尼洋河堤防工程護(hù)腳結(jié)構(gòu)選擇分析

曹如意，扎西達(dá)瓦，張奕澤，黃勝波，張風(fēng)江

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122;2.林芝市水利局,西藏 林芝 860000)

1 概述

尼洋河為雅魯藏布江五大支流之一，屬高原游蕩性河道。林芝城區(qū)河段水面比降、河道流速及沖淤變化幅度均較大，河勢并不穩(wěn)定[1]。水流改道、頂沖和淘刷點的變動對城區(qū)堤防護(hù)腳構(gòu)成安全威脅[2]，易導(dǎo)致堤防工程失穩(wěn)破壞，岸線崩退，對城區(qū)兩岸的生產(chǎn)生活造成巨大安全隱患[3]。為鞏固完善城市防洪體系，保證堤防穩(wěn)定和防洪安全，促進(jìn)林芝市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，選擇適應(yīng)此類河道特性的堤防護(hù)腳結(jié)構(gòu)和加固措施[4]，顯得尤為重要(尼洋河林芝城區(qū)段如圖1所示)。

圖1 尼洋河林芝城區(qū)段現(xiàn)狀示意

2 堤腳防護(hù)設(shè)計

本文以林芝八一鎮(zhèn)防洪工程為例，對堤防護(hù)腳結(jié)構(gòu)和加固措施選擇進(jìn)行分析。

2.1 沖刷及抗沖粒徑計算

城區(qū)河段流速較大，最大流速約為6.34 m/s，沿岸堤防均采用斜坡式堤形，臨水側(cè)采用混凝土面板護(hù)坡，堤基主要為深厚的砂礫石層。

1)沖刷計算。參考GB-50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[5]，根據(jù)堤線布置情況，結(jié)合水流對岸坡的沖刷情況，新建堤防選擇迎流頂沖部位以及流速較大部位斷面進(jìn)行沖刷計算，同時對堤防進(jìn)行斜沖計算。按最大流速6.34 m/s,計算最大沖坑深度為3.5 m，防沖設(shè)計時應(yīng)結(jié)合計算深度并考慮一定的安全余度進(jìn)行設(shè)置。

2)抗沖粒徑計算。根據(jù)河演分析成果，本次計算按流速4～6 m/s進(jìn)行復(fù)核，在水流作用下，護(hù)腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑(折算粒徑)按GB-50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[5]計算，護(hù)腳塊粒徑設(shè)計時應(yīng)大于計算最大值。

2.2 護(hù)腳形式選擇

新建堤防段設(shè)計中，將根據(jù)堤基沖刷情況及其他計算成果在腳槽外側(cè)設(shè)水下護(hù)腳進(jìn)行防護(hù)，水下護(hù)腳形式主要有拋石、鋼筋混凝土鉸鏈排、土工織物砂枕(排)、鋼絲石籠等，各形式特點見表1所示。

尼洋河八一城區(qū)河段河灘汊流多，水流紊亂，沖淤變化頻繁，河道具有明顯的游蕩性，水下護(hù)腳要求對河床變形的適應(yīng)性好[7]，從表1中可以看出，拋石護(hù)腳和鋼筋石籠護(hù)腳屬于較為典型的柔性護(hù)腳，對河床變形的適應(yīng)能力強(qiáng)。

表1 水下護(hù)腳形式特點分析

2.3 堤身失穩(wěn)分析

尼洋河八一鎮(zhèn)河段具有明顯的游蕩特征，河道主流頻繁發(fā)生擺動，部分堤段主流已經(jīng)逼近堤岸，堤腳附近水流流速為4～5 m/s，局部最高達(dá)6.3 m/s[8]。以往已建堤腳采用混凝土腳槽，結(jié)構(gòu)尺寸為1.8 m×2.5 m(寬×高)，埋深為2.5 m，頂部與河床地面齊平。堤腳外側(cè)布設(shè)鋼絲石籠，厚度為0.6 m，寬度2.5 m。此段河床床質(zhì)砂卵石抗沖性能弱，鋼絲石籠埋深小，設(shè)置防護(hù)寬度短，堤腳外側(cè)的受保護(hù)范圍較小。河床及河灘受急流持續(xù)沖刷作用，堤腳外側(cè)砂卵石逐漸被水流沖刷帶走，腳槽失去外部屏障面臨失穩(wěn)垮塌的局面，堤防主體及護(hù)坡也隨之失去堤腳的支撐和保護(hù)最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。以往水毀工程記錄情況也清楚表明，水毀段堤防發(fā)生垮塌前堤腳前部河床基本已被水流淘空，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)局部段堤腳前沿沖刷深度達(dá)到3～4 m，在水流的持續(xù)底部沖刷作用下，腳槽懸空失穩(wěn)(如圖2所示)，護(hù)坡隨之失去支撐變形塌滑，面臨水流的直接沖擊，最終堤防主體將會發(fā)生徹底破壞變形。

圖2 腳槽失穩(wěn)破壞示意

2.4 護(hù)腳加固方案分析

選擇合理有效護(hù)腳加固方案關(guān)鍵在于分析其防護(hù)工程是否有效，防護(hù)所用的材料抗沖性能需明顯能夠抵抗水流的持續(xù)沖刷作用，只有防護(hù)材料的抗沖性能優(yōu)于水流的沖刷能力，防護(hù)材料才能作為穩(wěn)定可靠的防護(hù)體，在水流的沖刷下不會變形失穩(wěn)，可抵擋水流進(jìn)一步?jīng)_擊淘刷堤岸，保護(hù)堤防穩(wěn)定安全。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[5]堤腳邊坡的保護(hù)范圍，在深泓近岸段應(yīng)延伸至深泓線，并滿足河床沖刷深度的要求；在水流平順、岸坡較緩堤段，護(hù)腳宜護(hù)至坡段1:3～1:4的緩坡河床處。所以，一般通過在緊臨堤腳的外側(cè)河床準(zhǔn)備足量防沖體使水流不能直接淘刷堤腳河床，保證腳槽穩(wěn)定，降低河床沖刷深度，而且防沖體能夠及時自動填補(bǔ)過程中形成的沖坑，大大降低沖坑發(fā)展的速度，堤腳河床始終與前沿沖坑形成一種動態(tài)平衡的緩坡，不會產(chǎn)生較大沖坑影響腳槽底部基礎(chǔ)的穩(wěn)定，此種情況下堤腳才能長久穩(wěn)定安全。另外需要考慮堤腳前沿一般水流較急，沖刷作用強(qiáng)烈，河床沖坑變化較為頻繁，若要求腳槽埋置沖刷深度以下，則堤腳埋置開挖工程量加大較多，同時會涉及涉水施工，施工難度及投資將會增加很多；因此，經(jīng)常參照枯水位高程，在此位置適當(dāng)預(yù)留安全富余度，同時在緊鄰堤腳上部設(shè)置足量的防沖備填料。堤腳前沿河床受水流沖刷底部形成沖坑后備填料將滑落填補(bǔ)沖坑，從而使整個沖坑河床斜坡面保持動態(tài)穩(wěn)定不再繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，建議防沖備填料的方量計算，采用沖刷深度乘以水下穩(wěn)定坡比的斜長和安全富余系數(shù)(如圖3所示)。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[5]和《堤防工程手冊》備填料粒徑大小首先應(yīng)滿足規(guī)范中對抗沖粒徑的要求，而且變形后沿沖坑坡面的填料厚度不宜小于抗沖粒徑的2倍，一般防沖備填料持續(xù)發(fā)揮保護(hù)作用的水下穩(wěn)定坡比為1:1～1:2，可選擇拋石、石籠及沉排等材料作為防沖備填料[9]。

圖3 防沖備填料保護(hù)坡腳示意

一般備填料層內(nèi)空隙較大，同時還有岸坡地下水流的沖蝕，紊流作用強(qiáng)烈，下部河床細(xì)顆粒易被水流淘刷帶走，導(dǎo)致備填料底部極易失穩(wěn)沉落塌陷，所以,需考慮設(shè)置墊層、濾層或土工織物保護(hù)下部細(xì)顆粒不被帶走[10]。

參考上述護(hù)腳防沖設(shè)計思路，本次選擇防沖備填石護(hù)腳方式與鋼筋及鋼絲石籠護(hù)腳方式進(jìn)行方案比選。

2.4.1方案一：防沖備填塊石護(hù)腳方案

本方案保留原混凝土腳槽，腳槽外側(cè)設(shè)防沖備填塊石。根據(jù)計算，沖坑深度為3～4 m，另外根據(jù)前期地勘地質(zhì)成果，河床沖刷坑的穩(wěn)定邊坡約為1:1。考慮腳槽以外的沖坑深3.5 m左右，防沖備填石淘刷變形后的穩(wěn)定坡比約為1:2.0，塊石保護(hù)厚度取2倍塊石穩(wěn)定粒徑1.2 m，可保護(hù)沖坑不再繼續(xù)發(fā)展，同時考慮一定的安全儲備，估算防沖備填石的每延米填筑量不小于16 m3。綜合考慮防沖備填塊石護(hù)腳底寬6 m，外側(cè)開挖坡比為1:1，開挖深度為2.0 m，頂部設(shè)置1:6的緩坡與原地面線銜接，其中上部為1.0 m厚采用平鋪大塊石砌筑，下部采用拋石[11]。本方案典型斷面示意見圖4。

圖4 防沖備填塊石護(hù)腳方案示意(單位：高程m，尺寸mm)

2.4.2方案二：鋼筋及鋼絲石籠護(hù)腳方案

此方案是在堤腳上部區(qū)域放置防沖塊石料。根據(jù)經(jīng)驗?zāi)_槽外沿形成的沖坑一般深為3～4 m左右，遭受水流淘刷變形后的防沖體水下穩(wěn)定坡比一般在1:2.0左右，為保證一定的安全富余，在前沿沖坑的斜坡長度8 m的情況下，堤腳外側(cè)10 m范圍內(nèi)全部覆蓋設(shè)置防沖料，使腳槽外側(cè)沖坑不在繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，保護(hù)堤防護(hù)腳基礎(chǔ)的穩(wěn)定與安全?？紤]此段河流推移質(zhì)含量高，且在高速水流的夾帶下極易撞擊沖壞外部鋼絲籠；借鑒此河段其他護(hù)腳工程做法，護(hù)腳分上下兩層疊放，上層護(hù)腳為鋼筋骨架裝塊石料，下層護(hù)腳塊石為鋼絲籠裝，從實際情況觀察來看，上層護(hù)腳結(jié)構(gòu)完整性較好，石籠破壞和塊石流失現(xiàn)象較少，防護(hù)效果較佳?；谏鲜銮闆r經(jīng)綜合分析，護(hù)腳鋼筋石籠層頂高程設(shè)置與堤腳頂部齊平，然后自上而下分別設(shè)0.6 m厚鋼筋石籠、0.6 m厚鋼絲石籠及反濾土工布[12]。兩層石籠垂直流向?qū)挾炔恍∮?0 m。本方案典型斷面示意見圖5。

圖5 鋼筋及鋼絲石籠護(hù)腳方案示意(單位：高程m，尺寸mm)

2.4.3方案比選

1)抗沖能力比較

防沖備填石護(hù)腳隨沖坑發(fā)展的變形過程見圖6。塊石備填料的變形適應(yīng)性較強(qiáng)，但塊石不具備整體性，變形后無法保證整個沖坑邊坡的塊石厚度均滿足大于2倍抗沖粒徑的要求；塊石自身抗沖能力與粒徑有關(guān)，當(dāng)流速超出設(shè)計值時，粒徑較小的塊石宜被沖走導(dǎo)致塊石坍塌，沖坑繼續(xù)發(fā)展；此外塊石變形后下部反濾層易隨之破壞。因此，一般采用防沖備填石護(hù)腳需每年進(jìn)行補(bǔ)拋塊石，直至多次補(bǔ)拋形成穩(wěn)定邊坡[12]。

圖6 方案一防沖備填塊石料變形過程示意

鋼筋及鋼絲石籠護(hù)腳隨沖坑發(fā)展的變形過程見圖7。石籠具有較強(qiáng)的變形適應(yīng)性，能隨沖坑發(fā)展而變形，石籠相互連接形成整體能保護(hù)整個沖坑的邊坡[13]，為確保石籠的整體性設(shè)計時又采取了以下幾項加強(qiáng)措施：① 石籠網(wǎng)格材料采用鋼絲表面鍍高爾凡+覆塑材料，其抗沖、抗磨損能力較普通鍍鋅鋼絲提高數(shù)倍，表層0.6 m厚的鋼筋籠是在鋼絲籠的基礎(chǔ)上設(shè)置鋼筋框體進(jìn)行保護(hù)，抗沖、抗磨的耐久性更強(qiáng)；② 石籠之間除采用鋼絲牢固綁扎外，表層鋼筋籠增加無粘結(jié)鋼絞線并采用夾具與鋼筋籠連接，有效保證石籠形成整體，尤其在易變形脫開的外端部順流向設(shè)置鋼絞線，保證端部整體變形而不脫開；③ 石籠與腳槽間采用錨筋連接，可保證石籠與腳槽緊密銜接；④ 石籠每個單元的體積為設(shè)計抗沖粒徑的3～4倍，其抵抗超設(shè)計流速的能力大大增強(qiáng)；石籠與下部反濾層同步變形，石籠始終為反濾層提供保護(hù)，有效保證土工布不破損。

圖7 方案二鋼筋及鋼絲石籠變形過程示意

因此從適應(yīng)變形性、整體性、自身抗沖能力等多方面進(jìn)行綜合比較，方案二較方案一的抗沖能力及耐久性強(qiáng)。

3 結(jié)論與建議

本文以尼洋河八一鎮(zhèn)河段防洪工程為例，針對性地開展工程防護(hù)措施的設(shè)計和分析，得出以下結(jié)論：

1)尼洋河八一鎮(zhèn)河段具有十分典型的游蕩性河道特征，主流擺動不定，灘槽密布，水流極為分散，河道寬深比大，主流頂沖堤防，危害防洪工程[14]。對于此類山區(qū)河道水流劇烈淘刷護(hù)岸的特性，應(yīng)加大防護(hù)力度，重點做好堤防防護(hù)措施，尤其確保防洪大堤在高速水流沖刷下的堤腳安全，避免堤身失穩(wěn)。

2)結(jié)合尼洋河水流對堤防堤腳的淘刷過程分析情況，選擇合適的護(hù)腳形式，敘述了防沖備填塊石和鋼筋及鋼絲石籠不同護(hù)腳形式所采取的堤腳加固措施，同時為進(jìn)一步保證石籠的整體性和抗沖性也提出了具體加強(qiáng)措施。通過對護(hù)腳的變形性、整體性、自身抗沖能力等多方面進(jìn)行綜合比較，分析認(rèn)為鋼筋及鋼絲石籠方案的護(hù)腳抗沖能力及耐久性更強(qiáng)。