山區(qū)性河道護岸工程設計要點分析

孫宏偉 王志英

(1.北票市凌河保護區(qū)管理局，遼寧 北票 122100；2.水利部建設管理與質量安全中心，北京 100038)

1 工程概況

老寨川河位于遼寧省朝陽市北票市北部，為大凌河二級支流、牤牛河一級支流，河道平均比降6.4‰，流經婁家店鄉(xiāng)、寶國老鎮(zhèn)和黑城子鎮(zhèn)，流域面積365.3km2、區(qū)域河長52.6km。治理河段地理位置為東經120°32′35″～120°39′13″、北緯42°3′48″～42°4′27″。流域內海拔在380～580m之間。本次工程治理范圍為婁家店鄉(xiāng)棒槌山村的老寨營子村民組至營房村民組沿線河道，沿岸保護老寨營子、王家杖子、陳家杖子、大杖子、山灣子、三家子、營房，治理河長10.48km。

2 水文計算

老寨川河流域缺乏暴雨、洪水觀測資料。臨近流域涼水河(大凌河一級支流)上有水文站，現有1960—2007年共48年的實測資料。

項目區(qū)按照《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設計暴雨洪水計算方法》進行設計洪水計算(結果見表1)。經過驗證，計算結果符合水文一般規(guī)律，設計洪水成果可靠。

表1 北票老寨川河干流及支流設計洪水成果

3 地質勘察

3.1 勘察任務

護岸工程設計，應對已建護岸堤身土的組成、堤身砂性土的分布及規(guī)律等進行勘察，查明岸線區(qū)地形地貌單元、特征及分界線，河湖等變遷情況以及護岸沿線各土層的地層巖性、結構組成、巖土性質、分布規(guī)律、埋藏條件等情況；查明地下水埋深，有無承壓水、相對隔水層和含水層的分布規(guī)律、地下水與河水位的關系；查明堤基土的組成，特別查明堤基段砂土層及軟弱層(淤泥質土)的厚度、分布、規(guī)模等；評價區(qū)域構造穩(wěn)定性，確定地震動參數；對各岸線工程地質條件進行初步的評價。

了解堤岸河勢情況、河道沖淤變化、岸坡的形態(tài)和防護及失穩(wěn)情況，基本查明岸坡的地質結構，并對岸坡穩(wěn)定性進行初步評價。

3.2 勘察方法

勘察方法主要包括四種：工程地質測繪、工程地質鉆探、原位測試、室內土工試驗。

4 工程存在主要問題

老寨川河道只在部分河段修建了護岸，防洪標準偏低，沿河多處存在防洪薄弱環(huán)節(jié)，主要存在以下問題：

a.河岸防洪標準低。大部分河段現狀迎水側無工程防護，岸線已有工程受洪水沖淘，基礎外露嚴重，威脅護腳結構安全。兩岸之間的已有工程也已損毀嚴重，影響行洪，遇洪水時阻水嚴重；左岸山灣子村民組和大杖子村民組處河道，現狀岸坎達不到防洪標準，汛期沿岸多處洪水漫過天然岸坎，危及居民的安全。

b.河道行洪能力弱。河段局部地段河岸長期遭受沖刷，岸坎頂端呈陡坎狀，造成岸坡失穩(wěn)，岸后大片耕地及林地被毀；河道內淤積嚴重，存在塊石、卵石、礫石等淤積物，邊坡穩(wěn)定性較差，造成河道行洪斷面嚴重縮窄，影響汛期行洪。

5 護岸工程設計

5.1 護岸布置

5.1.1 護岸布置原則

建立完整防洪體系需遵循如下原則：岸線布置應盡量減少征占耕地及房屋；護岸工程應該利用現有護岸和有利地形，修筑在土質良好、結構穩(wěn)定位置；岸線應與河勢相適應，平行于洪水的主流線，岸線盡量平順，避免采用折線或急彎；工程應根據岸線兩側地形、地貌及建筑物分布情況，選擇合適的斷面形式；保護和恢復河流生態(tài)，避免河流的渠道化。

5.1.2 護岸布置

本次工程治理范圍從婁家店鄉(xiāng)棒槌山村的老寨營子村民組至營房村民組，由新建護岸及現有防護措施連接，形成防洪體系。左岸主要防護沿河路及村莊，右岸主要防護工程所在地居民的耕地。

左岸：需新建護岸共7處，分別為L0+000.00～L0+483.92、L0+528.89～ L2+760.85、L4+433.49～L6+151.22、L6+178.46～L6+559.85、L6+756.02～L8+025.61、L8+307.96～L8+513.93、L8+525.44～L10+359.72。左岸工程長度7991.31m。

右岸：需新建護岸共8處，分別為R0+000.00～R3+241.48、R3+445.23～R4+448.71、R4+518.36～R5+099.36、R5+711.11～R5+838.60、R5+893.15～R6+285.56、R6+714.78～R7+040.50、R7+718.38～R8+308.16、R8+318.35～R8+682.90。右岸工程長度6684.49m。

5.2 護岸方案選擇

根據河道岸坎現狀，進行了三種方案比選：生態(tài)格網格賓擋墻護岸、漿砌石護岸、毛石混凝土護岸。經濟條件及技術可能性比較后，各方案優(yōu)缺點分述如下。

5.2.1 生態(tài)格網格賓擋墻護岸

優(yōu)點：工程投資低，親水性好，有利于植被綠化；穩(wěn)定性、整體性良好，工期較短，有利于施工；材料抗腐蝕，耐久性好，使用壽命長；形狀可變，抗震性能好，易于維護。缺點：開挖量大，占地面積大。

5.2.2 漿砌石護岸

優(yōu)點：占用土地少，開挖量小，施工簡單，所需勞力少。缺點：工程投資較高，施工工序較多，工期較長，施工質量不易控制；不利于河道生態(tài)。

5.2.3 毛石混凝土護岸

優(yōu)點：材料易獲得，施工工序簡單。缺點：工程投資高，水泥用量大，對基礎要求較高，通水性差，不利于生態(tài)及地下水補給。

5.2.4 護岸方案確定

綜上所述，生態(tài)格網格賓擋墻護岸形式相比毛石混凝土護岸結構、漿砌石護岸結構具有良好的親水性、透水性，有利于實施植被綠化，改善生態(tài)環(huán)境；此外格網結構不影響局部的整體性，施工方便，易維護。因此，本次設計選取取生態(tài)格網格賓擋墻護岸。

5.3 護岸頂高程確定

本次設計新建工程護岸長度14.67km，包括左岸7.99km、右岸6.67km。設計護岸頂高程按如下原則確定：

依照《生態(tài)格網結構技術規(guī)程》(CECS353∶2013)要求，當10年一遇洪水位高于岸坎時，護岸頂高程以岸坎高程控制；當10年一遇洪水位低于岸坎時，護岸頂高程以洪水位加0.3m安全超高控制。格賓籠地面以下埋深為1.5m。護岸背水側岸坎設計2m寬濱河生態(tài)護岸帶，回填種植土厚度為0.3m，同時，采取相應的綠化措施。

5.4 護岸型式

本次護岸設計采用生態(tài)格網格賓擋墻材料：底部為格賓籠，格賓籠頂背水側回填30cm厚種植土，土質岸頂預留2m寬濱河生態(tài)護岸帶。濱河生態(tài)護岸帶起兩種作用，一是提高護岸的抗沖能力，二是回填土可采取綠化措施，以達到生態(tài)治河目標。

5.5 護岸穩(wěn)定分析計算

護岸穩(wěn)定計算根據地質勘測的試驗資料，確定砂礫料的設計基本參數，工程等級為5級。

5.5.1 工況選取

依據《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)，選取兩種計算工況：

正常運用：設計水位和常水位條件下；

非常運用：施工期條件下。

5.5.2 抗滑穩(wěn)定計算

格賓籠抗滑穩(wěn)定按《生態(tài)格網結構技術規(guī)程》(CECS353∶2013)中公式計算：

式中Ks——抗滑安全系數；

c0——基地黏聚力,kPa；

f——基礎摩擦系數；

B——石籠底寬，m；

∑G——作用在格賓籠上全部垂直于水平面的荷載,kN；

∑H——作用在格賓籠上全部平行于水平面的荷載,kN。

5.5.3 抗傾穩(wěn)定計算

格賓籠抗傾穩(wěn)定按《生態(tài)格網結構技術規(guī)程》(CECS353∶2013)中公式計算：

式中K0——抗傾安全系數；

∑MV——對格賓籠基底前趾的抗傾覆力矩,kN·m；

∑MH——對格賓籠基底前趾的傾覆力矩,kN·m。

5.5.4 基底壓應力驗算

格賓籠基底壓應力驗算按《生態(tài)格網結構技術規(guī)程》(CECS353∶2013)中公式計算：

式中e0——偏心距。

偏心距e0滿足要求時基礎底面最大、最小應力可按下式計算：

5.5.5 計算成果

根據上述計算公式進行計算(結果見表2)，結果表明，生態(tài)格網格賓擋墻護岸設計斷面在正常運用和非常運用條件下，均能滿足各項穩(wěn)定要求。

表2 格賓籠穩(wěn)定計算成果

5.6 滲流穩(wěn)定計算

5.6.1 計算基本數據

滲流計算根據《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)要求進行，根據地質勘測的試驗資料，確定填筑土料的設計指標(見表3)。

表3 填筑土料設計指標

5.6.2 工況選取

根據《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)對穩(wěn)定計算控制時期和運行條件的規(guī)定，選取洪水降落時對臨水側岸坡不穩(wěn)定滲流工況。

5.6.3 計算結果

計算典型斷面可能出現的最不利工況的滲流坡降及穩(wěn)定性，計算成果見表4。

表4 滲透穩(wěn)定計算成果

由表4計算結果可知，典型斷面在天然條件下能夠滿足滲透穩(wěn)定要求。

5.7 護腳埋深設計

根據工程段內河道走勢，共選取11處典型斷面進行沖刷計算，計算公式如下：

式中hs——局部沖刷深度,m；

H0——沖刷處水深,m；

Ucp——近岸垂線平均流速,m/s；

Uc——泥沙起動流速,m/s；

n——指數與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n=1/4～1/6；

η——水流流速不均勻系數。

其中卵石河床泥沙起動流速Uc按下式確定：

式中d50——河床沙的中值粒徑，0.0055m；

H0——沖刷處水深,m；

rs，r——泥沙與水的重度,kN/m3。

表5 沖刷深度計算成果

經現場實際勘測，結合沖刷計算結果，本次設計生態(tài)格網格賓擋墻護岸埋深統(tǒng)一取1.50m。

6 結 論

護岸工程用來防止因河流側向侵蝕及河道局部沖刷而造成的河岸坍塌破壞，在實際工程設計中，通常結合清淤疏浚工程、建筑工程、生態(tài)綠化工程等，共同實現河道治理，有效提高河道兩岸抵抗災害風險的能力，維持河勢穩(wěn)定，保障沿岸人民生命和財產安全。