豐溪河雞公石崽段岸坡坍塌成因分析及對策研究

戴 霖 簡鴻福 鄧 偉

(江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330031)

自然彎曲河流迎流頂沖段受水流沖刷、水位暴漲暴落和不良人為活動(dòng)影響，河岸坡腳掏空和崩岸現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重威脅堤防穩(wěn)定和兩岸居民安全。多數(shù)崩岸是河道自然演變形成的，由水動(dòng)力條件、水位變化、河岸形態(tài)及河岸地質(zhì)條件等自然因素驅(qū)動(dòng)；同時(shí)人為荷載、采砂、興建建筑物等人為因素也會(huì)對河岸穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1]。穩(wěn)固而生態(tài)的護(hù)岸工程是沿河區(qū)域社會(huì)發(fā)展的安全保障[2]。針對不同險(xiǎn)工險(xiǎn)段，在選取工程措施時(shí)，需要從不同襯護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖刷能力、適應(yīng)變形能力、生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性和施工難易程度等方面考慮，優(yōu)選河岸固腳和護(hù)坡技術(shù)。

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者在岸坡崩岸、坍塌等失穩(wěn)成因和采取對策方面做了大量的研究。陳景[3]、黃河[4]結(jié)合各種典型崩岸工程實(shí)際，在理論上分析了河道岸坡破壞機(jī)理；劉小平等[5]、簡鴻福等[6]、江輝等[7]根據(jù)河流治理工程實(shí)例，開展了中小河流岸坡整治生態(tài)固岸技術(shù)集成及典型模式研究。

為進(jìn)一步理清豐溪河雞公石崽段岸坡失穩(wěn)的原因和優(yōu)選治理方案，有必要進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究。本文從水流、地質(zhì)、地形地貌和上下游建筑物等因素分析了河岸坍塌的原因，優(yōu)選了岸坡固腳和護(hù)岸工程方案，計(jì)算了雷諾護(hù)墊的厚度，對類似工程問題的處理具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

豐溪河位于江西省東北部，是信江流域第二大支流。主河道長117km，坡降1.8‰。流域面積2258km2。雞公石崽段位于豐溪河中游段右岸，豐溪河支流十都港(集雨面積190km2，河長29.50km)匯入口處，在廣豐區(qū)五都鎮(zhèn)境內(nèi)(見圖1)。該段現(xiàn)狀為土質(zhì)岸坡(見圖2)，植被覆蓋少，水土流失較嚴(yán)重，未進(jìn)行襯護(hù)處理。該段長約300m，現(xiàn)狀岸坡頂高程為110.0～113.0m，岸坡高4.8～7.5m，迎水坡坡比一般為1 ∶1.0～1 ∶2.5，近年來因沖刷能力較低，導(dǎo)致堤段堤腳淘空、岸坡坍塌等問題(見圖3)，給沿岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

圖1 豐溪河流域圖

圖2 雞公石崽段現(xiàn)狀

圖3 雞公石崽段岸坡局部坍塌

2 岸坡坍塌成因分析

該河道岸坡坍塌的主要原因如下：

a.地質(zhì)條件。據(jù)鉆探成果及現(xiàn)場調(diào)查，豐溪河雞公石崽段岸坡局部段較陡，漫灘一般發(fā)育，現(xiàn)狀為土質(zhì)岸坡，未護(hù)坡。該段河岸從上至下分布的土層為人工填土、第四系殘坡積含礫粉質(zhì)黏土、卵石，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖。其中，人工填土主要以壤土、砂卵石為主，呈松散狀，填筑質(zhì)量較差，具中等透水性，抗沖性能及防滲性較差，岸坡類型屬穩(wěn)定性較差的岸坡。由于不良土質(zhì)的影響，岸坡土體黏聚性較差，強(qiáng)度偏低，受水流的沖刷侵蝕影響較大。岸坡在水流侵蝕過程中，松散土質(zhì)易被水流帶走，導(dǎo)致坡腳快速后退，特別是河流彎道凹岸處作用更為明顯。

b.水流條件。豐溪河歷年來常有因暴雨產(chǎn)生的洪水災(zāi)害，具有典型的山溪性洪水特點(diǎn)，暴雨次數(shù)多，且強(qiáng)度大，大多發(fā)生在4—7月，匯流時(shí)間短，洪水來水快，流速較大。水流因素作為導(dǎo)致岸坡坍塌的重要因素之一，多發(fā)生于受水流縱向沖刷河段，即河道凹岸，因其流速大，沖刷程度相應(yīng)變大，極易對河道彎曲段沖刷形成險(xiǎn)段；并且隨著洪水流量增大，河道在高水位時(shí)，岸坡土體受水浸泡，孔隙水壓力變高，抗剪強(qiáng)度下降；當(dāng)洪峰過后，河道水位迅速降低，在岸坡內(nèi)形成非恒定滲流，使得岸坡穩(wěn)定性下降[8]。

c.地形條件(見圖4)。該河段岸坡多位于凹岸段，正對豐溪河主干段迎流頂沖，導(dǎo)致岸坡及基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重；其次，由于十都港支流匯合豐溪河主流后，縱向水流及橫向水流匯合在一起，形成渦旋水流直接對河堤堤腳進(jìn)行掏蝕，在堤腳下易沖成深坑。最后，該河段上游約500m處建有下忠良壩，該壩壩高6～7m，在汛期洪水通過陂壩下泄過程中，加劇了雞公石崽段的壩坡沖刷及基礎(chǔ)掏刷，從而導(dǎo)致堤岸坍塌事件的發(fā)生。

圖4 豐溪河雞公石崽段位置平面圖

3 措施對策

3.1 現(xiàn)狀斷面

根據(jù)近年來地質(zhì)勘察及測量成果(見圖5)，該段坡腳沖刷、掏空嚴(yán)重，已基本出露基巖面，與上述該險(xiǎn)段分析基本一致。由于基巖面高程約為101.86m，距歷年枯水位105.16m相差3.3m左右，河水較深，且位于迎流頂沖段，存在較大的施工難度。

圖5 豐溪河雞公石崽段典型斷面

3.2 方案比選

根據(jù)該河段地質(zhì)、地形、水流河勢特征，分別對固基工程及岸坡襯護(hù)工程進(jìn)行方案比選；在滿足結(jié)構(gòu)安全、生態(tài)、投資等條件下選出最優(yōu)方案。

3.2.1 固基工程

為保證該段坡腳安全，基礎(chǔ)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗沖及穩(wěn)定能力。本次比選了3種基礎(chǔ)加固方案：

方案一：漿砌石固基。漿砌石作為傳統(tǒng)加固結(jié)構(gòu)型式之一，其施工工藝簡單，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，抗沖性能好，在水利工程中大量被使用。多用于河流原岸坡結(jié)構(gòu)不穩(wěn)、沖刷較嚴(yán)重的河岸，以提高護(hù)岸的防洪功能。

方案二：傳統(tǒng)拋石固基。拋石是為防止河岸坡腳受水流沖刷而拋填較大石塊的一種防護(hù)措施，傳統(tǒng)拋石由于其施工工藝簡單，單價(jià)較低，在水利工程基礎(chǔ)加固中較為常用[9]。

方案三：網(wǎng)兜拋石固基。網(wǎng)兜拋石利用鋼絲立體網(wǎng)格，將塊石料填充后，再用機(jī)械將其吊裝至指定位置，達(dá)到防護(hù)效果。相較于傳統(tǒng)拋石，網(wǎng)箱將塊石包裹，使其整體性更好，抗沖性更強(qiáng)。在長江河段整治中應(yīng)用較為廣泛[10]。

綜合上述三種基礎(chǔ)加固方案對比，方案一采用漿砌石情況下，由于施工期水位較高導(dǎo)致出現(xiàn)如圍堰填筑斷面較大、填筑困難等問題，施工存在一定難度；其次該河段無開挖利用料，圍堰填筑及開挖均需外運(yùn)導(dǎo)致投資較大。方案二傳統(tǒng)拋石由于在施工中塊石拋投的散落范圍較大，且在水流沖擊下，塊石容易發(fā)生流失，導(dǎo)致?lián)p耗較大，影響投資及效果。方案三網(wǎng)兜拋石相較于傳統(tǒng)拋石，在面對復(fù)雜地形、不同河勢下，由于網(wǎng)箱強(qiáng)度高且對填空塊石存在一定的約束，使得網(wǎng)兜拋石具有整體性更好、穩(wěn)定性更高、抗沖能力更強(qiáng)等特點(diǎn)。其受水流影響較小，塊石到位率較高，施工質(zhì)量更容易得到控制。

因此，本次采用網(wǎng)兜拋石對該段岸坡坡腳基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

3.2.2 護(hù)岸工程

本次共比選了3種岸坡襯護(hù)方案：

方案一：漿砌石護(hù)坡。漿砌石護(hù)坡是對砌石之間使用膠結(jié)材料(如水泥砂漿)進(jìn)行填充，對河道岸坡進(jìn)行防護(hù)的砌體結(jié)構(gòu)。石塊依靠膠結(jié)材料的黏聚力、摩擦力和石塊本身重量，保持坡面的穩(wěn)定。由于石塊間空隙被充塞密實(shí)，因而具有更好的整體性、密實(shí)性和強(qiáng)度，可以防止?jié)B水漏水，增加抵抗侵蝕的能力。

方案二：干砌石護(hù)坡。干砌石護(hù)坡是將塊石砌筑規(guī)整對河道岸坡進(jìn)行防護(hù)。它依靠石塊自身重量及石塊接觸面間的摩擦力在外力作用下保持穩(wěn)定，常用來固定土質(zhì)坡式河岸，防止水流直接沖刷坡面土體。無須膠凝材料，塊石之間存在的大量空隙有利于水生、兩棲類動(dòng)植物的生長。施工方法相對簡單，易操作，工程造價(jià)相對較低。

方案三：雷諾護(hù)墊。雷諾護(hù)墊是將符合要求的石料填充到經(jīng)過特殊加工的機(jī)編的高伸張率低碳鋼絲扎成的柔性立體網(wǎng)籠中，使整體具有一定的孔隙率，然后綁扎蓋網(wǎng)，形成的石墊整體岸坡護(hù)面。因其造價(jià)低、生態(tài)性好、適用性強(qiáng)、具有一定的柔韌性等特點(diǎn)得到了越來越多的應(yīng)用。是目前水利工程生態(tài)護(hù)坡中運(yùn)用較多的一種型式[11]。

結(jié)合河段地形的特點(diǎn)，對各方案從抗沖刷能力、適應(yīng)變形能力、施工難易程度、生態(tài)性以及經(jīng)濟(jì)性等影響因素方面進(jìn)行綜合對比分析：

a.抗沖刷能力。雷諾護(hù)墊及漿砌石護(hù)坡相比干砌石護(hù)坡均具有較強(qiáng)的抗沖刷能力，但雷諾護(hù)墊由于籠內(nèi)填塊石存在一定空隙，減小了風(fēng)浪的沖擊力，風(fēng)浪、浪峰退下時(shí)，箱籠有空隙，破壞了風(fēng)浪的真空吸力，減小了對防護(hù)工程的破壞力度，整體結(jié)構(gòu)可在風(fēng)浪力作用時(shí)進(jìn)行微調(diào)，避免了如漿砌石護(hù)坡墻身出現(xiàn)裂縫的缺陷。

b.適應(yīng)變形能力。漿砌石護(hù)坡因其為剛性防護(hù)，適應(yīng)變形能力較弱；干砌石護(hù)坡可以適應(yīng)局部變形，但由于其整體性較差，若局部發(fā)生破壞或塊石丟失則會(huì)導(dǎo)致坡面整體出現(xiàn)坍塌或失穩(wěn)。雷諾護(hù)墊中所用柔韌性較好的低碳鋼絲可以將全部箱體連成整體，即使在坡面土體局部沉陷或發(fā)生小的變形影響時(shí)，結(jié)構(gòu)也能根據(jù)自身良好的延展性和柔韌性進(jìn)行適應(yīng)性微調(diào)，適應(yīng)變形能力較強(qiáng)。

c.施工難易程度。干砌石護(hù)坡需要由人工進(jìn)行堆砌，施工過程中還應(yīng)保證表面塊石咬扣緊密，不能出現(xiàn)局部空洞等現(xiàn)象；漿砌石護(hù)坡在干砌石護(hù)坡工藝的基礎(chǔ)上，必須控制好砌筑砂漿的質(zhì)量及縫內(nèi)充分灌漿，對施工有一定的要求。雷諾護(hù)墊則操作簡便、工序少、無須特殊的技術(shù)工人，整體施工效率頗高且效果易于保證。在有機(jī)械進(jìn)行配合的時(shí)候，更能加快施工進(jìn)度。

d.生態(tài)性。相較于漿砌石護(hù)坡，雷諾護(hù)墊及干砌石護(hù)坡的塊石間隙可自然生長出當(dāng)?shù)厮懮参铮梢云鸬交謴?fù)植被、綠化河岸的作用，此外，結(jié)構(gòu)的滲透性有利于增強(qiáng)河岸帶的潛流交換作用，提高河流生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)凈化能力。

e.經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，考慮當(dāng)?shù)夭牧蟽r(jià)格水平，以上三種護(hù)坡對比方案工程造價(jià)對照見表1。

表1 三種護(hù)坡工程造價(jià)對照

綜合上述三種護(hù)坡方案對比，雷諾護(hù)墊在各方面均較突出，本次選擇方案三即雷諾護(hù)墊對該段岸坡進(jìn)行襯護(hù)。

3.3 斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)豐溪河該險(xiǎn)段地質(zhì)、地形條件，結(jié)合現(xiàn)狀情況，確定本次治理方案為：壩腳采用網(wǎng)兜拋石固基，雷諾護(hù)墊進(jìn)行護(hù)岸。典型斷面設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 豐溪河雞公石崽段典型斷面設(shè)計(jì)圖

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)[12]，結(jié)合施工實(shí)際情況，網(wǎng)兜拋石固基頂高程為105.40m，頂寬3.0m，坡比1 ∶2.0；其上設(shè)置0.4m厚漿砌石壓頂，穩(wěn)固拋石的同時(shí)可作為護(hù)坡固腳，雷諾護(hù)墊厚度0.3m，邊坡1.75～1 ∶2.0，護(hù)墊下設(shè)置聚酯長纖無紡布。

3.4 設(shè)計(jì)計(jì)算

雷諾護(hù)墊設(shè)計(jì)主要對護(hù)墊坡腳長度、填石粒徑及護(hù)墊厚度進(jìn)行計(jì)算[13-14]。護(hù)墊坡腳長度可根據(jù)坡腳最大沖刷深度及護(hù)墊抗滑穩(wěn)定性綜合確定。由于本次計(jì)算所需護(hù)墊坡腳長度較大，與實(shí)際施工情況不符，且對于其他固腳形式而言，投資較大，本次采用漿砌石固腳設(shè)計(jì)。

雷諾護(hù)墊的厚度可參照《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 353—2013)[15]中相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，該方法可適用于厚度為150～500mm的雷諾護(hù)墊計(jì)算，用于河道坡降小于2%的緩流河段。公式為

T=2.0Dm

(1)

(2)

Cv=1.283-0.21lg(R/b)

(3)

式中：T為護(hù)墊最小厚度，m；Dm為護(hù)墊中填石的平均粒徑，m；So為粒徑安全系數(shù)；Cs為填石穩(wěn)定系數(shù)；Cv為流速分布系數(shù)；d為流速v處的局部水深度，m；rw、rs分別為水及填石的重度，kN/m3；V為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，9.81m/s2；K1為邊坡修正因子，坡度1 ∶1、1 ∶1.15、1 ∶2、1 ∶3分別取0.46、0.71、0.88、0.98，坡度1 ∶4以上取1.0；R為水力半徑，m；b為水面寬度，m。

根據(jù)式(2)，計(jì)算出豐溪河該險(xiǎn)段雷諾護(hù)墊填石的平均粒徑Dm為0.14m，由式(1)得到護(hù)墊最小厚度T為0.28m，結(jié)合雷諾護(hù)墊一般生產(chǎn)規(guī)格，確定本次選取0.3m厚雷諾護(hù)墊。

4 結(jié) 論

以豐溪河雞公石崽段堤防加固工程為例，針對險(xiǎn)段存在的問題，進(jìn)行成因分析，并提出了相應(yīng)的治理方案措施。

a.雞公石崽段的壩坡沖刷及基礎(chǔ)掏刷的主要原因是豐溪河屬山溪性洪水，具有暴漲暴落的特點(diǎn)，河段處于河道拐彎的凹岸、十都港支流匯入口下游，長年迎流頂沖，岸坡地質(zhì)屬松散沖積物，且其上游不遠(yuǎn)的上忠良壩下泄洪水也是主要原因。

b.相較于建造圍堰漿砌石固腳和傳統(tǒng)拋石固腳，網(wǎng)兜拋石可在有水條件下填筑，整體性更好，抗沖性更強(qiáng)，對石料的要求更低，可減少工程量。

c.相較于干砌石和漿砌石護(hù)坡，雷諾護(hù)墊護(hù)坡的抗沖刷能力、適應(yīng)變性能力較強(qiáng)，施工較容易，生態(tài)性較好，經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。