河道型水庫庫岸防護措施比選

林 宇

(1.福建省水利水電勘測設計研究院有限公司，福州 350001；2.福建省水動力與水工程重點實驗室，福州 350000)

我省有眾多河道型水庫，隨著城鄉建設發展進程的加快，庫區大量的城鎮、道路、碼頭等工程的建設全面開展。而與此同時，庫區沿岸的滑坡、崩塌等地質災害頻發，對庫區周邊群眾的生命財產安全構成威脅，因此對重點段落的庫岸進行切實有效的防護勢在必行。此外，生態水利理念的不斷推行及深化，對庫岸防護工程的設計提出了更高的要求。本文以水口庫區黃田鎮雙坑村庫岸防護工程為例，對河道型水庫庫岸防護措施進行探討。

1 工程概況

1.1 概況

黃田鎮雙坑村庫岸防護工程位于寧德市古田縣，屬于水口水庫的庫區內灣，位于水口電站上游約35 km。黃田鎮雙坑村屬于水口庫區移民村，村民在庫岸周邊生產與居住。近年來雙坑村實施了部分庫岸防護工程的建設，然而受到人類活動、工程建設以及降雨洪水等影響，未采取工程防護措施的庫岸邊坡出現了不同程度的破壞與險情，如不及時治理，侵蝕發展可能會導致大面積滑坡，將危及坡頂建筑的安全。

1.2 水庫情況

水口水庫是以發電為主，兼顧防洪、航運的大(1)型水庫，屬河道型水庫。水庫正常蓄水位為65.0 m，主汛期(4—7月)汛限水位為61.0 m，死水位為55.0 m。近年來，水口水庫的水位常年不穩定，在死水位與正常蓄水位之間波動強烈，對庫岸邊坡的安全造成了嚴峻的考驗(水庫10月14日水位—庫容變化如圖1所示)。

圖1 10月14日水口水庫水位變化曲線示意

1.3 地質條件

工程區庫岸邊坡為土質邊坡，坡度28°～35°，為斜坡—陡坡，組成庫岸的地層巖性有雜填土、坡殘積粘性土、全風化凝灰熔巖(砂質粘土)。水庫正常蓄水位以下邊坡巖土層以坡殘積層為主，部分見全～強風化巖體出露，為上覆土層下臥巖層的結構。

1.4 存在問題

待防護庫岸邊坡分為3段，庫岸長度為1.1 km，庫岸沿線為雙坑村村道及民房。除了村道，坡頂有較多民房緊挨坡眉，距離最近處僅為2.0 m。庫岸地形坡度較陡，邊坡穩定性較差，且坡面裸露未做防護，庫岸出露坡面均為坡殘積土，村民生產生活對邊坡穩定也造成較大影響。

近年來雙坑村實施了部分庫岸防護工程建設(見圖2)，然而受到人類活動、工程建設以及洪水侵襲等影響，未采取工程防護措施的庫岸邊坡出現了不同程度的破壞與險情，如不及時治理，侵蝕發展可能會導致大面積滑坡，將危及坡頂臨近建筑及道路的安全。

圖2 庫岸防護工程布置示意

經水口水電站多年運行，水庫塌岸(庫岸再造)已基本完成，塌岸范圍及寬度已基本穩定，總體來看，汛限水位以下庫岸基本穩定；汛限水位以上至居民房屋外側邊坡以人工堆積的雜填土為主，雜填土較松散，工程性能差，局部有淺表裂縫，邊坡穩定性差，同時全風化凝灰熔巖遇水易軟化、崩解，應采取工程措施對庫岸進行防護。另外，由于庫岸邊坡坡面和坡底雜草叢生，環庫岸坡的生態環境與雙坑村美麗鄉村建設目標有較大差距，同樣存在提升空間。

2 防護措施的選擇

2.1 工程條件分析

本工程位于水庫庫區內灣段，邊坡距離水口電站樞紐較遠，根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)[1]《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)[2]，本庫岸防護工程等別定為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。

根據相關規劃，項目區水體與庫岸分別作為景觀水域及湖濱綠化帶考慮，南北岸有萊福鐵路與縱五線穿越，東西岸有河濱路環抱，庫岸的生態景觀屬性應作為重要因素考慮。庫岸岸坡防護措施應根據防護對象位置、庫岸地形地質條件、施工組織、工程投資等因素進行合理選擇[3]。

雙坑村庫岸防護存在較多難點：① 庫岸較高較陡；② 水深較大；③ 水位變幅較大。防護措施應綜合庫岸地形地質條件、施工難度、工程投資及生態景觀效果等因素進行合理選擇[4]。經過對庫岸坡面情況的分析研判，明確本次庫岸防護的主要任務為：固腳、護坡以及保土。即通過防護措施阻止坡面土層被水位變動侵蝕掏刷，同時防止庫岸的整體滑移。根據地勘成果，選取現狀庫岸邊坡斷面對其穩定性進行復核，初步確定滑動面的位置。經計算，在水位驟降情況下，現狀庫岸邊坡抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，而正常運行情況下的邊坡安全系數略微大于允許安全系數。計算結果印證了庫岸邊坡在周期性水位變幅下，庫岸邊坡整體穩定性逐漸降低，且其最危險的滑弧逐漸在水位變幅區內的最低水位線上貫通堆積層，并于最低水位線處滑出[5]。

圖3 現狀庫岸抗滑穩定計算示意

2.2 防護措施擬定

由于岸坡頂有較多民房及公路緊臨庫岸坡眉，故不適宜進行大規模削方放坡；另因該處庫水位較深，設置圍堰在經濟上不可取；擋墻方案墻身高度較大，將增加坡頂荷載，不利于坡面整體抗滑。因此庫岸治理考慮填筑壓腳或施打抗滑樁[6]，結合坡頂局部削坡減載、坡面生態防護的綜合措施[7]。對于庫岸坡面防護，較為傳統的措施有零散拋石及模袋混凝土護坡等[8]，前者并不適用于坡高岸陡的庫岸，同時施工質量難以保證，另外對于石料的浪費也難以把握；后者在坡面防護及地形適應上具備一定優勢，卻阻隔了岸坡與水體的交換，也存在缺陷。經對比及初篩，格賓拋石不僅具備傳統護坡措施的優點，同時彌補了傳統材料的缺陷，在岸坡防護上優勢凸顯[9]。

3 設計方案比選

3.1 方案1：抗滑樁方案(抗滑樁+上部生態護坡)

方案1采用抗滑樁作為阻滑工程的主體，結合庫區汛限水位(61.00 m)，以61.5 m高程作為抗滑樁頂高程，同時在該高程設置3 m的平臺。抗滑樁采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁形成排樁，樁間距為1.0 m，樁長約15 m，深入全風化凝灰熔巖體中下部。另外，在不影響岸頂民房及公路的前提下對岸坡上部邊坡進行清表削坡，放緩至1∶2的坡度，坡面采用生態護坡+綠化種植進行護面；坡頂處根據需要設置步道(或路面)以及防護欄桿。方案1防護典型剖面如圖4所示。

圖4 方案1斷面示意

3.2 方案2：拋石固腳壓坡方案(拋石+上部生態護坡)

方案2在坡腳采用拋石壓重從而產生阻滑作用，即在坡腳處采用格賓拋石壓重，形成格賓拋石戧堤，戧堤頂高程55.0 m，頂寬3 m，內外坡坡度均為1∶1.5。戧堤背坡至61.5 m高程之間的岸坡坡面分2層填筑，底層拋填塊石或石渣，面層采用1 m厚格賓拋石護坡，此處底層塊石拋填與面層格賓拋石放置時形成的坡面均以1∶2的坡度控制。面層格賓拋石護坡護至61.5 m高程，并形成3 m寬的平臺，平臺內側坡腳設置C20砼護腳梁，護腳以上邊坡及坡頂的防護形式同方案1。方案2防護典型剖面如圖5所示。

圖5 方案2斷面示意

3.3 設計計算

本次庫岸防護斷面抗滑穩定計算采用南京水準科技有限公司的Autobank7.7版程序，選取岸坡高度較大且坡度較陡的斷面進行計算，該斷面岸坡高度為19.1 m。

依據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)[1]附錄中推薦的抗滑穩定計算方法，以水位驟降工況作為正常運用條件的控制工況[10]，施工期工況作為非常運用條件I的相應工況。施工期計算方法采用總應力法，對應解法為瑞典法；水位驟降期計算方法采用有效應力法，對應解法為畢肖普法。水位驟降變幅考慮由汛限水位附近(62.0 m)降至死水位(55.0 m)。

根據前文中對相應現狀庫岸抗滑穩定計算結果，抗滑樁的設置首先保證樁身強度符合要求，選取樁徑D1 000、樁距1 000的單排鉆孔灌注樁，樁身抗剪強度取2 000 kPa；其次確保樁的穩定，考慮抗滑樁在潛在滑動面以下的長度達到樁長的1/3以上，故而將樁底深入至全風化巖體中下部。

根據庫岸土體力學性質指標對2個防護方案典型斷面不同工況分析計算的結果見表1。

表1 護岸工程邊坡整體抗滑穩定計算成果

3.4 設計方案綜合比選

3.4.1結構穩定性

經穩定分析計算，2種防護方案岸坡在控制工況下的整體抗滑穩定均滿足規范要求，實施后均可有效保證岸坡安全可靠，2種工程方案的結構穩定性相當。

3.4.2投資經濟性

在工程投資方面，方案1每延米長度庫岸防護工程費用約為19 680元，方案2每延米長度庫岸防護工程費用約為20 130元，方案1的工程投資略低。

3.4.3施工適應性

2種防護措施的施工技術均較為成熟，然而本項目庫岸有其特殊性與難點，其對施工方法、質量以及效率均有不同程度的影響。根據相關工程經驗，對比2個方案在施工方面的優劣之處(見表2)。

表2 施工特性對比

在表2的基礎上對各方案的施工方法的優劣進行剖析，工程區處于村落房屋較密集處，民房與道路緊臨岸頂坡眉，且岸頂至汛限水位的高差較大，同時庫區水位變動頻繁劇烈。根據工程經驗在此施工條件下，即進行鉆孔灌注樁施工前，利用拋石形成比汛限水位略高的可靠施工平臺是常規做法，但該方案在經濟上較為浪費；然而在變動劇烈的庫區水面上借助船只打樁時[11]，要確保鉆機的穩定穩固與周正水平，取得較高的成孔質量，難度頗大。

分析方案2，受施工場地的局限相對小，作為主體的格賓拋石，可由汽車吊從岸頂吊運放置[12]，必要時在鋪設位置以工具船只輔助即可。鋪設格賓拋石不論是營造戧堤或坡面，在施工方法上更容易滿足精度及質量要求。對比分析后不難總結出：方案2在本工程中的適應性高于方案1。

3.4.4岸坡生態性

對于庫岸防護措施的生態景觀屬性，方案1抗滑樁為了保證庫岸土體的穩固須進行封閉，在一定程度上阻隔了水體與坡岸的物質交換，限制了岸坡土壤的呼吸，對于水岸生態環境有一定影響；方案2用堆石營造緩坡，格賓石籠平整美觀，同時石塊間大大小小的洞穴為庫區魚蝦提供了休養生息的場所，保留了水岸物質交換的通道，有利于水岸動植物生存。

綜上分析，經過對比2個方案在結構穩定性、工程經濟性、施工適應性及護岸生態性4個重要方面的優劣后，推薦黃田鎮雙坑村庫岸防護工程采用方案2拋石固腳壓坡作為設計方案。

4 結語

黃田鎮雙坑村庫岸防護工程結合相應規劃，旨在選擇最適宜的綜合防護方案。針對水口庫區內灣段的特性，分析庫岸存在問題與設計難點，擬定了抗滑樁與拋石固腳壓坡兩大防護措施，而后在安全性、經濟性及適應性等方面對比分析了兩種方案的優劣，最終推薦采用更為適宜的拋石固腳壓坡方案。本項目不僅能夠提升工程區庫岸的安全穩定，還可改善水口庫區沿岸生態環境及人居環境。對于河道型水庫，其庫區庫岸的范圍較大，不同區段岸坡的地形地質條件也各不相同，本文推薦的防護措施在適宜條件下可供類似工程借鑒。