后窯于家險(xiǎn)段石籠護(hù)坡及軟體沉排拋石護(hù)腳設(shè)計(jì)探析

孫世軍

（遼寧省大連水文局，遼寧 大連116023）

0 引言

昌圖縣遼河干流后窯于家險(xiǎn)工段洪水期主河道受洪水沖蝕、淘刷作業(yè)向凹岸發(fā)展，改變河道平面走勢(shì)，該段險(xiǎn)工段現(xiàn)狀沖淘嚴(yán)重，彎段岸坎多有水流兌岸后形成的陡坎，不但對(duì)凹岸的灘地造成生態(tài)破壞，如不加以人為干預(yù)則很容易發(fā)展至威脅防洪堤的安全。

為了控制河勢(shì)，減少河岸沖刷，確保防洪安全，在施工期間，危險(xiǎn)段護(hù)岸加固采取石籠護(hù)坡及軟體沉排拋石護(hù)腳相結(jié)合的措施方案，本文對(duì)該險(xiǎn)工段石籠護(hù)坡及軟體沉排拋石護(hù)腳的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 石籠護(hù)坡設(shè)計(jì)

1.1 岸坡設(shè)計(jì)

河段采用格賓石籠護(hù)坡，主要防止波浪抬升和岸坡陡峭形成滑坡。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合河道整治恢復(fù)河流自然生態(tài)的理念[1]，綜合確定石籠護(hù)坡坡比為1∶3.0。

1.2 石籠網(wǎng)規(guī)格

所需的籠網(wǎng)是格賓石籠，網(wǎng)格大小可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成[2]，網(wǎng)籠規(guī)格是按照生態(tài)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的技術(shù)規(guī)范來(lái)實(shí)施的。

1.3 坡面厚度設(shè)計(jì)

干石砌體護(hù)坡t 的厚度按下式計(jì)算：

式中：K1為系數(shù)，干砌石取0.266；rb為塊石的重度，取27 kN/m3；r 為水的重度，取10 kN/m3；H 為計(jì)算波高，當(dāng)d/L 大于等于0.125 時(shí)，取 H4%，當(dāng) d/L 小于 0.125 時(shí)，取 H13%。

將各參數(shù)代入上式中，計(jì)算得t=0.24 m。

根據(jù)危險(xiǎn)工程護(hù)岸工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，護(hù)坡厚度取0.40 m。

塊石粒徑按下式確定：

式中：d 為塊石粒徑，m；V 為流速；g 為重力加速度，取 9.81 m/s2；rs為塊石重率，取 27 kN/m3；r 為水的重率，取 10 kN/m3；C 為石塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)，取0.9。

經(jīng)計(jì)算得，d=0.19 m。

根據(jù)以往護(hù)岸工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，填石平均粒徑應(yīng)比網(wǎng)孔大1.5～2 倍，填石粒徑不應(yīng)小于0.20 m。

1.4 塊石護(hù)坡穩(wěn)定計(jì)算

采用400 g/m2聚酯長(zhǎng)纖土工布，土工織物與砂土之間的摩擦角為25.2°，最陡處的斜率為1∶3.0，斜率為17.6°，其安全系數(shù)采用下式計(jì)算。

K=（W1×cosα×tgφ+W2×tgφ）/（W1×sinα）

式中：K 為穩(wěn)定安全系數(shù)；W1、W2為土體重量；α 為迎水坡坡角，取17.6°；φ 為土工布與土的摩擦角，取25.2°。

代入上式：K=1.20，石籠與土工布滿足堤坡抗滑要求。

2 軟體沉排拋石護(hù)腳設(shè)計(jì)

2.1 排體材料

護(hù)腳工程要求抗沖耐磨、富有彈性、易于修復(fù)補(bǔ)充，以適應(yīng)河床變形，而且要求便于水下施工[3]。傳統(tǒng)的工程形式有拋石、沉枕、石籠及沉排等。相比之下，土工織物軟體沉排護(hù)腳造價(jià)低、施工方便、整體性好、有柔性、抗沖能力強(qiáng)。根據(jù)遼寧省近幾年的險(xiǎn)工治理經(jīng)驗(yàn)，水下部分采用聚丙烯布軟體沉排護(hù)腳[3]，丙烯布為雙層，單位重量為110 g/m2。

護(hù)腳防護(hù)工程要求具有抗沖刷、耐磨、彈性、易于修復(fù)和補(bǔ)充、適應(yīng)河床變形、便于水下施工等優(yōu)點(diǎn)[3]。傳統(tǒng)的工程形式有拋石、石籠和沉排，相比之下，土工織物軟下沉護(hù)腳具有成本低、施工方便、整體性好、柔性好、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)指標(biāo)見表1。

表1 聚丙烯紡織布性能指標(biāo)表

2.2 結(jié)構(gòu)型式

軟下沉排用雙層聚丙烯布保護(hù)，采用φ10 mm 乙烯繩拉成1.0 m×1.0 m 網(wǎng)格，垂直流動(dòng)方向?yàn)棣?0 mm。平行流動(dòng)方向?yàn)棣? mm[3]，側(cè)繩用φ14 mm 左右的乙烯繩繩加固，范圍為2 m 左右，距離是1 m，在兩層丙烯布之間縫上乙烯繩索，然后縫上聚丙烯布，用土工織物覆蓋和縫合。丙烯布用1.0 m×1.0 m方形柞把，柞把直徑10 cm，每25 cm 用鋼絲捆一道，上下柞把交界處用14#根鋼絲綁扎，作為骨架，格子均勻鋪設(shè)10 cm 厚的柞條墊層，并用8 根鋼絲捆扎，塊體厚度不小于0.5 m。

2.3 沖刷深度計(jì)算

根據(jù)《遼河流域防洪規(guī)劃》，石佛寺水庫(kù)以上河段兩岸堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇。為確保護(hù)岸工程的安全，按30 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)坡腳的沖刷深度進(jìn)行復(fù)核。

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算：

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；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；U 為行進(jìn)流速，取1.14 m/s；n 為岸坡形狀系數(shù)，n=1/4～1/6，取 1/5；η 為水流流速不均勻系數(shù)，取 3.0；γs、γ 為泥沙與水的容重，取 19.71 kN/m3、10.0 kN/m3；d50為床沙的種植粒徑，0.00006 m。

按照以上公式計(jì)算沖刷深度3.07 m。

水平護(hù)腳沉排長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，依據(jù)規(guī)范規(guī)定結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，沉排長(zhǎng)度取深泓線外1～3 倍沖刷深度。

2.4 排長(zhǎng)設(shè)計(jì)

在排體斜坡和水平部分的設(shè)計(jì)中，排體長(zhǎng)度應(yīng)分別計(jì)算，坡面部分由坡面切割后的實(shí)際地形決定，而水平段的長(zhǎng)度由沖刷深度、溝道深度和水下地形決定[4]，當(dāng)下沉線靠近岸邊，水下地形具有明顯的坡度時(shí)，下沉線的長(zhǎng)度不應(yīng)小于沖刷深度的3倍，相反，下沉線的長(zhǎng)度應(yīng)控制在坡腳外沖刷深度的3 倍以上。

在滿足軟沉排穩(wěn)定性的前提下，考慮到施工要求，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整排長(zhǎng)，使上下行連接良好，整體性強(qiáng)[5]。

通過(guò)計(jì)算得出排長(zhǎng)10 m。

2.5 排體寬度設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮相鄰行重疊長(zhǎng)度和收縮系數(shù)，將每行的寬度設(shè)計(jì)成20 m。采用下式計(jì)算生產(chǎn)線的寬度：

式中：B 為每塊排保護(hù)區(qū)域?qū)挾?，m；B0為排體制作寬度，m，B0=20；B1為相鄰排體搭接長(zhǎng)度，B1=1.0；B2為收縮減小長(zhǎng)度，m；ξ 為收縮系數(shù)，取 0.04。

經(jīng)計(jì)算，B=21.76 m，取排體制作寬度為22 m。

2.6 軟體排壓載設(shè)計(jì)

除了保持排體的穩(wěn)定性外，排體表面壓力也應(yīng)當(dāng)足夠大，以避免在水流和風(fēng)浪下的不穩(wěn)定性。排出體上的壓力與局部流型速度有關(guān)[5]。根據(jù)水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范對(duì)軟件壓力排水的重要要求，當(dāng)流速小于或等于3 m/s 時(shí)，可采用1 kPa。該危險(xiǎn)區(qū)段汛期流速大于3 m/s，軟件鎮(zhèn)流器流量為1 kPa，壓重為 100 kg/m2。

軟體壓載采用拋投塊石拋擲厚度為0.5 m，為了確保排體上壓石不會(huì)被水流沖走，必須通過(guò)計(jì)算巖石的起動(dòng)速度來(lái)確定巖石的粒度。排體壓石粒徑計(jì)算見下式：

式中：Vh為流速，m/s；Vh' 為石塊斜坡上的起動(dòng)流速，m/s；m為斜坡的邊坡系數(shù)，m=3.0）；m0為石塊的自然邊坡系數(shù)，取m0=1.0；θ 為水流方向與水邊線的角，取θ=30°；d 為排體壓石的最小粒徑，m；g 為重力加速度，m/s2；h 為水深，m。

經(jīng)計(jì)算，d=0.15 m。

結(jié)合以往護(hù)岸工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，排體壓石最小粒徑應(yīng)不小于30 cm。

2.7 排體筋繩設(shè)計(jì)

該布置用聚乙烯加筋以加強(qiáng)該排體的張力，并且聚乙烯繩被放置在雙層聚乙烯布的中間[5]。在排布周圍和水面岸邊必須有側(cè)繩，這是保證排體結(jié)構(gòu)牢固的關(guān)鍵，一方面要考慮排本身的安全，另一方面要考慮施工的安全，肋繩的設(shè)計(jì)如下：

采用聚丙烯布保護(hù)軟排的底部，聚丙烯布為雙層，聚乙烯繩用于拉制1.0 m×1.0 m 網(wǎng)格，垂直方向?yàn)棣?0 mm，平行方向?yàn)棣? mm，在2 m 范圍內(nèi)用φ14 mm 乙烯繩加固側(cè)繩，距離1 m，在雙層丙綸布的中間縫上乙烯繩，不使用丙綸布。

2.8 排體的固定

為了確保水下排放物不被沖刷或滑坡，排放物的頂部需要固定，由于邊坡防護(hù)為石籠段，排水體需要由平臺(tái)段石籠固定。石籠尺寸為1 m（厚）×1 m（寬）×5.0 m（長(zhǎng)）。排筋繩牢牢地系在石籠上。水下排體底部采用拋石壓邊法對(duì)排體進(jìn)行保護(hù)，拋石為排體以外1 m。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)昌圖縣遼河干流后窯于家險(xiǎn)工段進(jìn)行治理，受洪水影響原有險(xiǎn)工段險(xiǎn)情加重并拓展，部分護(hù)岸工程被沖毀，河岸產(chǎn)生脫坡，為消除現(xiàn)有的險(xiǎn)情隱患，減少河岸沖刷，確保岸線平順、清晰，穩(wěn)定局部河勢(shì)是治理工程的關(guān)鍵。對(duì)現(xiàn)有險(xiǎn)工進(jìn)行整治加固，消除險(xiǎn)情隱患，減少河岸沖兌，確保岸線平順、清晰，穩(wěn)定局部河勢(shì)[6]，有效保護(hù)當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳?cái)產(chǎn)安全，為今后的河道綜合治理工作奠定基礎(chǔ)。