拋石護岸在大型河道治理工程中的應用

甄云俠

(黑龍江省龍騰建設監理有限公司齊齊哈爾分公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

0 引 言

隨著黑龍江省河道整治工程的增多，拋石護岸在河道整治水利工程中廣泛應用。拋石護岸施工工藝簡單、取材方便、適應性強又便于后期的管理和修復。

近些年來拋石護岸在黑龍江省河道治理中廣泛應用，特別是黑龍江省的三大江治理。拋石護岸適用于崩岸治理，無論是預防或搶險，大多采用水下拋石護岸措施。它不僅防護水流的沖刷，也有壓載坡腳的抗滑作用。比較其它護岸工程，在施工、維修、使用等方面，具有以下優點：①容易拋投于水下；②可變形，適應不平整坡面；③高糙率，消浪好；④便于修補，維修要求低；⑤耐久性好。

1 拋石護岸的應用

2020年黑龍江省某大型河道治理工程中應用了拋石護岸。該工程靠近主江道，距離深泓線較近，由于該地區寒冷，封凍期冰層較厚，開江冰塊大，流冰期冰排強烈撞擊江岸造成坍塌，防護工程既要堅固耐久、抗沖刷及抗磨損性能強、抗冰推力強、適應河床變形能力強，又要適當注重美觀、就地取材，經濟合理，便于施工、修復、加固，與周邊環境相適宜，盡量使實體工程和生物措施結合起來，降低造價保護生態環境等，因此選用了拋石護岸。經過2021年的春汛、大汛考驗，拋石護岸防護效果良好。

根據水利工程的不同地形條件、水流條件、水文條件、工程地質條件、防護任務及工程重要性等多方面因素考慮相關設計參數的取值。相關參數包括拋石護岸的拋石范圍、拋石厚度、拋石的粒徑、反濾層設計、穩定性分析等。下面結合實際工程中的取值逐步分析[1]。

1.1 拋石范圍

該工程采用拋石護岸形式，拋石范圍為：護岸頂寬1m，迎水側坡比1∶2放至緩坡處，緩坡通常要緩于1∶3.0-1∶4.0，進入緩坡后水平方向設置拋石護腳。

1.2 拋石厚度

參照《河道整治設計規范》(GB50707-2011)附錄B.3.2公式，當采用人工塊體或經過分選的塊石作為斜坡堤的護面層時，波浪作用下的單個塊體、塊石的質量Q及護面層厚度t可按下式計算：

(1)

(2)

式中：Q為主要護面層的護面塊體、塊石質量，t；當護面由兩層塊石組成，則塊石質量可在0.75Q-1.25Q范圍內，但應有50%以上塊石質量>Q；rb為—塊石重度，考慮空隙取20kN/m3；r為水的重度取9.8kN/m3；H為設計波高，m，采用H5%=0.31*1.94=0.60m；KD為穩定系數，塊石拋填二層取4.0，立放一層取5.5；n為護面塊體或塊石層數，n=2；c為系數，塊石拋填二層取1，立放一層取1.3-1.4；t為塊體或塊石護坡面層厚度，m；m為斜坡坡率[2]。

經計算：Q=0.025t，t=0.45m。

由于拋石護岸距離主河道較近，受冰凌作用概率較大，同時結合以往實際工程經驗，偏安全考慮其采用的拋石厚度取不≥60cm。

2 抗沖粒徑計算

在水流作用下，防護工程拋石護坡、護腳塊石保持穩定的抗沖粒徑(折算粒徑)，可按下列公式計算：

(3)

式中：d為折算粒徑，m，按球形折算；V為水流流速，m/s；取1.8m/s；g為重力加速度，m/s2；C為石塊運動的穩定系數；水平底坡C=1.2，傾斜底坡C=0.9；γs為石塊的容重，kN/m3；取25kN/m3；γ為水的容重，kN/m3。

經計算：d=0.13m。

拋石護岸的塊石粒徑應≥0.13m，拋石≥兩層。

3 反濾層設計

為防止退水期滲出水將岸坡土體顆粒帶出和波浪淘刷造成護岸塌陷而破壞，在拋石及格賓石籠下面鋪一層500g/m2復合土工布。

反濾材料的保土性應符合下式要求：

(O95≤Bd85)

(4)

式中：O95為土工織物的等效孔徑，mm；d85為土的特征粒徑，mm，按土中<該粒徑的土粒質量占總土粒質量的85%確定；B為系數，按工程經驗確定，宜采用1-2，當土中細粒含量大及為往復水流時取小值。

反濾材料的透水性應符合下式要求：

Kg≥AKs

(5)

式中：A為系數，按工程經驗確定，≥10；Kg為土工織物滲透系數，cm/s，應按其垂直滲透系數kv確定；Ks為土的透水性系數，cm/s。

反濾材料的防堵性應符合下式要求：

以現場土料制成的試樣和擬選土工織物在進行淤堵試驗后，所得梯度比GR應符合下式要求：GR≤3[3]。

4 沖刷深度計算

依據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)D.2，泥沙起動流速為：

(6)

式中：H0為行近水流水深，m；d50為床沙的中值粒徑，m；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3。

平順護岸的沖刷深度可按下式計算：

(6)

(7)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關一般取n=1/4；η為水流流速不均勻系數，本工程取1；U為行近流速，m/s，取1.1。

根據工程地質勘探和土工試驗結果，結合地形條件和地質情況，選取代表性較好的斷面，共4個典型斷面進行計算，計算起動流速及沖刷深度計算成果見表1[4]。

表1 起動流速及沖刷深度計算表

根據表1計算結果，在護岸坡腳處設置護腳，長度以2-3倍沖刷深度為原則，護腳長度取5-7m。

5 邊坡穩定分析

坡式護岸邊坡穩定包括整體穩定和邊坡內部穩定2種。

5.1 整體穩定計算

整體穩定包括護岸及岸坡基礎土的滑動和沿護坡底面的滑動兩種，本次采用瑞典圓弧法對護岸及岸坡基礎土的滑動進行計算。

計算公式如下：

(8)

式中：W為土條重量，kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力(V向上為負，向下為正)，kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；b為土條寬度，m；c′、φ′為土條底面的有效應力抗剪強度指標，kN/m2；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

表2 岸坡穩定計算成果表

各種工況下岸坡穩定均滿足要求。

5.2 拋石內部穩定計算

選取兩個典型斷面進行拋石內部穩定計算。

(9)

式中：m1為折點b以上護坡內破的坡率；m2為折點b以下滑動面的坡率；f1為護坡和基土之間的摩擦系數；f2為護坡材料的內摩擦系數；φ為護坡體內摩擦角。

表3 拋石內部穩定計算成果表

按上式計算的邊坡穩定系數均>允許值1.20，拋石護岸內部穩定滿足規范要求。

3 結 語

拋石護岸解決了深泓區、坡陡水深護岸防護問題。其便于施工、抗沖能力強、適應于各種復雜地形條件、耐久性好、方便后期的管理和修復，值得在河道治理工程中廣泛推廣和應用。