堤堤坡穩定計算方法由于對土體抗剪強度計算方法的不同，分為總應力法和有效應力法。

1)總應力法：

施工期抗滑穩定安全系數按下式計算：

(4)

水位降落期抗滑穩定安全系數按下式計算：

(5)

W=W1+W2+γWZB

(6)

圖1 圓弧滑動法計算簡圖

2)有效應力法：

穩定滲流期抗滑穩定安全系數按下式計算：

(7)

式中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，W=W1+W2+γWZb，KN；W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；Z為堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m；u為穩定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；u1為水位降落前堤身的孔隙壓力，kPa；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；γW為水的重度，kN/m3；cu，φu為直剪儀快剪或三軸儀不排水剪強度指標，kN/m3，°；Ccu，φcu為直剪儀固結快剪或三軸儀固結不排水剪強度指標，kN/m3，°；C′，φ′為直剪儀慢剪或三軸儀固結排水剪強度指標，kN/m3，°。

3.2.2 計算參數

水：r水=10kN/m3，壤土料：r=18.1kN/m3，r浮=10.0kN/m3，等值內摩擦角φ=19°。

設計斷面穩定計算設計邊坡穩定計算時，選擇TK0+800斷面進行計算。計算程序采用河海大學工程力學研究所編制的《土石壩邊坡穩定分析系統》進行。設計斷面邊坡整體穩定計算結果見表1。

表1 邊坡穩定計算結果表

從表1可以看出，各工況均大于規范規定的允許最小安全系數，故整體抗滑穩定是滿足要求的。TK0+800段岸坡施工期穩定計算成果圖見圖2，TK0+800段岸坡高水位穩定計算成果見圖3。

圖2 TK0+800段岸坡施工期穩定計算成果圖

圖3 TK0+800段岸坡高水位穩定計算成果

3.3 擋墻穩定及應力計算

3.3.1 計算公式

按《水工擋土墻設計規范》(SL379-2007)擋土墻穩定計算公式如圖4所示。

1)擋土墻的抗滑穩定安全系數按規范式6.3.5-1計算:

(8)

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；∑W為作用在墻體上全部垂直力總和，kN；∑P為作用在墻體上全部水平力總和，kN；f為底板與堤基之間的摩擦系數。

2)擋土墻的抗傾穩定安全系數按規范式6.4.1計算：

(9)

式中：K0為抗傾穩定安全系數；∑MV為作用在墻體上全部垂直力總和，kN·m；∑MH為作用在墻體上全部水平力總和，kN·m。

3)擋土墻的基底壓應力按下式計算：

(10)

式中：σmax、min為基底最大和最小壓應力；∑G為垂直荷載，kN；A為底板面積，m2；∑M為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；∑W為底板的截面系數，m3。

3.3.2 計算工況

工況1：施工期完建情況，墻前無水。

工況2：常水位運行情況，墻前為常水位。

工況3：設計洪水運用情況，墻前為設計水位。

3.3.3 計算斷面

各型式防洪墻計算斷面選取最大的斷面進行計算，本次選取的計算斷面簡圖如下：

(a)重力式擋墻結構計算典型斷面圖 (b)仰斜式擋墻結構計算典型斷面圖

3.4 計算成果

計算采用理正擋土墻計算軟件進行計算。計算結果見表2、表3。

表2 荷載組合

表3 防洪擋土墻穩定計算成果表

續表3 防洪擋土墻穩定計算成果表

根據《水工擋土墻設計規范》(SL379-2007)規定，以上四種斷面型式，抗滑Kc和抗傾Ko的安全系數均滿足規范要求。

4 結 語

溧江河桃溪段河道治理工程的實施，能夠恢復河道原有功能、保持河勢穩定和河道行洪暢通，是區域行洪、排澇的需要，可確保兩岸人民的生命財產安全和社會經濟可持續發展；同時，項目的實施可使項目區內水體進出暢通，增加了沿線區域水環境容量、改善了沿線區域水環境、提高了對周圍區域的灌溉能力，對改善水環境、提高水資源利用十分有利，可恢復河道原有的河暢、水清、岸綠、景美的狀態。