某大型河流浸水路基邊坡防護設計方法探討

王明利

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津市 300251）

某大型河流浸水路基邊坡防護設計方法探討

王明利

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津市 300251）

結合山西某大型河流浸水路基邊坡防護設計實例，分析浸水路基設計的重點和難點，探討浸水路基邊坡防護設計原則和方法，詳細介紹浸水路基邊坡坡腳沖刷深度計算過程和方法。臨河側浸水路基邊坡采用合金石籠結構防護處理，為浸水路基邊坡防護設計提供設計思路和參考。

浸水路基；沖刷深度；邊坡防護；石籠

0 引言

為滿足我國經濟的快速發(fā)展，基礎設施的建設必不可少，而對于公路、鐵路等交通基礎設施的建設需求則更為突出。隨著中東部平原微丘地區(qū)基礎設施的日益完善，我國基礎設施的建設重心已經向山嶺重丘區(qū)、西部地區(qū)轉移。山嶺重丘區(qū)的公路建設為減少路基邊坡支擋防護工程、開挖土石方數量、橋隧設置比例、降低工程投資，一般線位會選取沿河、沿溝設計，因而不可避免地產生浸水路基防護問題。本文根據設計實例詳細講述了某大型河流沿河浸水路基的水文計算和邊坡防護設計。

1 工程概況

本項目位于山西省境內，項目的位置關系如圖1所示。由于山腳處修建煤炭儲運裝系統(tǒng)的受煤區(qū)占壓既有公路，因此需將既有公路向臨河一側改移，改移后的公路不僅要滿足車輛通行要求，而且更為重要的是作為受煤場外側的防護工程，要保護受煤場洪水期的安全，故必須保證改移后公路的安全、穩(wěn)定。

改移公路采用二級公路，路基寬度12 m。

地質概況：項目區(qū)地質情況較為復雜，鉆孔揭示存在粗砂、砂礫、中砂、卵石土、粗圓礫土、細圓礫土、粉砂、細砂、粉土、粉質黏土、泥巖、砂巖等多種地層，且除起點處基巖埋深較淺，其余段落基巖埋深較深，最大埋深超過25 m。

圖1 項目位置關系圖

2 反沖刷深度計算

本項目設計的關鍵點是項目路堤坡面和坡腳的沖刷掏蝕作用的防治，其中坡腳沖刷深度的確定是難點。

2.1 水文模型試驗

由于項目區(qū)域并無完整的水文觀測資料可以利用，為取得計算所需基礎數據，采用平面二維水流-泥沙數學模型和物理模型兩種方法進行研究。

物理模型主要通過控制幾何相似、水流運動相似、泥沙運動相似等比尺指標，可以做到模型與原型的基本相似。通過清水定床整體模型和清水動床整體模型的設計和計算，確定模型主槽及灘地糙率、底沙粒徑比尺、沖淤時間比尺、含沙量、起動流速等比尺關系，見表1。整體模型的模型沙系大顆粒粒徑范圍為 2～8 mm，模型的糙率在0.017～0.021，與要求的糙率比較接近。

2.1.1 模型率定與驗證

清水定床條件下，二維水動力學模型和物理模型分別通過2012年和2013年枯水流量率定主槽糙率，通過2003年大洪水率定灘地糙率，最后采用1977年大洪水對率定糙率進行驗證。清水動床條件下，物理模型對河床沖刷歷時進行驗證。

表1 模型比尺計算

2.1.2 清水定床率定與驗證

在清水定床條件下，通過2012年和2013年枯水流量率定主槽糙率，通過2003年大洪水率定灘地糙率，最后采用1977年大洪水對率定糙率進行驗證。

率定和驗證結果顯示數學模型和物理模型水面線與實測水位、洪痕水位基本一致，且數學模型和物理模型結果相差不大，誤差在合理范圍內，由此確定主槽糙率為0.02，灘地糙率為0.03。

2.1.3 清水動床驗證

根據整體動床模型預備試驗資料，模型進口施放恒定流量Q=20 000 m3/s，試驗歷時1 h，相當于原型歷時20h，公路路基坡腳處河床沖刷深度基本達到穩(wěn)定，因此，正式試驗時，原型歷時取20 h。

根據該段河流水文站1977年和2003年實測洪水流量過程，原型一次洪水過程歷時約為5～10 h，本次試驗原型歷時取20 h，遠大于一次洪水過程歷時，且試驗流量按恒定流控制，洪量遠大于一次洪水過程洪量，因此，模型試驗路基坡腳處河床沖刷深度成果是偏于安全的。

數學模型模擬流場分布如圖2所示，物理水文模型試驗照片如圖3～圖5所示。

圖2 項目流場模擬圖

圖3 水文模型試驗前

圖4 水文模型試驗過程中

圖5 水文模型試驗后

2.2 理論計算

理論計算采用《公路設計手冊（路基）》[1]中公式計算，本工程防護工程的沖刷深度包括河床自然演變沖刷、一般沖刷、局部沖刷三部分[2]。

2.2.1 河床自然演變沖刷深度

根據參考資料[3-4]，該河段60年間年均沖刷厚度為0.037m。從未來50年安全性考慮，河道50年最大平均沖刷深度累計為1.85 m。

2.2.2 一般沖刷深度

一般沖刷深度計算公式：

式中：hpm為一般沖刷深度，m；h為沖刷建筑物前的水深，m；λ為沖刷系數。

根據各斷面的沖刷系數和各斷面坡腳前水深可計算各斷面位置的一般沖刷深度為0.44～1.83 m。

2.2.3 局部沖刷深度

局部沖刷深度計算公式：

式中：hpj為建筑前局部沖刷深度，m；V為行進水流的平均流速，m/s；g為重力加速度；m為建筑的邊坡坡率；d為沖刷過程中裸露出來的河床表層土顆粒篩分達到15%以上重量的粗顆粒直徑；α為水流方向與防護建筑迎水面切線的交角。

采用二維數學模型模擬和物模試驗中得到的路基坡腳處流速和水流沖刷夾角最不利數據進行取值計算，得到不同里程位置的局部沖刷深度為3.23～5.75 m。

2.2.4 工點處總沖刷深度

按里程位置匯總以上資料及計算結果，得到不同里程位置的沖刷深度為5.6～9.08 m。

2.3 沖刷深度分析

根據水文模型試驗和理論計算兩種不同的方法得到計算不同里程位置的沖刷深度，見表2。

表2 沖刷深度值

根據結果對比兩種方法得到各個位置的沖刷深度，采用水文模型試驗得到的最大沖刷位置在K0+550處，最大沖刷深度9.04 m，采用理論計算得到的最大沖刷位置在K0+600處，最大沖刷深度9.08 m，采用兩種方法得到的沖刷深度具有相同的規(guī)律性，即沖刷最不利位置在K0+550～K0+600，最大沖刷深度值9 m左右。

3 路堤坡腳外側平面防護

為保證路堤坡腳被水流沖刷后的安全，臨河側路堤坡腳外側設置平面防護，平面防護長度（垂直于路線前進方向）按《鐵路工程設計技術手冊（路基）》[5]中的公式計算：

計算所需平面防護長度為12.1～19.54 m。

4 路堤邊坡坡面防護

路堤迎水面邊坡沖刷防護設計參照類似工程的實際經驗，采用雙絞合六邊形鋼絲加筋格賓填石結構（石籠結構）。石籠結構的穩(wěn)定性設計參照水利工程堆石壩設計經驗，對石籠護坡層進行穩(wěn)定性計算。

石籠護坡層在堆石推力下的穩(wěn)定計算如下。

在水平堆石面深度h處的單位面積推力p為

高度為h的石籠護坡層承受力為

如果按式（5）求得總推力P小于石籠層重W，則認為石籠層在堆石推力作用下是穩(wěn)定的，反之則需要通過加大石籠層厚來增加石籠層重W，以達到穩(wěn)定[6]。

本項目迎水面路堤邊坡坡率初擬采用1∶3，綜合考慮搭接長度，石籠結構尺寸寬×長×高為2 m×4 m×0.6 m，如圖6所示，經計算滿足穩(wěn)定性要求。

圖6 石籠結構圖

5 路堤防護橫斷面設計

綜上所述，本項目路基臨河側典型防護斷面形式如圖7所示，設計水位以上邊坡采用漿砌片石護坡防護，設計水位以下邊坡采用石籠結構，坡腳外側設置石籠平面防護，并在坡腳處設置反壓石籠。

圖7 典型防護斷面圖

6 結語

本文結合山西某浸水路基邊坡防護設計實例，通過采用水文模型試驗和理論計算兩種方法求得了浸水路基設計的重要計算參數沖刷深度值，經過對比分析驗證了兩種方法求得的沖刷深度值的可靠性。防護設計中選用了較為經濟合理的石籠結構，隨著新材料合金石籠的應用，彌補了以往鉛絲石籠強度低、耐腐蝕性差、使用壽命短等缺點，而且石籠結構在國外應用較為普遍，已經成為生態(tài)工程的重要組成部分，石籠結構在浸水路基防護中將會得到更廣泛的應用。

[1]交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊（路基）[M].2版.北京：人民交通出版社，2001.

[2]JTG C30—2015，公路工程水文勘測設計規(guī)范[S].

[3]程龍淵，弓增喜，和瑞莉，李靜，宋海松.沙量平衡法計算沖淤量的不確定度——蘭州到花園口河段 [J].泥沙研究，2001(2)：70-76.

[4]黃河中游水文水資源局.黃河中游水文（河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間）[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.

[5]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊（路基）[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[6]凌天清，湯東，鄭智能.石籠在填石路堤邊坡防護中的應用[J].西部交通科技，2007(1):10-13.

U417.1+2

B

1009-7716（2017）04-0051-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.015

2016-12-12

王明利（1984-），男，河北承德人，工程師，從事道路設計工作。