堤防工程護(hù)坡護(hù)岸設(shè)計(jì)分析
——以湘江河道治理一期工程為例

鄭 昌

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007)

1 概 述

流經(jīng)湖南省祁陽縣城區(qū)的水系有湘水和支流祁水，其中湘江城區(qū)段長12.5 km，河寬一般為450～550 m，最大寬度800 m。湘江沿河兩岸地勢(shì)低洼，建有很多機(jī)關(guān)、學(xué)校、廠礦企業(yè)，人口密集，大部分地面高程84～87 m，與20年一遇設(shè)計(jì)洪水位88.02 m尚差0.93～3.93 m。城區(qū)目前尚未布設(shè)任何防洪治澇設(shè)施，僅靠河岸自然高地?fù)跛F(xiàn)有防洪治澇能力不足3～5年一遇；一旦洪水暴發(fā)，沿河大部分地區(qū)均被淹沒，縣城歷年建設(shè)成就毀于一旦；這與祁陽縣的經(jīng)濟(jì)地位和社會(huì)發(fā)展極不適應(yīng)，極大地制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

本次對(duì)祁陽縣城北、城南、城東3個(gè)保護(hù)圈進(jìn)行了設(shè)計(jì)。生態(tài)護(hù)坡護(hù)岸是指恢復(fù)后的自然河岸或具有自然河岸“可滲透性”的人工護(hù)岸，它擁有滲透性的河床與河岸基底，可以充分保證河岸與河流水體之間的水分交換和調(diào)節(jié)功能，能恢復(fù)被破壞的自然生態(tài)環(huán)境；同時(shí)又能滿足對(duì)岸坡穩(wěn)定的要求。生態(tài)護(hù)坡護(hù)岸應(yīng)是“既滿足河道體系的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，又有利于河道系統(tǒng)恢復(fù)生態(tài)平衡”的系統(tǒng)工程，能充分體現(xiàn)“人與自然和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展”理念。

2 方案比選

祁陽縣城一期堤防工程河段的堤段汛期一般水面較寬，風(fēng)浪較大，對(duì)堤面淘刷較嚴(yán)重，對(duì)新建堤防堤身的沖刷問題突出。本次設(shè)計(jì)擬對(duì)新建堤防臨水面進(jìn)行護(hù)坡護(hù)岸。

2.1 護(hù)坡護(hù)岸型式比選

傳統(tǒng)的河道護(hù)坡護(hù)岸形式主要有漿砌或干砌塊石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土塊等，工程造價(jià)相對(duì)較低，它主要側(cè)重于河道行洪、排澇基本功能，對(duì)環(huán)境、生態(tài)的影響考慮較少；而實(shí)際上這些工程建成后特別是全斷面護(hù)砌的結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境和生態(tài)的負(fù)面影響較大。通過傳統(tǒng)護(hù)坡護(hù)岸與生態(tài)護(hù)坡護(hù)岸比較，結(jié)合現(xiàn)有的一些工程實(shí)例，生態(tài)護(hù)坡雖能保護(hù)和建立豐富的生態(tài)系統(tǒng)，形成優(yōu)美的風(fēng)景，滯洪補(bǔ)枯效果好；但糙率大，行洪能力不及傳統(tǒng)護(hù)坡，且造價(jià)比較高，在現(xiàn)有國情國力下，兩類護(hù)坡的優(yōu)缺點(diǎn)都比較突出。

祁陽縣一期堤防工程的護(hù)坡工程仍然分三段，即城北Ⅰ0+000～城北Ⅰ1+282、城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115、城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890。由于篇幅有限，本文只針對(duì)城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115、城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890這兩段進(jìn)行分析。

2.2 城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115

本段為黃道門碼頭至祁水東江橋段，位于祁陽縣城老城區(qū)，人口、房屋都比較密集；且在堤內(nèi)還要預(yù)留10 m沿江路，工程用地范圍極為緊張。本次臨水側(cè)岸坡防護(hù)擬選用生態(tài)拉筋擋墻和C25面板混凝土拉筋擋墻進(jìn)行比選，背水坡采用坡比為1∶2的草皮護(hù)坡。

方案一：生態(tài)拉筋擋墻。由于堤防較高，采用上、下兩級(jí)擋墻，下級(jí)擋墻采用C25混凝土基礎(chǔ)，置于砂卵石地層上，墻高5.5 m，坡比為1∶0.17。一級(jí)平臺(tái)寬5 m，上級(jí)擋墻坐落在下級(jí)擋墻的回填區(qū)，墻高5.57 m，坡比為1∶0.17。堤頂寬4 m，墻身采用自錨式預(yù)制混凝土塊，預(yù)制塊內(nèi)可墻外設(shè)置2 m親水平臺(tái)以及下河踏步，背水側(cè)采用草皮護(hù)坡，坡比為1∶2(見圖1)。

圖1 方案一比選斷面(城北Ⅱ0+850)

方案二：C25面板混凝土拉筋擋墻。由于堤防較高，采用上、下兩級(jí)擋墻，下級(jí)擋墻采用C25混凝土基礎(chǔ)，置于砂卵石地層上，墻高5.5 m，坡比為1∶0.17。一級(jí)平臺(tái)寬5 m，上級(jí)擋墻坐落在下級(jí)擋墻的回填區(qū)，墻高5.57 m，坡比為1∶0.17。堤頂寬4 m，墻身采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土面板，墻外設(shè)置2 m親水平臺(tái)以及下河踏步，背水側(cè)采用草皮護(hù)坡，坡比為1∶2(見圖2)。

圖2 方案二比選斷面(城北Ⅱ0+850)

根據(jù)實(shí)際情況，方案一與方案二的工程投資相差不大，但該保護(hù)圈位于祁陽縣城老城區(qū)，人口較密集，沿江一帶為老百姓主要休閑場(chǎng)所，對(duì)景觀、生態(tài)等都有一定的要求；在對(duì)其治理的同時(shí)，應(yīng)考慮生態(tài)與景觀建設(shè)，在其發(fā)揮防洪保障水利工程功效的前提下，也要融入生態(tài)環(huán)保；所以，該段推薦生態(tài)擋墻方案。

2.3 城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890

本段為東江橋至污水處理廠段，位于城郊結(jié)合處，本段岸坡較陡，可用地資源不足以放坡至岸坡頂，故此段擬用漿砌石擋墻和C25混凝土擋墻進(jìn)行比選。

方案一：漿砌石擋墻。從枯水位至83.00 m選用重力式漿砌石擋墻；擋墻外，從枯水位至78.00 m設(shè)置漿砌石護(hù)坡保護(hù)擋墻基礎(chǔ)；83.00 m至堤頂采用生態(tài)護(hù)坡；堤頂設(shè)置1.2 m防浪墻，背水側(cè)采用草皮護(hù)坡。

方案二：混凝土擋墻。從枯水位至83.00 m選用重力式C25混凝土擋墻，墻頂至堤頂采用生態(tài)護(hù)坡，坡比為1∶2；堤頂設(shè)置1.2 m防浪墻，背水側(cè)采用草皮護(hù)坡。

C25混凝土擋墻相對(duì)漿砌石擋墻造價(jià)要高，且祁陽當(dāng)?shù)厥漠a(chǎn)量豐富，此段用M10漿砌石擋墻完全能滿足岸坡穩(wěn)定及防洪要求。因此，從節(jié)省投資方面來比較，此段推薦采用M10漿砌石擋墻。

生態(tài)護(hù)坡目前存在雷諾生態(tài)護(hù)坡及聯(lián)鎖式混凝土植草磚等多種形式，考慮到雷諾護(hù)坡在枯水期容易遭到破壞，在汛期容易掛上垃圾等情況，本工程中生態(tài)護(hù)坡主要采用聯(lián)鎖式混凝土植草磚。

3 護(hù)坡護(hù)岸設(shè)計(jì)

3.1 護(hù)坡護(hù)岸原則

本次設(shè)計(jì)護(hù)坡一般自設(shè)計(jì)枯水位或枯水位以上0.5 m護(hù)至設(shè)計(jì)洪水位以上，當(dāng)有灘地時(shí)自灘地護(hù)至設(shè)計(jì)洪水位以上。

3.2 護(hù)坡護(hù)岸斷面設(shè)計(jì)

(1)城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115

從枯水位至堤頂采用生態(tài)擋墻，擋墻分上下兩級(jí)，在常水位以上0.41 m(77.50 m)處設(shè)置2 m寬親水平臺(tái)，由親水平臺(tái)往下設(shè)置踏步下水。77.50～83.00 m高程為下級(jí)擋墻，83.00 m高程處設(shè)置5 m寬二級(jí)平臺(tái)，83.00 m高程至堤頂為上級(jí)擋墻，擋墻坡比為1∶0.17；堤頂寬4 m，設(shè)置1.2 m防浪墻，背水側(cè)采用草皮護(hù)坡，坡比為1∶2。

(2)城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890

從枯水位至83.00 m高程選用重力式漿砌石擋墻，擋墻外側(cè)坡比為1∶0.1，內(nèi)側(cè)為臺(tái)階形式。擋墻外，從枯水位至78.00 m高程設(shè)置漿砌石護(hù)坡保護(hù)擋墻基礎(chǔ)，83.00 m高程至堤頂采用連鎖生態(tài)磚護(hù)坡；堤頂寬4 m，設(shè)置1.2 m高防浪墻，背水側(cè)采用草皮護(hù)坡；坡比為1∶2。

3.3 植草護(hù)坡構(gòu)造要求

聯(lián)鎖式混凝土植草磚適用于中小水流情況下土壤水侵蝕控制的新型聯(lián)鎖式預(yù)制混凝土塊鋪面系統(tǒng)。由于采用獨(dú)特的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)，每塊磚與周圍的6塊磚產(chǎn)生超強(qiáng)聯(lián)鎖，使得鋪面系統(tǒng)在水流作用下具有良好的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，隨著植被在磚孔和磚縫中生長，一方面鋪面的耐久性和穩(wěn)定性將進(jìn)一步提高；另一方面起到增加植被、美化環(huán)境的作用。本次設(shè)計(jì)聯(lián)鎖式混凝土植草磚厚度取0.15 m。

(1)可種植當(dāng)?shù)剡m用草種，也可恢復(fù)自然植被。如生態(tài)混凝土內(nèi)植草，要求綠化覆蓋率不小于95%。表面客土不大于20 mm，要求植物根系必須穿透混凝土。

(2)護(hù)坡在堤頂采用0.50 m厚寬0.50 m的混凝土壓實(shí)牢固封頂，在坡腳采用0.5 m寬、0.5 m高的混凝土基座。

3.4 護(hù)腳設(shè)計(jì)

(1)護(hù)腳形式的選擇

參考湖南省的實(shí)際情況，護(hù)坡的護(hù)腳一般采用阻滑墻，本次設(shè)計(jì)同樣考慮采用混凝土阻滑墻基座。

(2)沖刷深度計(jì)算

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度按下式計(jì)算：

式中：hB為局部沖刷深度，從水面算起(m)；hp為沖刷處的水深，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替(m)；Vcp為平均流速(m/s)；V允為河床面上允許不沖流速(m/s)；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4。

分別在湘江和祁水選取1個(gè)典型斷面，即城北Ⅰ1+225、城北Ⅱ0+850兩個(gè)斷面，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出局部沖刷深度分別為0.4 m和0.5 m。

(3)護(hù)腳阻滑墻設(shè)計(jì)

根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBT 50805—2012)，基礎(chǔ)埋宜在沖刷線以下0.5～1.0 m，按上述計(jì)算的局部沖刷深度，本次設(shè)計(jì)采用混凝土阻滑墻進(jìn)行防護(hù)，其斷面尺寸為1.0 m×1.0 m(寬×高)。

3.5 生態(tài)拉筋擋墻穩(wěn)定計(jì)算

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求及勘測(cè)地質(zhì)資料，通過反復(fù)試算調(diào)整斷面結(jié)構(gòu)形式，初擬斷面結(jié)構(gòu)形式，取城北Ⅱ0+850斷面作為計(jì)算斷面(見圖3)。

圖3 生態(tài)擋墻典型斷面(城北Ⅱ0+850)

(2)計(jì)算、設(shè)計(jì)資料匯總

①堤頂附加荷載取汽車-10級(jí)。

②擋墻采用自錨式C25預(yù)制混凝土砌塊。

③擋墻的筋帶擬采用單向拉伸塑料土工格柵抗拉力Ts=100 kN/m，土工格柵與加筋土填料(粉質(zhì)粘土)的界面摩擦系數(shù)f′=0.25，土工格柵在砌塊中的總長度取常數(shù)0.4 m。

④筋帶節(jié)點(diǎn)的水平間距SX=1 m。

⑤加筋土填料設(shè)計(jì)為粉質(zhì)粘土，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，其力學(xué)性能指標(biāo)為：容重γ=19.86 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=23.03°，C=20.9 kPa；按“土體抗剪強(qiáng)度相等的原則”計(jì)算得綜合內(nèi)摩擦角φ=30.96°，為便于計(jì)算和安全方面考慮設(shè)計(jì)取值φ=30°。

⑥設(shè)計(jì)上級(jí)擋墻基礎(chǔ)為下級(jí)擋墻回填料(粉質(zhì)粘土)，設(shè)計(jì)按粉質(zhì)粘土工況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，其力學(xué)性能指標(biāo)為：容重γ=19.86 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=23.03°，C=20.9 kPa；承載力特征值[σ0]≥160 kPa，粉質(zhì)粘土基底摩擦系數(shù)取0.25。

⑦墻體采用梯形斷面計(jì)算。

⑧墻后回填土與加筋體填料相同。

(3)筋帶抗拉強(qiáng)度、抗拔穩(wěn)定計(jì)算

堤頂汽車-10級(jí)(單車道)荷載作用下的等代土層厚度計(jì)算：

按車帶均攤法，設(shè)計(jì)布置1輛汽車-10級(jí)重車(150 kN)，1輛汽車分布寬度2.3 m，墻高H=6.02 m,墻后填土高a=0 m。

等代土層厚度：

=0.428 m

(4)筋帶抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)以上結(jié)果分別計(jì)算不同深度的土壓力系數(shù)、土壓力及筋帶拉力等參數(shù)，生態(tài)拉筋擋墻不分縫，筋帶平鋪，故計(jì)算按每延長米受力計(jì)算，公式如下：

JTG D30—2015公式H.0.7-8：Ti0=γQ1Ti，Ti=(ΣσEi)SxSy

JTG D30—2015公式H.0.7-5：ΣσEi=σzi+σai+σbi。

結(jié)果可知，筋帶材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算最大值fk為87.99 kN/m，選用的單向拉伸塑料土工格柵抗拉力Ts=100 kN/m，滿足要求。

(5)建筑物穩(wěn)定校核

在不同工況的條件下設(shè)計(jì)擋墻的抗滑、抗傾、地基承載力均可滿足規(guī)范要求，說明下級(jí)生態(tài)擋墻的設(shè)計(jì)方案是可行的。

4 結(jié) 語

流經(jīng)祁陽縣城區(qū)的湘江基本沒有防洪措施，經(jīng)常出現(xiàn)各種水患，對(duì)該地區(qū)的安全構(gòu)成了一定的威脅，亟需修建堤防工程以保障祁陽縣城區(qū)的安全。堤防工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)對(duì)其防護(hù)效果產(chǎn)生非常重要的影響，因此在護(hù)坡護(hù)岸設(shè)計(jì)階段必須充分結(jié)合本地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，科學(xué)合理地對(duì)工程總體情況進(jìn)行布置；同時(shí)也要對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核，保障設(shè)計(jì)的安全性。

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