渾河鍋稱子河道險工險段治理研究

劉長志

（臺安縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114100）

1 引言

渾河是遼寧省內(nèi)主要河流之一，防洪地位重要，險工險段治理關(guān)系河勢穩(wěn)定和防洪安全。臺安縣鍋稱子險工段地處河道凹岸，多年來順堤行洪，形成一條較長沖溝，沖淘嚴重。岸坎緊鄰右岸堤防，距堤腳線最近處僅2.3 m。衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，2013—2016 年，岸坎已向右岸推移4 m。如不采取工程措施，后果不堪設(shè)想。因此，需要開展鍋稱子河道險工段治理，穩(wěn)定河流水勢，調(diào)節(jié)河岸坡度，形成較為明晰、平順和生態(tài)的河道岸線。

2 鍋稱子險工段治理設(shè)計

2.1 工程總體布置

險工段總長450 m，其中嚴重段185 m 為本次治理對象，樁號為0+000—0+185。根據(jù)現(xiàn)場實際，險工段起點位置確定為河道凹岸的起點；終點位置確定在樁號0+185 斷面處，該斷面向下游方向岸坡已逐漸遠離右岸堤防。按盡量保持原岸線不變原則，綜合考慮實際，將治理段右岸偏向于河道內(nèi)側(cè)布置，使新岸線整體上右移4 m 左右。治理段現(xiàn)狀岸頂高程呈現(xiàn)中間略高、兩端稍低的特點，總體高差不大，最大僅為1.26 m，設(shè)計岸頂高程按各斷面的平均岸頂高程確定。

2.2 主要建筑物型式

經(jīng)實地查勘調(diào)研，確定選取施工工藝相對簡單、具有一定抗沖能力的生態(tài)格網(wǎng)護岸型式。在多年平均水位（1.189 m）以上進行防護處理。先回填出寬1.0 m 的平臺，布設(shè) 1.0 m×1.0 m 固濱籠戧臺，維持防護工程的穩(wěn)定性。對現(xiàn)狀邊坡進行回填，坡比1∶3。平臺至設(shè)計岸頂邊坡采用厚度為0.4 m 的綠濱墊防護，下鋪設(shè)土工布反濾，中間設(shè)厚度為0.1 m 的砂墊層。岸頂采用厚度為0.4 m的綠濱墊進行水平防護，長度為2.0 m。護坡以下采用聚丙烯布軟體沉排護底，聚丙稀布為雙層，拋石平均厚度為0.5 m。

2.3 坡面厚度計算

設(shè)計坡面厚度分別按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）及《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 353：2013）要求進行計算，并結(jié)合已有經(jīng)驗確定。

2.3.1 按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》計算護坡坡面厚度

（1）護坡厚度計算。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，在波浪作用下，斜坡堤干砌石護坡的護面厚度可按下式計算：

式中：K1為系數(shù)，干砌石取 0.266；rb為塊石的重度（kN/m3）；r為水的重度（kN/m3）；H為計算波高（m），當d/L≥0.125 時取H4%，當d/L＜0.125 時取H13%，d為堤前水深（m）；m為斜坡坡率；L為波長（m）。

風浪采用規(guī)范附錄C 中C.1.2-1 及C.1.2-2 式計算：

（2）塊石粒徑計算公式為：

式中：d為塊石粒徑（m）；v為流速（m/s），取1.71 m/s；rs為塊石重度（kN/m3）；C為石塊運動的穩(wěn)定系數(shù)，取0.9；其余變量含義同上。

經(jīng)計算，d=0.112 m。

2.3.2 根據(jù)《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算護坡厚度

（1）綠濱墊填石的平均粒徑計算。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，用于河道轉(zhuǎn)彎處外側(cè)的綠濱墊填石Dm應乘以系數(shù)1.2，本工程綠濱墊填石的平均粒徑Dm按下式計算：

式中：Dm為填石的中值粒徑（m）；So為粒徑安全系數(shù)，取1.5；Cs為填石穩(wěn)定系數(shù)，取0.1；Cv為流速分布系數(shù)，取 1.5；γs為填石的重度（kN/m3）；γw為水的重度（kN/m3）；d為流速v處局部水深（m），取6.37 m；v為斷面平均流速（m/s），取1.71 m/s；K1為邊坡修正因子，邊坡1∶3時取0.98；R為水力半徑（m），取4.91 m；b為水面寬度（m），取62.44 m；g為重力加速度（m/s2）。

經(jīng)計算，Dm=0.02 m。

（2）綠濱墊厚度確定。通常情況下，填石粒徑確定后，綠濱墊厚度應按下式確定：

式中：t為綠濱墊的最小厚度（m）；Dm為填石的中值粒徑（m）。

經(jīng)計算，t=0.04 m。

考慮波浪作用，當tanα0≥ 1/3 時，綠濱墊厚度按下式計算：

式中：Hs為波浪設(shè)計高度（m），Hs=H4%=0.206 m；α0為河岸傾角（°）。

經(jīng)計算，t=0.103 m。

綜合《堤防工程設(shè)計規(guī)范》和《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算結(jié)果以及現(xiàn)場險工治理工程實踐經(jīng)驗，護坡厚度取0.40 m，粒徑取1.5～2倍網(wǎng)孔尺寸。

2.3.3 綠濱墊規(guī)格選擇

綠濱墊網(wǎng)由生產(chǎn)廠家直接供應，依據(jù)設(shè)計要求定型生產(chǎn)，選用熱鍍鋁鋅合金鋼絲，表層覆塑。護頂綠濱墊規(guī)格為4.0 m（長）×2.0 m（寬）×0.4 m（厚），護坡綠濱墊規(guī)格為3.0 m（長）×2.0 m（寬）×0.4 m（厚），網(wǎng)孔80 mm×100 mm。網(wǎng)片網(wǎng)絲直徑2.2 mm，鍍層重量≥215 g/m2，覆塑后外徑3.2 mm；網(wǎng)片邊絲直徑2.7 mm，鍍層重量≥230 g/m2，覆塑后外徑3.7 mm；扎絲直徑2.2 mm，鍍層重量≥215 g/m2，覆塑后外徑3.2 mm。鋼絲抗拉強度350～500 MPa，延伸率≥12%。覆塑材料抗拉強度≥20.6 MPa，延伸率≥180%。隔片間距為1 m。

2.4 塊石護坡穩(wěn)定計算

穩(wěn)定分析采用不考慮條塊側(cè)面上作用力的瑞典圓弧滑動法，選擇邊坡穩(wěn)定分析程序計算。

（1）計算工況選取。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，選擇設(shè)計洪水位下的穩(wěn)定滲流期和設(shè)計洪水位驟降期2種工況進行計算。

（2）計算方法。邊坡穩(wěn)定復核分為穩(wěn)定滲流期和水位降落期2 種工況進行計算。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》F.0.4 規(guī)定，靜力計算時，地震慣性力應等于零。因此，以下公式中不含地震慣性力，采用規(guī)范推薦的瑞典圓弧法公式進行計算。

式中：W為條塊重力（kN）；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力（kN）（V向上為負，向下為正）；u為作用于土條底面的孔隙壓力（kN/m2）；α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（°）；b為條塊寬度（m）；c'、φ'分別為土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內(nèi)摩擦角（°）；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；R為圓弧半徑（m）。

（3）計算成果。各斷面抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果，詳見表1。

表1 各斷面抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

從表1 可以看出，各斷面在穩(wěn)定滲流期和水位降落期堤坡安全系數(shù)均大于抗滑穩(wěn)定允許安全系數(shù)（分別為1.25、1.15），符合規(guī)范要求。

2.5 沖刷深度計算

為確保護岸工程安全，按50 a 一遇洪水標準與造床流量對坡腳的沖刷深度進行復核。計算采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附錄D 中公式，水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計算公式為：

式中：hs為局部沖刷深度（m），從水面起算；H0為沖刷處的水深（m），以近似設(shè)計水位最大深度代替；Ucp為近岸垂線平均流速（m/s）；Uc為泥沙起動流速（m/s）；U為行進流速（m/s）；n為岸坡形狀系數(shù)，取1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查得，取1.5；γs、γ分別為泥沙與水的容重（kN/m3）；d50為床沙的中值粒徑（m），取0.000 2 m。

經(jīng)計算，結(jié)果詳見表2。渾河沈陽以下農(nóng)村段沖刷深度3～6 m，設(shè)計流量沖刷深度3.72 m，滿足要求。對比設(shè)計流量與造床流量沖刷深度值，本設(shè)計取設(shè)計流量下的沖刷深度3.72 m。

表2 險工段沖刷深度計算結(jié)果

2.6 固濱籠結(jié)構(gòu)設(shè)計

固濱籠網(wǎng)由生產(chǎn)廠家直接供應，可依據(jù)設(shè)計要求進行定型生產(chǎn)，選用熱鍍鋁鋅合金鋼絲，表層覆塑。網(wǎng)墊規(guī)格4.0 m（長）×1.0 m（寬）×1.0 m（高），網(wǎng)孔100 mm×120 mm。網(wǎng)片網(wǎng)絲直徑2.5 mm，鍍層重量≥230 g/m2，覆塑后外徑3.5 mm；網(wǎng)片邊絲直徑3.0 mm，鍍層重量≥245 g/m2，覆塑后外徑4.0 mm；扎絲直徑2.2 mm，鍍層重量≥215 g/m2，覆塑后外徑3.2 mm。鋼絲抗拉強度350～500 MPa，延伸率≥12%。覆塑材料抗拉強度≥20.6 MPa，延伸率≥180%。

2.7 沉排結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.7.1 排體結(jié)構(gòu)

護腳要求具有抗沖耐磨、富有彈性、易于修復補充等性能，以適應河床變形，便于水下施工。傳統(tǒng)形式有拋石、沉枕、石籠及沉排等。土工織物軟體沉排護腳成本低、施工便利、整體性較好、有柔性、抗沖能力較強。根據(jù)渾河近幾年的險工治理經(jīng)驗，水下部分采用聚丙烯布軟體沉排護腳，聚丙烯布為雙層。

2.7.2 排體結(jié)構(gòu)型式

軟體排采用雙層聚丙烯布護底，將聚氯乙烯繩縫制在雙層聚丙烯布中間，并將聚丙烯布同無紡布搭接在一起，排寬22 m。其上鋪設(shè)1.0 m×1.0 m方格樹枝，樹枝直徑10 cm，每25 cm用聚氯乙烯繩捆1道，上下樹枝交點用聚氯乙烯繩綁扎，拉成1.0 m×1.0 m方格網(wǎng)，作為排體骨架，四周2 m 范圍內(nèi)邊繩采用聚氯乙烯繩加固，間距1.0 m。方格網(wǎng)內(nèi)均勻鋪設(shè)10 cm厚樹枝墊層，將聚氯乙烯繩與樹枝用聚氯乙烯繩扎緊。排體上鋪設(shè)拋石，拋石厚度不低于0.5 m。

2.7.3 排體穩(wěn)定計算

軟體排穩(wěn)定分析采用了不考慮條塊側(cè)面上作用力的瑞典圓弧滑動法，選擇理正邊坡穩(wěn)定分析程序計算。

（1）計算工況選取、計算方法及公式選用同2.4塊石護坡穩(wěn)定計算。

（2）計算成果。各斷面抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果，詳見表3。

表3 各斷面抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

從表3 可以看出，各斷面在穩(wěn)定滲流期和水位降落期堤坡安全系數(shù)均大于抗滑穩(wěn)定允許安全系數(shù)（分別為1.25、1.15），符合規(guī)范要求，軟體排鋪設(shè)滿足抗滑要求。

2.7.4 排體長度計算

排長要根據(jù)沖刷深度、河槽深泓線及水下地形確定。工程設(shè)計流量計算沖刷深度3.72 m，河槽深泓線距離岸線較遠，排體長度為3 倍沖刷深度，取12.0 m。

2.7.5 排體寬度計算

根據(jù)實際經(jīng)驗，每塊排的保護區(qū)域設(shè)計寬度為20 m。因為相鄰排體存在搭接和收縮系數(shù)，軟體排制作寬度采用如下公式計算：

式中：B為每塊排保護區(qū)域?qū)挾龋╩）；B0為排體制作寬度（m），取20 m；B1為相鄰排體搭接長度（m），取1.2 m；B2為收縮減小長度（m），B2=ξ（B0-B1）；ξ為收縮系數(shù)，取0.04。

經(jīng)計算，B=21.95 m，取排體制作寬度為22 m。

2.7.6 排體設(shè)計

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，在水流作用下，防護工程護坡、護腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑（折算粒徑）按照下式計算：

式中：d為塊石粒徑（m）；v為流速（m/s），取1.71 m/s；g為重力加速度（m/s2）；rs為塊石重度（kN/m3）；r為水的重度（kN/m3），取10 kN/m3；C為石塊運動的穩(wěn)定系數(shù)，取0.9。

經(jīng)計算，d=0.112 m。

根據(jù)規(guī)范要求及實際經(jīng)驗，軟體排壓載采用拋投塊石，塊石厚度500 mm。為了保證固濱籠護腳的穩(wěn)定，以固濱籠與沉排的接觸部位為起點，拋石厚度由1 000 mm逐漸過渡為500 mm。

2.7.7 排體固定

為防止水下排體被沖走或滑坡，必須對排體頂部固定處理，可以借助平臺段固濱籠進行固定，固濱籠尺寸4.0 m（長）×1.0 m（寬）×1.0 m（厚），并將布排筋繩牢固聯(lián)結(jié)在固濱籠上。

3 結(jié)語

渾河鍋稱子河道險工段治理工程完工后運行至今，經(jīng)過多次洪水考驗，運行效果較好，為類似工程提供了成功借鑒。工程管理單位應加強河道工程設(shè)施日常維護管理，防止遭受人為惡意破壞。考慮河道下切、護岸沖刷及材料腐蝕是一個相對漫長的過程，應加強巡查觀測，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。同時，需加強對渾河非法采砂的打擊，全面遏制違法行為，以進一步減小河道下切對沿岸涉水工程造成的安全影響。在生態(tài)格網(wǎng)護岸實際應用中，需結(jié)合實際，兼顧生態(tài)和景觀要求，確保達到預期效果。