北分干劉家閘至蒲河景觀路段護岸工程設計綜述

王曉文

(遼寧江河水利水電工程建設監理有限公司，遼寧 東港 118300)

1 概 述

北分干位于遼寧沈陽城區，于2013年、2014年進行整治實施，其中北分干閘至于虎鐵路涵為一期工程，于虎鐵路涵至蒲河濱河路段為二期工程。北分干劉家閘至明星二橋全長960m。現狀渠道兩岸為漿砌石擋墻護岸結合草皮護坡，左岸為民房及沈馬公路，右岸為引水渠和待征遷區，渠道斷面窄，過流能力不足。現狀鐵皮橋橋面破損嚴重，且渠道改造后，該橋跨度不夠，且阻礙渠道過流，無法滿足設計排澇流量安全下泄要求。

2 護岸形式

2.1 護岸結構形式

渠道常見橫斷面形式主要包括梯形橫截面，復合橫斷面和矩形橫斷面，通常情況下，在條件允許的情況下可以采用梯形斷面或復合斷面，這樣可以占用更多的土地但可以節省投資，矩形橫截面用于土地特別困難的地方，可以根據河流的地形和地質條件以及景觀規劃的要求使用不同的組合。

護岸工程項目設計的總體要求：①斷面符合設計流量；②根據實際的堤岸坡高和堤岸兩側堤臺的狀況確定斷面結構；③為提高河道景觀的生態效益，選擇既能滿足防洪抗沖要求又能兼顧景觀生態建設的河岸保護型[1]。

2.2 方案比選

2.2.1 自嵌式擋土墻

其優點是大多數組件都是工廠生產的，具有高度的自動化集成，外觀規則，美觀，無需后期裝飾。①柔性結構無需考慮凍脹問題。②維修方便。其缺點為整體性相對較差，工程進度受預制砌塊產能影響較大，需要一定的坡度，占用部分河道斷面，開挖占地約12000m2。

2.2.2 石籠擋墻護岸

優點：①結構穩定，石籠護坡具有良好的整體穩定性和耐久性，可以長期滿足穩定性要求[2]。②施工簡單，無需特殊技術，可以使用現有的砌體材料節省成本。③它具有強大的抵抗自然破壞，抗腐蝕和不利天氣影響的能力。它適用于北方的嚴寒天氣，并且具有很強的抗霜凍性。④可以承受大范圍的變形仍不坍塌。⑤石籠縫隙之間的淤泥有利于植物生長，可與周圍自然環境融為一體，有利于生態環境。⑥它具有良好的滲透性，可以防止靜水壓力造成的損壞。⑦節省運輸費用，它可以折疊運輸，在現場組裝，并且易于維護。缺點：①材質要求較高，網片若有質量缺陷，上銹或斷裂整體穩定性將難以達標。②若水中有垃圾漂浮物等則容易掛到網絲不好清理。③可以根據實際情況將鋼絲網箱改良為鋼筋籠，可以有效降低該兩種弊端產生的負面效果。但造價會上浮10%左右。④自身占用斷面較大。⑤開挖占地約8600m2。

2.2.3 預應力鋼筋混凝土護壁樁

優點：①耐久性能好。采用C60高性能混凝土，可以滿足本工程結構的耐久性要求。②結構穩定。確保樁端進入穩定土層，穩定性強，同時可減少傳統施工中軟基處理工程費用。③抗凍融、抗腐蝕能力強。④結構垂直，斷面過流能力強，占地少。缺點為成本較高。需要較大機械設備進行施工。無需開挖，基本不占地。

2.3 方案對比

綜合以上方案對比，自嵌式擋土墻投資最省，但整體性差，預應力鋼筋混凝土護壁樁方案投資最大，但占地最少[3]。結合本工程特點，劉家閘至明星二橋段現狀大部分為房屋侵占河道，且右岸為林斑，無法征占，需在林斑外側新開挖渠道采取分流措施。在新建暗渠出口至明星二橋段，為減少征占地，且要在冬季施工，避免開挖臨時占地等問題，本工程需采用預制鋼筋混凝土樁防護型式才能解決問題。其他部位封閉老渠道段右岸，則采用投資相對節約的固濱籠擋墻護岸型式與現狀渠道平順銜接。

3 護岸工程設計

設計新建暗渠出口至明星二橋段渠道采用預應力鋼筋混凝土樁護岸，防護長度634m；封閉老渠道段采用固濱籠擋墻護岸，防護長度48m。

1)新建暗渠出口至明星二橋段河岸防護為復式斷面型式，采用預應力鋼筋混凝土護壁樁護岸結合草皮護坡。護壁樁邊長400mm、內徑為240mm、樁長9m，其中2.5m位于設計河底以上。預應力鋼筋混凝土護壁樁共布置一排，采用的混凝土強度等級為C60F200W6，采用的預應力鋼筋直徑為10.7mm(低松弛預應力混凝土用螺旋槽鋼棒)，非預應力鋼筋直徑為18mm(三級鋼)，端板(Q235B鋼)厚度為20mm，螺旋筋直徑為5mm(冷拔低碳鋼絲)，螺旋筋加密區間距為45mm，非加密區間距為80mm。樁兩端2m范圍內為加密區。樁頂以上岸坡設計坡比1∶1.5，坡面播撒草籽。樁頂以上岸坡設計坡比1∶1.5，坡面播撒草籽。

2)老渠道封閉段右岸采用固濱籠擋墻護岸，與下游渠道平順銜接。固濱籠擋墻迎水面為階梯型結構，共 4 層，河底以下一層，固濱籠單體尺寸為 2m×1m×1.5m(長×寬× 高，下同)，河底以上 3 層，固濱籠單體尺寸由上至下依次為 2m×1m×1m、1.5m×1m×1m和 2m×1m×1m。在固濱籠擋墻背水側及底部鋪設土工布(400g/m2)。

3.1 沖刷深度計算

計算采用《堤防工程設計規范》中局部沖刷深公式進行計算[4-5]。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處水深，m；U為行近流速，m/s；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s;Uc為泥沙起動流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=0.25；η為水流流速不均勻系數，取1；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3，γs取17.7kN/m3、γ取9.8kN/m3；d50為床沙的中值粒徑，取0.1mm。

經計算得沖刷深度如表1所示，基礎埋深應綜合地形、地質、沖刷深度、凍土深度，同時還應滿足地基穩定要求，故本次工程基礎埋深均滿足規范規定的要求。

表1 沖刷深度計算成果表(P=10%)

3.2 預制鋼筋混凝土護壁樁穩定計算

護壁樁結構內力、整體穩定及嵌固深度均采用了北京理正深基坑支護軟件7.0PB5進行計算[6]。護壁樁計算截面均換算成等剛度C30鋼筋混凝土樁支護形式進行計算。支護結構安全等級為二級，內力采用增量法進行計算。

壁樁穩定計算：計算斷面采用北分干樁號G3+092標準斷面為典型計算斷面。計算模式：本次設計9m長護壁樁，地下嵌固深度6.5m，外露2.5m。背水側填土高度為2.7m，土坡為1∶1.5。岸頂無恒荷載及活荷載。土層參數均按原狀土參數。內側降水按設計河底進行計算。

地勘根據實際地勘數據進行計算,次設計9.0m護壁樁設計截面受彎承載力設計值為161kN·m，受剪承載力設計值為161kN，均滿足彎矩及剪力要求。

3.3 整體穩定計算

有效應力法條分法中的土條寬度:1.00m滑裂面數據圓弧半徑(m)R=14.291圓心坐標X(m)X=0.415圓心坐標Y(m)Y=7.791，整體穩定安全系數Ks=1.634>1.35,滿足規范要求。

抗傾覆(對支護底取矩)穩定性驗算：

(4)

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定；對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值[7-9]。

(5)

式中：Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

Kov=1.317>=1.200,滿足規范抗傾覆要求。

嵌固段基坑內側土反力驗算：

Ps=239.904≤Ep=322.455

(6)

式中：Ps為作用在擋土構件嵌固段上的基坑內側土反力合力，kN；Ep為作用在擋土構件嵌固段上的被動土壓力合力，kN。

根據以上計算結果顯示本次預應力鋼筋混凝土護壁樁設計滿足設計規范要求。

3.4 固濱籠擋墻穩定計算

本工程固濱籠擋墻高度為3.0m。考慮可能出現的最不利工況并分析其穩定性，具體計算工況見表2。

表2 工況匯總表

抗滑穩定安全系數、抗傾覆安全系數、基底應力計算公式如下：

(7)

式中：KC為擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；K0為擋土墻抗傾覆穩定安全系數；P為擋土墻基底應力，kPa；Φ為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑M為作用在擋土墻上全部荷載對于水平面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和，kN·m；∑MV為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m；A為擋土墻基底面的面積，m2；W為擋土墻基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩，m3。

計算采用《理正擋土墻設計軟件》，固濱籠擋土墻計算參數見表3，計算結果見表4。

表3 固濱籠擋土墻穩定計算參數

表4 固濱籠擋土墻穩定性計算成果表

根據計算結果可知，本次設計的固濱籠擋墻結構滿足穩定要求。

4 結 語

本工程是以河道為主線的水系治理工程，以防洪排澇為主，主要為解決沈陽市排水防澇問題，通過對北分干劉家閘至蒲河景觀路橋段河道進行綜合整治，有效提高北分干劉家閘下游段排澇能力，緩解城市內澇。