河道護(hù)岸岸坡穩(wěn)定計(jì)算工況的擬定分析

曹 錕

(九江市河道湖泊和水利工程管理中心,江西 九江 332001)

0 引 言

現(xiàn)行《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》中的護(hù)岸工程岸坡穩(wěn)定均以提防工程為參照,并未單獨(dú)列明計(jì)算工況及對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。當(dāng)前,設(shè)計(jì)人員也主要參照提防工程并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)展開岸坡處理,存在較大的主觀隨意性?；诖?文章依托復(fù)雜的河道岸坡水土邊界條件,排除規(guī)范中缺乏針對(duì)性和適用性的計(jì)算工況,增補(bǔ)專門針對(duì)護(hù)岸工程的特殊工況,并明確了控制工況擬定技術(shù),以期為河道護(hù)岸岸坡穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

1 工程概況

九江市城西港區(qū)排澇(水系治理)工程位于九江市西部,該治理港區(qū)外圍防洪保護(hù)堤防包括沿江永安堤和沿湖的賽城湖東堤、西堤。治理河道段底坡平緩,水面坡度小,河道流速在0.5～1.0m/s之間,本次設(shè)計(jì)以草皮生態(tài)護(hù)坡為主,對(duì)治理河道與其它河道交匯口處(流態(tài)變化區(qū))、泵站進(jìn)水口處常水位以下河岸干砌石硬性護(hù)岸,護(hù)岸長(zhǎng)1.22km。沿河常水位風(fēng)浪區(qū)岸坡易被淘刷,港口河以北常水位為12.74m,本次設(shè)計(jì)在高程12.4～13.2m岸坡設(shè)置10cm厚的混凝土連鎖塊生態(tài)護(hù)坡防護(hù),下設(shè)土工布反濾層,孔內(nèi)填種植土草籽綠化。

參照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》展開護(hù)岸工程設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)分成正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用兩類,但由于該治理河道護(hù)岸工程分布于淺灘前沿,灘面高程低出設(shè)計(jì)洪水位,無(wú)背水側(cè)穩(wěn)定問(wèn)題,設(shè)計(jì)洪水位驟降對(duì)岸坡受力條件也無(wú)較大影響;岸坡坡腳發(fā)生沖刷后會(huì)改變邊界條件,但設(shè)計(jì)規(guī)范中并未予以考慮。故設(shè)計(jì)規(guī)范中提出的參照工況對(duì)該河道治理護(hù)岸工程缺乏適用性[1]。為此,必須結(jié)合河道治理工程實(shí)際,擬定出更加合理的計(jì)算工況。

2 護(hù)岸計(jì)算工況的擬定

2.1 正常運(yùn)用工況

在臨水側(cè)岸坡水位驟降情況下,必須從淺灘到設(shè)計(jì)枯水位間選取相應(yīng)水位和時(shí)段內(nèi)水位驟降的高度,并以兩者間最危險(xiǎn)情形為計(jì)算條件。將枯水位穩(wěn)定滲流期內(nèi)臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定視為特殊組合。

2.2 非正常運(yùn)用工況

工況1:河道治理施工期間臨水側(cè)岸坡工況。對(duì)岸坡側(cè)土體無(wú)較大擾動(dòng)的挖方護(hù)岸或無(wú)填方任務(wù)的區(qū)段,該工況相當(dāng)于設(shè)計(jì)枯水位滲流穩(wěn)定期臨水側(cè)岸坡工況。

工況2:多年平均水位臨水側(cè)堤坡工況。

工況3:坡腳遭受沖刷,水位驟降下的臨水側(cè)堤坡工況。河道岸坡遭受沖刷后通常根據(jù)最大沖坑深度推測(cè)地形,但最大沖刷出現(xiàn)的可能性存在評(píng)估難度,現(xiàn)有預(yù)測(cè)手段也缺乏準(zhǔn)確性,故提出該工況對(duì)河道護(hù)岸岸坡穩(wěn)定分析較為適用。

工況4:降雨頻繁的情況下,充分考慮枯水期降雨影響的臨水側(cè)堤坡工況。即在淺灘到設(shè)計(jì)枯水位間選取水位及時(shí)段均因頻繁降雨而提升的最不利情況,該工況計(jì)算條件類似于治理河道水位驟降工況,但形成原因及機(jī)理不盡相同。

以上兩類設(shè)計(jì)工況中,正常運(yùn)用工況及非正常運(yùn)用工況中的3和4最為復(fù)雜,故主要對(duì)上述工況展開分析。

3 正常運(yùn)用工況分析

3.1 確定方法

九江市城西港區(qū)排澇(水系治理)工程所在長(zhǎng)江流域具體河段水文氣象、地質(zhì)條件等復(fù)雜多變,對(duì)于水位現(xiàn)狀、驟降高度最不利情況均有待進(jìn)一步分析。長(zhǎng)江中下游河道岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有單層、雙層、多層等,并以雙層結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn),水位驟降期內(nèi)降幅度較小,且滲流并不明顯,故文章在水位驟降幅度內(nèi)選取單一土層展開研究[2]。

3.2 分析結(jié)果

1)港區(qū)一期河道。在淺灘水位到設(shè)計(jì)枯水位間3d、7d、15d的河道水位驟降分別為3.1m、3.9m、4.8m;與設(shè)計(jì)枯水位越接近,最大驟降也越小。此外,該河道岸坡土體上層為滲透系數(shù)位于1.0×10-4～9.0×10-5cm/s之間的砂壤土和粉質(zhì)黏土互層,下層為粉質(zhì)壤土和砂壤土,表現(xiàn)出典型的二元結(jié)構(gòu)特征[3]。結(jié)合典型斷面(圖1)不同水位及驟降高度下抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,可大體將設(shè)計(jì)枯水位下從6m驟降至4m為最危險(xiǎn)工況;對(duì)于黏性土岸坡,則應(yīng)將設(shè)計(jì)枯水位下從7m驟降至5m為最危險(xiǎn)工況。

圖1 港區(qū)一期河道典型斷面

2)港區(qū)二期河道。在淺灘水位到設(shè)計(jì)枯水位間3d、7d、15d的河道水位驟降分別為1.0m、2.8m、3.4m;與設(shè)計(jì)枯水位越接近,最大驟降也越小。該二期河道岸坡土體上層為滲透系數(shù)在1.0×10-5～9.0×10-6cm/s之間的砂壤土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土互層,下層為粉質(zhì)壤土和砂壤土,同樣表現(xiàn)出二元結(jié)構(gòu)特征。結(jié)合典型斷面(圖2)不同水位及驟降高度下抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,可將設(shè)計(jì)枯水位下從4m驟降至3m為最危險(xiǎn)工況;對(duì)于粉質(zhì)黏土岸坡,則將設(shè)計(jì)枯水位下從4.5m驟降至3.5m設(shè)定為最危險(xiǎn)工況。

圖2 港區(qū)二期河道典型斷面

3)港區(qū)三期河道。在淺灘水位到設(shè)計(jì)枯水位間3d、7d、15d的河道水位驟降分別為1.0m、2.0m、3.5m;與設(shè)計(jì)枯水位越接近,最大驟降越小。該三期河道岸坡土體上層為滲透系數(shù)在1.0×10-5～9.0×10-6cm/s間的粉質(zhì)黏土或粉土層,下層為粉質(zhì)黏土或粉細(xì)砂層。結(jié)合典型斷面不同水位及驟降高度下抗滑穩(wěn)定結(jié)果,應(yīng)將粉土從設(shè)計(jì)枯水位下的3.5m驟降至2.0m確定為最危險(xiǎn)工況;對(duì)于黏性土岸坡,則將設(shè)計(jì)枯水位下4.5m驟降至3.5m確定為最危險(xiǎn)工況。

結(jié)合以上分析,對(duì)于該河道治理工程所在長(zhǎng)江流域段而言,最危險(xiǎn)水位驟降工況對(duì)應(yīng)的水位降幅從上游開始向下游逐漸減小,降后水位也與設(shè)計(jì)枯水位愈加接近[4]。

4 非正常運(yùn)用工況3分析

4.1 河勢(shì)穩(wěn)定河段

此類河段斷面在長(zhǎng)期沖淤過(guò)程中已基本穩(wěn)定,即使深泓處也較難形成大規(guī)模沖坑。進(jìn)行護(hù)岸工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以維持性加固為主,應(yīng)對(duì)沖淤變化引發(fā)的護(hù)岸沖刷及材料流失。為增強(qiáng)護(hù)岸抗沖刷性能,可增設(shè)5～10m3的防沖備填石等加固材料,具體使用方量根據(jù)斷面位置最大沖深歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

4.2 河勢(shì)持續(xù)沖刷河段

對(duì)于河勢(shì)整體無(wú)重大調(diào)整,僅局部岸坡表現(xiàn)出持續(xù)沖刷的情況,應(yīng)根據(jù)包爾達(dá)可夫沖刷公式展開最大沖坑深度計(jì)算,并與綜合考慮河道演變成果的最大沖坑深度進(jìn)行比較,取較小值[5]。

5 非正常運(yùn)用工況4分析

5.1 降雨特征

該河道治理工程所在長(zhǎng)江流域雨熱同期,初夏梅雨,盛夏高溫。年內(nèi)降水分配不均衡,3～10月的降雨量在年降雨總量中占比70%以上;中下游暴雨出現(xiàn)時(shí)間通常早于上游。5月份暴雨帶主要出現(xiàn)在湘、贛等水系,6～7月暴雨帶則主要徘徊在長(zhǎng)江干流兩岸,7～8月暴雨帶轉(zhuǎn)移至漢江流域,8月下旬～9月暴雨帶轉(zhuǎn)移至淮河流域及長(zhǎng)江中上游地區(qū)。

賽城湖原名“賽湖”,位于江西省北部,屬長(zhǎng)江干流中游下段右岸水系,屬河跡洼地型淡水湖泊,由賽湖、長(zhǎng)港湖、大城門湖等子湖組成,各子湖間多有低矮堤壩相隔,冬季枯水期各子湖形成獨(dú)立水域。水深0.5～1.0m,夏季豐水期各子湖彼此通成形成統(tǒng)一大湖。湖泊形態(tài)不規(guī)則,湖底淤泥深厚,平均水位約17.5m,長(zhǎng)14.0km,最大寬度6.5km,平均寬4.38km。該水系南岸在2～3月便出現(xiàn)暴雨,一直持續(xù)到8月。

5.2 水位特征

長(zhǎng)江干流中游下段右岸水系逐月水位均值以12月～翌年2月為最枯,進(jìn)入3～4月后水位不斷升高,5月則進(jìn)入汛期,11月迅速回落。所以,3～4月將面臨枯水期水位和長(zhǎng)期降雨綜合作用下高水位危險(xiǎn)。

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江干流中游下段右岸水系3～4月水文資料的分析,年平均水位比設(shè)計(jì)枯水位高出2～3m。結(jié)合沿線已建水利工程地勘資料,岸灘周圍地下水位比同期江水位高出0～2m,所以,枯水期長(zhǎng)期降雨工況發(fā)生原因雖然與水位驟降工況不同,但計(jì)算條件組合基本重合[6]。

6 結(jié) 論

綜上所述,河道護(hù)岸工程應(yīng)以岸坡抗滑穩(wěn)定為控制性工況。在非常運(yùn)用條件下,對(duì)于岸坡坡腳沖刷較為嚴(yán)重的情況,則應(yīng)以坡腳沖刷后地形變化引發(fā)的水位驟降為最危險(xiǎn)工況。岸坡穩(wěn)定計(jì)算工況的確定必須綜合考慮水文氣象、地形地質(zhì),文章選取代表性斷面所得出的結(jié)果僅適用于該河道工程,對(duì)于類似工程設(shè)計(jì),必須結(jié)合實(shí)際情況詳細(xì)分析,不能簡(jiǎn)單套用文章結(jié)論。此外,為增強(qiáng)河道岸坡沖刷穩(wěn)定,必須注重岸坡反濾排水設(shè)計(jì)。對(duì)于黏性土挖方岸坡必須加強(qiáng)貼坡排水,增設(shè)排水溝和導(dǎo)濾溝等;對(duì)于黏性土填方岸坡,必須設(shè)置褥墊排水結(jié)構(gòu),回填土料也應(yīng)選用排水性好的砂性土;對(duì)于砂性土岸坡,應(yīng)加強(qiáng)腳槽處反濾保土。