多功能河道的駁岸墻設(shè)計(jì)與優(yōu)化

丁長(zhǎng)圍，裴習(xí)軍

(儀征市水利工程總隊(duì)，江蘇 揚(yáng)州 211400)

0 概 述

泗源溝是以行洪為主，結(jié)合排澇、引水、航運(yùn)的綜合性河道。沿線河坡土質(zhì)主要為砂壤土夾粉砂或與粉砂互層，黏率含量較低，抗剪強(qiáng)度低，抗沖刷能力差，河坡極易被洗塌。且該河道現(xiàn)狀為Ⅵ級(jí)限制性航道(揚(yáng)州市政府已批復(fù)為Ⅴ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn))，船行波沖刷強(qiáng)度大。從減輕行洪、船行波對(duì)堤坡沖刷、長(zhǎng)期浸蝕影響的角度考慮，堤坡應(yīng)進(jìn)行防護(hù)，特別是水面變幅處。根據(jù)周邊已做工程的運(yùn)行實(shí)踐，對(duì)水位變幅部位(▽3.5-5.2m)采取防護(hù)是必要的。常用的護(hù)岸型式有混凝土生態(tài)連鎖磚、土工網(wǎng)墊、駁岸墻等[1-3]?；炷辽鷳B(tài)連鎖磚通過(guò)相互之間的連鎖，使其具有較好的整體性，且可以較好適用于坡面沉降，常用于坡比>1∶2的放坡段防護(hù)[4]。土工網(wǎng)墊是一種新型土工合成材料，在其內(nèi)部可以填充土壤、砂石等以便上部植被生長(zhǎng)，通過(guò)貼合在岸坡表面，可有效防止水土流失[5-6]。駁岸墻對(duì)于岸坡的淺層滑動(dòng)具有明顯的阻滑效果，其擋墻自身的抗剪能力較強(qiáng)，多用于城市及沒條件放坡的河道整治中，可以在不需要大開挖的情況下，有效增大河道過(guò)流斷面[7-8]。

文章通過(guò)對(duì)泗源溝河道條件的分析，提出駁岸墻結(jié)合放坡的護(hù)岸方案進(jìn)行堤防加固設(shè)計(jì)，基于駁岸墻型式的比選結(jié)果，采用遺傳算法快速搜索最佳駁岸墻尺寸，對(duì)駁岸墻斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并復(fù)核優(yōu)化斷面的穩(wěn)定計(jì)算，最終應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中，使得工程在保證安全的前提下投資最小。

1 泗源溝河道現(xiàn)狀分析

泗源溝為歷史老河道，河坡土質(zhì)砂性、淤泥質(zhì)土，受多年雨蝕、船行波淘刷，加之汛期洪水沖刷，導(dǎo)致河道迎水側(cè)堤坡坍塌十分嚴(yán)重，部分堤防已坍坡至迎水側(cè)堤肩，坡比幾近垂直。根據(jù)對(duì)沿線現(xiàn)狀邊坡統(tǒng)計(jì)，泗源溝閘上段南北兩側(cè)共17.88km堤段原▽5.0m處5.0m寬的青坎已幾乎坍塌殆盡，并且5.0m以下也出現(xiàn)了不同程度的滑坡。總體河道現(xiàn)狀問(wèn)題主要為標(biāo)準(zhǔn)偏低和滑坡兩方面。

1)工程原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，不能適應(yīng)工情、水情變化：

泗源溝始建于晉代，但直到20世紀(jì)70年代初才真正形成規(guī)模，當(dāng)時(shí)泄洪按10a一遇來(lái)疏浚的，擋洪不足20a一遇標(biāo)準(zhǔn)，河床斷面為河底高程0.0m，寬10-15m，▽5.0m設(shè)青坎，堤頂高程7.5m-8.0m。經(jīng)30多年運(yùn)行，沿線河床平均淤積深度超過(guò)1m，原青坎基本坍失，已嚴(yán)重影響堤防安全和河道行水能力，泄洪水位也因河床抬高、過(guò)流斷面減小而有所抬高。同時(shí)，由于長(zhǎng)江潮位抬高，受江潮頂托影響，泗源溝全線水位抬高，使原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低的泄洪、擋洪能力更為薄弱，嚴(yán)重威脅兩側(cè)平原圩洼地的防洪安全。河道的淤積導(dǎo)致河道排澇、引水?dāng)嗝娌蛔悖蟠罂s小了河道過(guò)流斷面，汛期行洪壅高河道水位，增大河道流速，威脅堤防安全；河道的淤積也影響河道的引水過(guò)流能力，現(xiàn)狀河底高程0.6-1.5m，河道底寬8-15m，低水位時(shí)引水困難。河道沿線眾多涵洞洞首位置淤積至近3.5m，部分涵洞每年甚至需抽槽引水，非常不便。

2)河道迎水側(cè)堤坡坍塌嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅防洪安全：

泗源溝為歷史老河道，河坡土質(zhì)砂性、淤泥質(zhì)土，受多年雨蝕、船行波淘刷，加之汛期洪水沖刷，導(dǎo)致河道迎水側(cè)堤坡坍塌十分嚴(yán)重，部分堤防已坍坡至迎水側(cè)堤肩，坡比幾近垂直。根據(jù)對(duì)沿線現(xiàn)狀邊坡統(tǒng)計(jì)，閘上段南北兩側(cè)共17.88km堤段原▽5.0m處5.0m寬的青坎已幾乎坍塌殆盡，并且5.0m以下也出現(xiàn)了不同程度的滑坡。沿線塌坡段主要集中在▽6.0-4.0m之間，沿線的新城、樸席、真州、十二圩等鄉(xiāng)鎮(zhèn)每年均需動(dòng)用大量的人力、財(cái)力進(jìn)行搶險(xiǎn)自救。在泗源溝一期工程整治及歷年汛期施工后，目前仍然存在約0.7km堤防不達(dá)標(biāo)、堤坡陡立等險(xiǎn)情位置，威脅堤防安全。

2 駁岸墻加固分析

2.1 堤防加固設(shè)計(jì)

參考儀揚(yáng)河以及古運(yùn)河一線的河坡防護(hù)基本采用在水位變動(dòng)區(qū)建設(shè)擋墻的方式。泗源溝現(xiàn)狀迎水側(cè)堤坡陡立，且河坡為砂壤土夾粉砂或與粉砂互層。實(shí)踐證明，在沙土地區(qū)做駁岸是有效防止河道過(guò)流以及航道船行波沖刷的方法，河道耐久性、安全性、景觀生態(tài)性較好。故本河段采用駁岸墻護(hù)坡方案，駁岸頂高程擬定于河道常水位以上0.4m，即5.2m；根據(jù)現(xiàn)狀河道實(shí)測(cè)斷面以及河道土質(zhì)情況，從避免駁岸地板下回填土方、盡量減少擋墻開挖土方、滿足基礎(chǔ)承載要求等因素考慮，駁岸底板底高程擬確定為3.1m，駁岸前平臺(tái)高程為3.5m。駁岸防護(hù)的頂、底高程均與上、下游已實(shí)施河道駁岸一致。典型河道斷面圖見圖1。

圖1 典型駁岸防洪斷面示意圖

2.2 駁岸墻型式比選

漿砌塊石駁岸墻防護(hù)造價(jià)相對(duì)較低，泗源溝一期采用該種結(jié)構(gòu)型式，但目前石材普遍質(zhì)量不佳且附近地區(qū)逐漸封山禁采，性價(jià)比不如以往明顯，再加上人工工資的增長(zhǎng)，砌漿砌石墻造價(jià)已基本接近鋼筋混凝土擋墻。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)擋墻雖造價(jià)相對(duì)漿砌石墻稍高，但主要優(yōu)勢(shì)在于減少人工工作，縮短工期較為明顯，尤其適合本工程降低河道水位的施工方式，結(jié)合本地區(qū)最近實(shí)施的胥浦河工程，鋼筋混凝土擋墻建成效果相對(duì)漿砌石墻身較好，節(jié)省了工期。經(jīng)比選，泗源溝(梅家溝東-龍河)新建駁岸擬采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式。對(duì)駁岸具體防護(hù)型式進(jìn)行對(duì)比見表1。

表1 防洪河道駁岸墻型式比較表

3 駁岸墻設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

本次對(duì)水位變幅區(qū)(3.5-5.2m)采用鋼筋混凝土駁岸防護(hù)，單側(cè)護(hù)岸工長(zhǎng)1830m。此次優(yōu)化對(duì)象為駁岸墻的設(shè)計(jì)斷面，其重要參數(shù)進(jìn)一步明確為墻高、底板長(zhǎng)度、墻厚和底板厚，最優(yōu)判斷依據(jù)為在保證擋墻安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)下耗材最低。通過(guò)編程調(diào)用擋墻穩(wěn)定計(jì)算軟件，采用遺傳算法進(jìn)行快速尋優(yōu)，得到最優(yōu)斷面參數(shù)。以搜索結(jié)果與設(shè)計(jì)值的均方差(MSE)不大于某一設(shè)定值作為搜索最優(yōu)參數(shù)的判斷精度，力求搜索過(guò)程中的最小均方差為優(yōu)化的目標(biāo)條件。具體優(yōu)化搜索流程圖詳見圖，見圖2；優(yōu)化搜索過(guò)程，見圖3。

圖3 駁岸墻設(shè)計(jì)優(yōu)化搜索過(guò)程示意圖

(1)

圖2 駁岸墻斷面尺寸優(yōu)化搜索流程圖

3.2 斷面優(yōu)化結(jié)果

駁岸墻采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆，考慮岸坡完建期，坡前無(wú)水工況為駁岸墻穩(wěn)定最不利工況，本次優(yōu)化搜索目標(biāo)安全系數(shù)為完建期的1.10，搜索過(guò)程見圖3。搜索最優(yōu)斷面為底板寬2.25m，底板厚0.41m，墻高2.11m，墻厚0.43m，相應(yīng)駁岸墻穩(wěn)定計(jì)算的安全系數(shù)為1.186，單位長(zhǎng)度擋墻斷面投資約為0.2154萬(wàn)元。結(jié)合施工條件及現(xiàn)場(chǎng)情況，擬定駁岸墻優(yōu)化斷面尺寸為底板寬2.2m，底板厚0.4m，墻高2.1m，墻厚0.4m。底板頂面高程3.1m，底面高程2.75m，為增加抗滑能力，底板后趾設(shè)0.25m深的齒坎，并在墻前設(shè)底寬0.5m，頂寬1.0m的M10漿砌石護(hù)腳，駁岸墻最終優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面見圖4。

圖4 駁岸墻優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)示意圖

3.3 穩(wěn)定復(fù)核

通過(guò)對(duì)優(yōu)化搜索的駁岸墻斷面進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。完建期水位考慮墻前無(wú)水，墻后3.5m工況，運(yùn)行期水位考慮墻前4.8m、墻后5.0m。地基應(yīng)力P與擋墻穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計(jì)算結(jié)果見表2，根據(jù)土質(zhì)鉆探資料，駁岸墻底板(高程2.75m)地基土容許承載力為[R]= 70kPa，滿足設(shè)計(jì)要求，但由于屬于高壓縮性土層，施工前需采取夯實(shí)措施。

表2 駁岸墻優(yōu)化斷面穩(wěn)定復(fù)核地基應(yīng)力與安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4 小 結(jié)

針對(duì)河床淤積、河坡沖刷坍塌嚴(yán)重的河道工程，其護(hù)坡工程多采用駁岸墻型式。采用遺傳算法搜索得到的駁岸墻優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)，可在保證堤防安全穩(wěn)定的前提下，擴(kuò)大河道行洪斷面。結(jié)合上段儀揚(yáng)河的整治，提高了儀揚(yáng)河-泗源溝沿線的防洪能力，使本流域達(dá)到50a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，流域內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的水安全保障得到解決。同時(shí)也為改善航運(yùn)和沿線水環(huán)境創(chuàng)造了良好條件，可綜合發(fā)揮儀揚(yáng)河--泗源溝一線防洪、除澇、引水、航運(yùn)工程效益。