基于格賓石籠技術(shù)的大凌河河口護(hù)岸設(shè)計(jì)研究

郭 瑩

(遼寧省凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200)

1 工程概況

1.1 防洪工程現(xiàn)狀

義縣凌海界-河口段為大凌河下游平原區(qū)段，其間左岸有荒地河，右岸有牛心河、尚崗河、大業(yè)河四條較大支流匯入。經(jīng)過1962年大水后對(duì)原有民堤的全面加高培厚和1977年的全面整修及新建，兩岸基本上已具有連續(xù)堤防，右岸堤防從上游縣界-下游大有經(jīng)濟(jì)區(qū)，長(zhǎng)58.4km(蛤蜊河子段局部無堤)，左岸堤防從石窗子-三道溝，長(zhǎng)52.8km，兩岸合計(jì)111.2km。堤距平均3-4km，堤防迎水坡多為1∶2.5，背水坡1∶5，頂寬3-6m，堤高4-5m。凌海及遼河油田河段共有土丁壩67座，總長(zhǎng)2110m，順壩280座，總長(zhǎng)13.7km。

現(xiàn)狀堤防在無庫(kù)情況下的過流能力為：沈山鐵路橋以上11000m3/s，相當(dāng)于無庫(kù)20a一遇，鐵路橋-東三義9000m3/s，相當(dāng)于無庫(kù)13a一遇，東三義-河口6000m3/s，相當(dāng)于無庫(kù)7a一遇，河口處無堤防。

1.2 現(xiàn)存問題分析

由大凌河歷史洪水災(zāi)害、河道基本情況及防洪工程現(xiàn)狀等情況可見，大凌河河口段主要存在以下問題：

1)大凌河河口護(hù)岸段正處于河口凹岸段，受洪水和潮汐雙向來水影響，河岸塌岸現(xiàn)象嚴(yán)重，通過2000年和2014年實(shí)測(cè)大凌河河口右岸地形圖進(jìn)行套繪，14a間大凌河入?？谌泛拥老蛭饕苿?dòng)近100m，長(zhǎng)度近2300m，使該段河道形成近90°的急轉(zhuǎn)彎，右岸變成近90°凹岸，尤其是受臺(tái)風(fēng)暴雨影響，大凌河入?？谠诒┯昱_(tái)風(fēng)潮汐共同沖刷下，入?？诤影洞竺娣e崩岸，致使該處沖刷加劇。河道演變情況如圖1所示。

2)該處下游已經(jīng)經(jīng)過兩期護(hù)岸工程，分別于2015年6月和2015年12月完成，通過兩次治理凌海市大凌河河口3000m險(xiǎn)工段已治理完成1853m，還有1147m未治理，仍存在安全隱患。若不進(jìn)一步治理，在治理完成的河段上游向上延伸，很有可能對(duì)已有成果造成威脅，并且需要治理段正處于彎段入口處，位置十分重要，崩岸現(xiàn)象也經(jīng)常出現(xiàn)，如果該段河岸不建設(shè)，會(huì)對(duì)下游的溫泉度假村、公路造成威脅。因此，為穩(wěn)定河勢(shì)，防止河岸進(jìn)一步淘刷、兌地，危及河岸公路，保證周邊基礎(chǔ)設(shè)施及游人安全，降低當(dāng)?shù)赝顿Y環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，該段河岸護(hù)岸工程建設(shè)是十分必要的。

1.3 總體方案設(shè)計(jì)

在大有經(jīng)濟(jì)區(qū)入?？谝陨?、進(jìn)入?？谔幒瓦^油田三支路2.2km后，大凌河總體呈南北、東西、正南走向，特別是在正南方向成90°急轉(zhuǎn)彎，河道右岸嚴(yán)重沖刷，特別是近幾年沖刷趨勢(shì)更加明顯。雖經(jīng)經(jīng)過兩次岸坡防護(hù)和護(hù)岸治理，大凌河河口河岸沖刷問題還未根本解決。因此，擬在15a護(hù)岸基礎(chǔ)上繼續(xù)向上游延伸護(hù)岸520.0m，采用格賓石籠平順護(hù)岸形式對(duì)岸坡進(jìn)行防護(hù)；為防止平順護(hù)岸壩端被洪水沖刷被毀，對(duì)平順護(hù)岸上游采用格賓石籠進(jìn)行封邊處理，下游利用已建工程封邊。

河岸線經(jīng)多次試線比較分析，最終采取以下河岸線，平順護(hù)岸從0+000-0+190段為銜接段，為了與2015年已建護(hù)岸平順連接，避免出現(xiàn)起伏不平，需要將該段河道內(nèi)淤泥清除至2015年設(shè)計(jì)沉排底高程，拋石后頂高程為1.0m，0+190-0+500樁號(hào)段護(hù)岸基本按現(xiàn)有河道底高程施工，不需要清除淤泥。整個(gè)護(hù)岸段由于正好處于濱河路臨河段，由于當(dāng)時(shí)道路施工時(shí)將雜草、建筑垃圾、生活垃圾等雜質(zhì)回填到岸邊，侵占了原有河岸，此次護(hù)岸需將該段回填的垃圾清除后采用沉排加拋石護(hù)岸作基礎(chǔ)，面層采用格賓石籠，與2015年已建護(hù)岸連接[1-2]。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 沖刷深度計(jì)算

1)計(jì)算方法。依據(jù)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定計(jì)算河道沖刷，利用下式計(jì)算水流平行和斜沖岸坡引起的沖刷，即：

(1)

(2)

式中：hB為局部沖刷深度；hp為沖刷處水深，m，hp以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替；Vcp為流速平均值；V允為河床面上不沖允許流速，m/s；n為與平面上岸坡防護(hù)形狀有關(guān)的參數(shù)，取n=0.25?！鱤p為從河底算起的局部沖刷深度，m；α為岸坡與水流流向的交角；m為迎水坡邊坡系數(shù)；d為坡腳土壤粒徑；Vj為水流偏斜時(shí)局部沖刷流速，m/s。

2)計(jì)算結(jié)果。根據(jù)河段位置、水深、流速、地質(zhì)條件等不同情況，將工程區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)域，即：彎頂以下區(qū)(樁號(hào)0+000-0+039)、彎頂區(qū)(樁號(hào)0+039-0+190)、彎頂上游平順護(hù)岸區(qū)(樁號(hào)0+190-0+500)，選擇0+039、0+190、0+500三個(gè)典型斷面表征相應(yīng)工程區(qū)域，選取相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行不同條件的沖刷計(jì)算，如表1所示。

表1 大凌河口河道沖刷深度計(jì)算表

2.2 沉排設(shè)計(jì)

1)沉排壓石厚度。根據(jù)水流對(duì)沉排浮力平衡條件和壓石重量確定沉排壓石厚度，計(jì)算公式為：

(3)

式中：t1為沉排壓石；t2為沉排厚度，m；η為抗浮安全系數(shù)，取η=1.5；rt為蘆葦?shù)娜葜兀?80kg/m3；pt為重率，500kg/m3；rs為塊石的容重，1600 kg/m3；ps為重率，2650kg/m3；γ為水容重，1000 kg/m3。

根據(jù)公式計(jì)算得t1=0.4m，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，并與前期工程斷面形式銜接，設(shè)計(jì)排厚0.3m，由于施工期潮水位影響，需將拋石厚度提高到施工期潮水位1.0m，以便于石籠施工，因此將壓石厚度定為0.6m。

2)塊石粒徑計(jì)算。根據(jù)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》，防護(hù)工程護(hù)腳、護(hù)坡塊石在水流作用下保持穩(wěn)定的抗沖粒徑利用下式計(jì)算，即：

(4)

(5)

式中：d為折算直徑，m按球型折算；S為石塊體積，m3；V為水流流速，m/s；g取10m/s2；C為運(yùn)動(dòng)石塊穩(wěn)定系數(shù)，水平和傾斜底坡C取0.9、1.2；rs為石塊的重率，取2.65 kN/m3；r水的重率，取1.0KN/m3。

經(jīng)計(jì)算，塊石粒徑d=0.24m，結(jié)合以往護(hù)岸工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，拋石粒徑取0.25m。

3)排體寬度設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)每塊排的保護(hù)區(qū)域?qū)挾葹?0m，考慮相鄰排體搭接長(zhǎng)度和收縮系數(shù)，采用下式計(jì)算軟體排制作寬度，即：

B=B0-B1-B2

(6)

式中：B為每塊排保護(hù)區(qū)域?qū)挾?，m；B0為排體制作寬度；B1為相鄰搭接長(zhǎng)度；B2為收縮量，m，其中B0=20m，B2=ζ(B0-B1)；ζ為收縮系數(shù)，動(dòng)水中取0.04。根據(jù)公式計(jì)算得每塊20m寬排有效寬度為B=18.24m。

4)設(shè)計(jì)型式。根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ态F(xiàn)狀，綜合考慮已建工程等各個(gè)方面因素，設(shè)計(jì)采用蘆葦沉排上壓拋石的防護(hù)型式，護(hù)腳總厚度0.9m，其中拋石厚度0.6m，拋石下墊0.3m厚蘆葦沉排。沉排安裝須從下游開始，依次向上游方向安裝，相鄰沉排疊壓寬度1.5m，疊壓時(shí)下游側(cè)在下，上游側(cè)在上。

2.3 石籠護(hù)坡設(shè)計(jì)

1)護(hù)坡厚度計(jì)算。根據(jù)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》，在波浪作用下斜坡干砌塊石護(hù)坡的護(hù)面厚度可按下式計(jì)算：

(7)

式中：K1為系數(shù)，干砌石一般取0.266；rb、r為塊石和水的重度，rb=2.65kN/m3，r=1kN/m3；H、L為計(jì)算波高和坡長(zhǎng)，H=0.525(m)，L=14.618(m)；m為坡率，m=ctgα，α為坡度27(°)。經(jīng)計(jì)算，護(hù)坡厚度t=0.17m，考慮現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)和已建工程等各因素，確定護(hù)坡厚度為0.5m。

2)塊石粒徑選擇。洪水時(shí)邊坡流速較大，水流沖刷作用明顯，單體塊石的穩(wěn)定是石籠整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)，塊石粒徑依據(jù)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》的抗沖粒徑公式進(jìn)行計(jì)算，確定塊石最小粒徑≥25cm。

3)邊坡穩(wěn)定計(jì)算。依據(jù)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，坡式防護(hù)工程穩(wěn)定計(jì)算包括整體穩(wěn)定和邊坡內(nèi)部穩(wěn)定[3-4]。滑動(dòng)分析采用不考慮條塊側(cè)面作用力的瑞典圓弧法，計(jì)算程序采用《北京理正巖土軟件5.11版》邊坡穩(wěn)定分析模塊進(jìn)行計(jì)算[5]。計(jì)算工況選取設(shè)計(jì)枯水位下臨水側(cè)邊坡，以0+282斷面為典型斷面，根據(jù)地質(zhì)勘查的試驗(yàn)資料，確定岸坡各土層的設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)。

依據(jù)規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定，坡式防護(hù)工程整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25。經(jīng)計(jì)算，岸坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.45，即新建護(hù)岸段岸坡整體抗滑穩(wěn)定，計(jì)算成果如圖2所示。

圖2 新建平順護(hù)岸段邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算成果圖

根據(jù)護(hù)坡設(shè)計(jì)型式，對(duì)石籠本身進(jìn)行整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：F為安全系數(shù)；δ為相鄰兩層材料間的摩擦角45°；α為坡角27°。

《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，坡式防護(hù)工程的整體穩(wěn)定安全系數(shù)F>1.25時(shí)，則石籠護(hù)坡整體抗滑穩(wěn)定安全，設(shè)計(jì)合理[6-7]。經(jīng)計(jì)算，卵石與石籠之間抗滑安全系數(shù)F1=1.96>1.25，故能夠達(dá)到抗滑穩(wěn)定要求。因邊坡自身結(jié)構(gòu)緊密，故不進(jìn)行邊坡內(nèi)部的穩(wěn)定計(jì)算。

2.4 平順護(hù)岸頂高程的確定

大凌河河口段10a一遇洪水位3.5m，根據(jù)測(cè)量資料，河口護(hù)岸段現(xiàn)狀岸頂高程3.8-4.2m，個(gè)別岸段偏高或偏低，為保證10a一遇洪水不上岸和保持河岸高度的一致性，確定順壩頂高程為4.0m[8-9]。

2.5 拋石頂高程的確定

拋石頂高程的確定主要考慮施工時(shí)的可操作性，大凌河河口護(hù)岸段處于潮間帶位置，施工期不僅受大凌河洪水影響，同時(shí)受潮水漲落的影響。設(shè)計(jì)施工期為非汛期，該處五年一遇汛前、訊后洪水流量357m3/s和211m3/s。根據(jù)該處主河槽寬度，汛前和訊后洪水均能對(duì)施工安全構(gòu)成威脅，施工期內(nèi)遇洪水時(shí)應(yīng)停止施工，所以拋石頂高程的確定只考慮潮水漲落的影響[10-12]。

根據(jù)雙臺(tái)子河口三道溝水文站觀測(cè)資料，該站多年平均高潮位1.80m，多年平均低潮位-1.12m，平均潮位1.48m。為最大限度降低拋石高度和保證施工安全及施工初期每天有足夠的作業(yè)時(shí)間，確定拋石頂高程1.00m。

2.6 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

格賓石籠平順護(hù)岸厚度0.5m，高度3.0m，邊坡比1∶2.0，平順護(hù)岸底部起于拋石頂面，高程1.00m，頂面至岸上，高程4.0m。平順護(hù)岸岸上護(hù)頂寬度3.0m，底部護(hù)腳寬度3.0m；格賓石籠平順護(hù)岸下部為拋石基礎(chǔ)和蘆葦沉排[13-15]。拋石厚度視現(xiàn)狀岸坡確定；格賓石籠平順護(hù)岸外緣向河道方向拋石長(zhǎng)度按蘆葦沉排鋪設(shè)長(zhǎng)度確定；拋石底部與岸坡間設(shè)蘆葦沉排進(jìn)行保護(hù)，沉排厚度0.3m，沉排垂直河槽方向從格賓石籠外緣算起鋪設(shè)長(zhǎng)度16.0m，大于3倍沖刷深度，沉排上拋石厚度0.6m，斷面型式如圖3所示。

圖3 典型斷面結(jié)構(gòu)形式

2.7 護(hù)岸上游封邊設(shè)計(jì)

為保證平順護(hù)岸上游段安全，采用格賓石籠封邊，封邊垂直于河道方向，寬度與平順護(hù)岸寬度相同，封邊下部基礎(chǔ)為蘆葦沉排和拋石，上部為6層格賓石籠壘砌，每層高度0.5m[16]。

3 結(jié) 語(yǔ)

為徹底解決大凌河河口存在的河岸沖刷嚴(yán)重、防洪標(biāo)準(zhǔn)低、河底淤積等問題，文章提出在原護(hù)岸基礎(chǔ)上繼續(xù)向上游延伸護(hù)岸，采用格賓石籠平順護(hù)岸形式對(duì)岸坡防護(hù)，對(duì)平順護(hù)岸上游利用格賓石籠封邊，下游利用已建工程封邊的治理方案，以歸順?biāo)?，穩(wěn)定河勢(shì)，逐步實(shí)現(xiàn)改善河口防護(hù)的總體目標(biāo)。

河岸治理覆蓋范圍廣、涉及內(nèi)容多，局部河段整治不當(dāng)將直接導(dǎo)致全流域防洪與生態(tài)安全問題。目前，仍然采取系列工程措施維持行洪安全和河岸穩(wěn)定，隨著時(shí)代的發(fā)展河岸治理方案經(jīng)不斷彎酸，但對(duì)特定區(qū)域特定環(huán)境的設(shè)計(jì)仍存在許多風(fēng)險(xiǎn)因素和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。對(duì)此，必須考慮河流特性、河岸地質(zhì)條件、河道演變情況等要素，遵循護(hù)岸工程與河流生態(tài)、周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的原則，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的技術(shù)方案。