護(hù)岸工程設(shè)計(jì)基本問(wèn)題淺析

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 江河整治公司，湖北 武漢 430010;2.宣州區(qū)城東防洪工程管理處, 安徽 宣城 242000)

護(hù)岸工程設(shè)計(jì)基本問(wèn)題淺析

尚欽1汪繼承2周冬妮1鄭華康1

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司江河整治公司，湖北武漢430010;2.宣州區(qū)城東防洪工程管理處,安徽宣城242000)

由于河勢(shì)演變比較復(fù)雜、護(hù)岸理論研究相對(duì)落后，且護(hù)岸工程的設(shè)計(jì)仍停留在對(duì)20世紀(jì)中早期半經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用上。通過(guò)對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中基本經(jīng)驗(yàn)公式的研究，分析了公式的適用性和局限性；在此基礎(chǔ)上，明確了護(hù)岸工程范圍的劃分，闡釋了護(hù)岸工程范圍確定的基本原則及半定量方法，提出了工程結(jié)構(gòu)(拋石粒徑、防沖備填石)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為護(hù)岸工程設(shè)計(jì)提供了新思路。

護(hù)岸工程；沖刷坑；防沖填石

鑒于河勢(shì)演變比較復(fù)雜、護(hù)岸理論研究相對(duì)落后，且護(hù)岸設(shè)計(jì)仍停留在對(duì)20世紀(jì)中早期提出的半經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用上，導(dǎo)致護(hù)岸工程作為一項(xiàng)動(dòng)態(tài)工程往往滯后于險(xiǎn)情，且長(zhǎng)期處在加固維護(hù)中。本文針對(duì)護(hù)岸工程設(shè)計(jì)的幾個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式(沖刷坑計(jì)算公式、塊石抗沖粒徑和防沖備填石計(jì)算公式)進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了其出處、原理和適用性，并結(jié)合當(dāng)前河勢(shì)演變分析手段，提出了護(hù)岸工程設(shè)計(jì)新思路。

1 半經(jīng)驗(yàn)公式

1.1 沖刷坑計(jì)算

目前在護(hù)岸設(shè)計(jì)中廣泛采用的幾種沖刷坑計(jì)算公式大多引自國(guó)外有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。由于國(guó)內(nèi)外水流和地質(zhì)條件的不同，公式是否適用于國(guó)內(nèi)河流有關(guān)問(wèn)題的計(jì)算有待驗(yàn)證。主要的沖刷深度計(jì)算公式的來(lái)源和對(duì)比詳見(jiàn)表1。表1中前3個(gè)公式均針對(duì)橋梁墩臺(tái)局部沖刷模型，考慮水流局部流速變化、河底抗沖流速、含沙率等影響因素，并根據(jù)大量的工程案例和試驗(yàn)，擬合出半經(jīng)驗(yàn)公式；后3個(gè)公式則是針對(duì)橋下沖刷模型，主要考慮由于橋墩縮小了過(guò)流斷面，產(chǎn)生壅水，橋下河道水面比降增加，流速增大，進(jìn)而導(dǎo)致沖刷，并根據(jù)大量工程案例擬合出半經(jīng)驗(yàn)公式。而平順護(hù)岸基本不改變河道過(guò)流斷面，不會(huì)造成水流流場(chǎng)的局部變化，其近乎河床自然演變沖刷。因此上述公式不適用于平順護(hù)岸，與丁壩的壩根沖刷也差異較大。對(duì)比各公式的計(jì)算結(jié)果，離散性較大，對(duì)于平順護(hù)岸工程設(shè)計(jì)基本不具有指導(dǎo)意義。

1.2 塊石抗沖粒徑計(jì)算

原《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-98)和《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50707-2011)中均采用公式:

(1)

式中，d為塊石穩(wěn)定粒徑，m;V為水流流速，m/s;g為重力加速度，9.81 m/s2;C為塊石運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)，水平底坡取 0.9，傾斜底坡取 1.2，《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)將其修訂為水平底坡取 1.2，傾斜底坡取 0.9;γs為塊石的重率， 2.65 kN/m3;γ為水的重率，1 kN/m3。經(jīng)考證，上述公式引自前蘇聯(lián)時(shí)期的伊茲巴斯公式[5-6]，但是由于種種原因?qū)Ψ€(wěn)定系數(shù)C值的引用出現(xiàn)筆誤。塊石在傾斜底坡上比在水平底坡上更易失穩(wěn)，對(duì)塊石粒徑的要求更高，因此《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)的修訂是正確的。目前已實(shí)施的拋石護(hù)岸工程或多或少地出現(xiàn)了

表1 主要沖刷深度計(jì)算公式來(lái)源和對(duì)比

拋石被沖走的現(xiàn)象，除河勢(shì)變化、施工質(zhì)量等因素外，是否存在由于錯(cuò)用穩(wěn)定系數(shù)C值而導(dǎo)致設(shè)計(jì)拋石粒徑偏小的情況需要作進(jìn)一步探究。

伊茲巴斯公式從啟動(dòng)流速出發(fā)，按平拋條件推導(dǎo)，還是比較適用于護(hù)岸工程的，但只是籠統(tǒng)的按抗滑和抗傾給了兩個(gè)綜合穩(wěn)定系數(shù)，未與岸坡坡度緊密關(guān)聯(lián)，因此不夠精細(xì)。

1.3 防沖備填石計(jì)算

《長(zhǎng)江中下游平順護(hù)岸工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求》中對(duì)防沖石量考慮了2個(gè)方面的因素，即河道橫向變形被抑制后坡腳產(chǎn)生沖刷需要備填石量，工程興建后河床較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整也需要一定的加固石量，并推薦如下公式[7]。

備填石量:

(2)

加固石量計(jì)算：

Wc=KBt(∑ΔHmax-ΔHmax)/m2

(3)

式中，Wp為備填石量，m3/m;Bt為坡腳拋石厚度，m3/m；St為坡腳拋石寬度，m，重要工程取8 m，一般工程取4 m；m1為護(hù)岸前河床邊坡系數(shù)，一般取0.25，m2為穩(wěn)定后河床邊坡系數(shù)，一般取 0.5；K1和K為安全系數(shù)，K1一般取1.1；重要工程K取1.3，一般工程取1.2；ΔHmax為從新護(hù)后第一年守護(hù)段內(nèi)平均最大沖刷深度，m；據(jù)長(zhǎng)江中下游實(shí)測(cè)資料，迎流頂沖段為5～8 m，其他守護(hù)段為3～5 m；∑ΔHmax為新護(hù)到工程基本穩(wěn)定(一般為2～3 a)的累積最大沖刷深度，據(jù)長(zhǎng)江中下游實(shí)測(cè)資料，迎流頂沖段為10～15 m，一般段為8～10 m。

根據(jù)長(zhǎng)江中下游護(hù)岸工程經(jīng)驗(yàn)，重要工程段防沖石量取15～25 m3/m，一般工程段取10～15 m3/m。

防沖石護(hù)岸只是經(jīng)驗(yàn)性的工程措施，備填石量和加固石量按沖刷1 a的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分更是缺乏理論依據(jù)，且依據(jù)的關(guān)鍵參數(shù)——最大沖刷深度和第一年平均最大深度，前者來(lái)源于包爾達(dá)可夫公式，后者需待工程竣工后1 a才能獲取，因此對(duì)工程設(shè)計(jì)都不具有指導(dǎo)意義。

2 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)新思路

2.1 護(hù)岸工程范圍的劃分

傳統(tǒng)護(hù)岸工程設(shè)計(jì)僅考慮平灘水位以下的中枯水河槽，而河床地貌應(yīng)包含洪水位以下的河漫灘、平灘河槽、堤防外坡或自然階地、山體岸坡，即整個(gè)洪水河槽，共同作用于河流的沖淤變化?？紤]到洪水位以上的風(fēng)浪作用區(qū)也與之存在密切關(guān)系，因此建議針對(duì)河床地貌的不同位置和作用機(jī)理，將護(hù)岸工程范圍劃分為護(hù)坡、護(hù)灘和護(hù)腳，分別對(duì)應(yīng)洪水河床整治、中水河床整治和枯水河床整治，從而構(gòu)成了護(hù)岸工程的完整體系。由于河勢(shì)演變與水文情勢(shì)的復(fù)雜性，實(shí)際工程難以與水位嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況靈活處理。

2.2 護(hù)岸范圍的確定

近年來(lái)，利用數(shù)學(xué)和物理模型對(duì)河勢(shì)演變的規(guī)律進(jìn)行模擬分析取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，因此護(hù)岸工程設(shè)計(jì)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，充分利用河勢(shì)演變數(shù)模、物模的成果，這是今后護(hù)岸工程設(shè)計(jì)的研究方向。

2.2.1 總體布置原則

護(hù)岸工程牽涉到排澇、灌溉、航運(yùn)和岸線利用等多專業(yè)問(wèn)題，以及干支流、上下游、左右岸、近遠(yuǎn)期等多方面問(wèn)題，極為復(fù)雜，因此如果缺少綜合考慮，就不能有效處理問(wèn)題。建議結(jié)合工程具體情況，總體上按照以下原則，客觀、公正和科學(xué)地處理各方關(guān)系。

(1) 護(hù)岸工程布置應(yīng)在防洪規(guī)劃、河道整治規(guī)劃(或河勢(shì)控制規(guī)劃)的指導(dǎo)下進(jìn)行，統(tǒng)籌兼顧其他專業(yè)規(guī)劃，根據(jù)工程任務(wù)，正確處理整體與局部、干支流、上下游、左右岸的關(guān)系，應(yīng)先重點(diǎn)后一般，遠(yuǎn)近結(jié)合，分期實(shí)施。

(2) 在規(guī)劃方案確定后，護(hù)岸工程總體上要根據(jù)河勢(shì)演變的數(shù)模、物模成果確定。

(3) 護(hù)岸范圍應(yīng)根據(jù)近岸流速分布、地質(zhì)情況、歷史地形套繪定量分析確定。

(4) 應(yīng)根據(jù)保護(hù)對(duì)象、工程影響等因素進(jìn)行修正和優(yōu)化。

(5) 需考慮工程實(shí)施后對(duì)上下游、對(duì)岸、河底的影響，并制定相應(yīng)的處理方案。

(6) 要考慮未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)可能的河勢(shì)變化，護(hù)岸位置和范圍要留有一定的安全裕度。由于護(hù)岸工程的復(fù)雜性，建議有關(guān)主管單位在工程竣工后安排工程后評(píng)價(jià)，由相關(guān)單位針對(duì)(4)和(5)中的問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)和工程處理，該部分費(fèi)用應(yīng)包含在整個(gè)工程投資中。

2.2.2 確定護(hù)岸范圍的半定量方法

以往護(hù)岸范圍確定主要依據(jù)險(xiǎn)情調(diào)查、近年河道地形套繪、沖刷坑計(jì)算以及工程經(jīng)驗(yàn)，存在一定的不確定性和局限性：未出險(xiǎn)的河段不表示在其他水流條件下就一定穩(wěn)定，出險(xiǎn)河段也可能從此穩(wěn)定，甚至開(kāi)始淤積；依據(jù)近年河道地形套繪，可發(fā)現(xiàn)河床地貌的變化，可信度相對(duì)較高，但由于河勢(shì)演變的復(fù)雜性，河床地貌年內(nèi)年際發(fā)生較大變化也屬正常，當(dāng)缺乏測(cè)量資料時(shí)也易作出誤判；沖刷坑計(jì)算公式本身存在局限性，工程設(shè)計(jì)人員的主觀判斷隨機(jī)性較大；因此，通過(guò)比較各種水流條件下(至少應(yīng)包括代表性的枯水位、中水位和洪水位)近岸流速和岸坡土體不沖流速的分布情況，從泥沙起動(dòng)條件著手，由定量確定可能沖刷范圍的結(jié)果更加可信，這相當(dāng)于在定床條件下來(lái)判定沖刷可能。同時(shí)為了彌補(bǔ)定床模型的不足，仍需結(jié)合歷史地形資料套繪綜合確定。把歷史套繪資料、數(shù)模成果、流速比較成果統(tǒng)一在一個(gè)平臺(tái)上分析，將影響因素量化，盡可能消除工程設(shè)計(jì)中主觀因素的影響。

2.3 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.3.1 拋石粒徑計(jì)算方法

1979年，Stephenson推導(dǎo)了與伊茲巴斯公式基本相同的公式[6]，并分別按平拋、立拋給出了考慮護(hù)岸材料水下天然休止角和岸坡坡角因素的綜合穩(wěn)定系數(shù)K的計(jì)算公式：

(4)

(5)

式中，V為拋石穩(wěn)定部位的垂線平均流速，m/s;K為綜合穩(wěn)定系數(shù)；θ為邊坡坡度，φ為拋石休止角。按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)推薦公式計(jì)算，斜坡上的塊石計(jì)算粒徑是水平底坡的1.78倍，這直接影響了拋石厚度和工程投資。未考慮岸坡坡度的設(shè)計(jì)過(guò)于粗糙，且很多設(shè)計(jì)人員并不了解規(guī)范公式的出處和原理，造成伊茲巴斯公式長(zhǎng)期被錯(cuò)用，因此推薦采用Stephenson公式。實(shí)際工程中，水下護(hù)岸大多采用塊石，通常天然休止角基本接近42.5°，岸坡坡比一般在1∶1.5～1∶10之間。該公式并不復(fù)雜，但由于缺乏塊石材料，其他護(hù)岸材料開(kāi)始逐步推廣，因此有必要根據(jù)岸坡坡角和護(hù)岸材料水下天然休止角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。按Stephenson公式計(jì)算K值的相關(guān)分析如表2所示。

表2 平拋?zhàn)o(hù)岸形式綜合穩(wěn)定系數(shù)K值

平整、均勻的坡式平順護(hù)岸，護(hù)岸材料接觸面為自然岸坡，滑動(dòng)比滾動(dòng)容易，綜合穩(wěn)定系數(shù)K可以采用平拋公式計(jì)算；丁壩等壩式護(hù)岸或起伏較大的坡式護(hù)岸，上部表面護(hù)岸材料與下部同類型材料互相嵌填、咬合，不易產(chǎn)生滑動(dòng)，控制條件以抗傾穩(wěn)定為主，因此可采用立拋公式計(jì)算。

工程實(shí)際中拋石護(hù)岸坡比一般不陡于1∶2，從表2可以查得K=0.86。拋石護(hù)岸一般護(hù)至岸坡坡比1∶4時(shí)，可以查得K=1.14，與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)推薦公式水平K=1.2、傾斜K=0.9的成果范圍大致相當(dāng)。

2.3.2 防沖備填石計(jì)算方法

防沖備填石的概念來(lái)自于工程經(jīng)驗(yàn)，如果可能受到?jīng)_刷部位已得到防護(hù)，或者已經(jīng)對(duì)其采取全斷面防護(hù)，那么防沖備填石就失去了其存在的意義，實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)也表明以往工程護(hù)岸范圍的設(shè)定還需斟酌。

實(shí)際工程中，由于工程需要、投資限制、河勢(shì)變化等原因，護(hù)岸范圍難以完全覆蓋可能沖刷區(qū)域，此時(shí)設(shè)置一定的防沖備填，很有必要進(jìn)一步觀察，尤其在一些允許枯水河槽適度沖刷的護(hù)灘工程中。由于備填石和加固石的劃分并不嚴(yán)格，對(duì)工程設(shè)計(jì)也沒(méi)有意義，建議不再細(xì)分，只需保留防沖備填石一個(gè)概念即可。

如假設(shè)K1=K，將公式(1)和(2)相加，得到下述公式：

W=KBt[∑ΔHmax-St(m2-m1)/m2

(6)

假設(shè)拋石滿布坡面，總防沖石量近似于沖刷前后坡面的護(hù)岸拋石量之差,見(jiàn)圖1。

圖1 防沖備填石計(jì)算

根據(jù)圖1，可推導(dǎo)出防沖備填石量計(jì)算公式如下

(7)

式中，K為綜合穩(wěn)定系數(shù)，Bt為坡腳拋石厚度，m3/m;ΔS為坡腳沖刷前后拋石寬度，m;ΔHmax為新護(hù)后第一年守護(hù)段內(nèi)平均最大沖刷深度，m;St為坡腳拋石寬度，m;m1、m2分別為護(hù)岸前和穩(wěn)定后的河床邊坡系數(shù)。

按此公式計(jì)算，長(zhǎng)江中下游護(hù)岸工程的重要工程段防沖石量為24～39 m3/m，一般工程段取19～24 m3/m，總體上大于公式(5)計(jì)算成果。影響較大的主要是ΔHmax的取值，該值不能簡(jiǎn)單地由包爾達(dá)可夫公式計(jì)算求得，應(yīng)由河勢(shì)演變和沖淤計(jì)算綜合確定，當(dāng)防護(hù)范圍足夠大，河床不能再進(jìn)一步淘刷，沖刷深度可取零。根據(jù)上述公式，當(dāng)W計(jì)算值不大于零時(shí)，說(shuō)明防護(hù)范圍已可抵抗可預(yù)見(jiàn)的坡腳沖刷。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于河勢(shì)演變和水文情勢(shì)的復(fù)雜性，護(hù)岸工程是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)工程，不能沿用簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)公式和照搬以往工程案例，隨著河勢(shì)演變模擬手段的進(jìn)步，護(hù)岸工程設(shè)計(jì)理論也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。同時(shí)，護(hù)岸工程的新技術(shù)、新材料、新工藝發(fā)展迅速，在工程實(shí)踐中取得了良好的效果，也亟需進(jìn)行理論上的總結(jié)，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐。

[1] GB50707-2011 . 河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

[2] GB 50286-2013. 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[3] JTG C30-2015. 公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4] JTJ062-2002. 公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2002.

[5] 李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[6] 黃國(guó)兵,李學(xué)海,程子兵,等.截流塊體穩(wěn)定影響因素及實(shí)用計(jì)算公式[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013,30(8):25-30.

[7] 長(zhǎng)江科學(xué)院.長(zhǎng)江中下游平順護(hù)岸工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求[R].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2000.

(編輯：李曉濛)

2017-09-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0402108)

尚 欽，男，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司江河整治公司，高級(jí)工程師.

1006-0081(2017)11-0060-04

TV861

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