兰河流域墙式护岸和坡式石笼护岸设计探讨

金 浩

(辽宁省水科院，沈阳 110002)

1 概 述

兰河是太子河支流之—，位于葠窝水库上游，发源于水泉的大黑山，自南向北流经甜水、寒岭等镇，于寒岭镇的黄家堡子汇入葠窝水库。兰河东与细河相邻，西靠辽阳县河拦、塔子等镇，与汤河一山相隔。

兰河治理工程下游起点位于杨房大桥上游300m处，末端为田家堡子，共36.65km，其中不需治理河段长5.51km，治理干流河段长31.14km、支流河段长1.40km。沿河两岸村庄布局比较分散，房屋大部分沿河而建。河两岸局部地段现在已有县、镇、村级建成的护坡等防洪工程。流域上游为山区，山多地少，流域内采矿场矿渣随意堆放现象比较普遍，扰乱了河道形态，对河道的安全行洪构成威胁。

2 护岸工程现状

甜水乡兰河河沿桥下游险工处理工程，其工程内容：护坡基础为浆砌石基础，坡面采用10cm厚的C10混凝土垫层，垫层上铺设10cm厚的C25钢筋混凝土，护坡顶部采用50cm厚浆砌石压顶，现浇混凝土板每15m设一处伸缩缝。甜水乡庙沟大桥下游段险工处理工程，其工程内容：疏浚工程分两处，第一处为庙沟河村内桥下游305m，第二处为现甜水乡庙沟兰河大桥下游415m。辽阳县甜水乡古家段清淤工程，其内容：清淤总长度1887m。设计河底宽60m。清淤完成后，河岸两侧需平顺连接，以便于行洪的需要，同时注重河岸的整洁美观，与堤防形式大致相同。除了上述工程，还有多处村民自发组织建设的防护工程，用来保护耕地和鱼塘，主要是从河道内取土，在岸滩上堆土。对村屯起到一定的防护作用。

3 工程布置

岸坡主要采用绿滨垫与固滨笼进行防护，工程根据现有岸坡走势和河势布置，受地形条件和已建建筑物限制的影响，护坡分为直立墙式护岸和坡式护岸。直立墙式护岸布置在地形狭窄布置受限河段，需满足防冲和防冻要求。坡式护岸坡比采用1∶2.5，护坡厚度根据计算和经验确定，护脚采用垂直防护或水平防护，垂直防护满足冲刷深度要求，水平防护满足3倍冲刷深度要求并设置1m×1m脚槽，坡顶满足设计顶高程要求，并水平外延1m防止漫滩时水流淘刷。在石笼护岸的上下游，也就是护岸的起始点和终点位置，为防止水流顶冲、淘刷，进行石笼锚固。

4 护岸工程设计

4.1 墙式护岸

根据《河道整治设计规范》，墙式护岸的结构形式可采用直立式、陡坡式、折线式等[1]。直立墙式护岸布置在地形狭窄布置受限河段，需满足冲刷深度和防冻要求。

4.1.1 墙式护岸抗滑计算

马沟门护岸采用固滨墙结构形式，计算参数如下。墙高3m，共3层，每层高1m，各层宽度分别为1m、1.5m、2m，当地标准冻深为1.1m，又根据规范防冲要求，墙底埋深需在冲刷深度以下0.5-1m，马沟门处冲刷深度为0.81m，故墙埋深取1.3m。其结构形式如图1所示。

图1 墙式护岸结构计算图

挡土墙类型:抗震区浸水地区挡土墙，地震烈度7°，墙后填土内摩擦角34°，墙后填土黏聚力0kPa，墙后填土容重20.5kN/m3，墙背与墙后填土摩擦角17.5°，地基土容重20.5kN/m3，墙后填土为非冻胀性土，不考虑冻胀力。

基底抗滑稳定系数按式(1)计算：

FSsl=μ∑N/∑T

(1)

式中：∑N为竖向力总和,KN； ∑T为水平力总和,KN；μ为基底摩擦系数，取0.554。

其中μ根据现场试验取μ=tanφf(φf取地基土的内摩擦角和格宾石料的内摩擦角中较小值)[2]。

4.1.2 墙式护岸抗倾稳定计算

抗倾覆稳定系数按式(2)计算：

FSot=∑My/∑Mo

(2)

式中：∑My为稳定力系对格宾墙体墙趾的力矩，kN·m；∑Mo为倾覆力系对格宾墙体墙趾的力矩，kN·m。

4.1.3 地基承载力验算

格宾挡墙基底压应力跟国内规范一致，呈梯形分布[3]。

(3)

对墙底面偏心距e的要求为：

格宾挡墙墙趾、墙踵压应力为：

(4)

(5)

4.1.4 墙式护岸整体稳定计算

整体稳定性分析时，采用简化毕肖普法和简化简布法进行计算，计算结果见表1。

表1 抗滑、抗滑、整体稳定性

4.2 坡式石笼护岸

4.2.1 坡式护岸结构形式的选定

护坡形式主要根据当地材料、施工条件及、岸坡土质等确定。主要有混凝土面板护岸、浆砌石护岸、石笼护岸，各方案特点如表2所示。

表2 各方案特点比较表

通过综合比较施工工艺和投资，对于坡式护岸，最终采用石笼护岸的形式。

4.2.2 坡式石笼护岸设计

石笼护岸坡比采用1∶2.5，护坡厚度根据计算和经验确定，护脚采用垂直防护或水平防护，垂直防护满足冲刷深度要求，水平防护满足3倍冲刷深度要求并设置1m×1m脚槽，坡顶满足设计顶高程要求并外延1m防止淘刷。石笼底斜坡段部铺设无纺布和0.15m厚砂砾垫层，无纺布采用短纤土工布标称断裂强度为12.5KN/m，型号采用400g/m2。

4.2.2.1 护岸冲刷深度计算

1)水流平行于护岸工程：

计算采用《堤防工程设计规范》中公式，公式及计算过程如下：

水流平行于岸坡产生的冲刷深度计算：

(6)

(7)

式中：H0为冲刷处的水深,m，以近似设计水位最大深度代替；UCP为近岸垂直平均流速,m/s；Uc为泥沙起动流速流速,m/s;n为与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表采用；d50为床沙的中值粒径,m；γs、γ为泥沙与水的容重,kN/m3。

2)水流斜冲防护工程

按斜冲护岸冲刷深度计算公式：

(8)

式中：Δhp为从河底算起的局部冲深，m；α为水流流向与岸坡交角，(30°)；m为防护建筑物迎水面边坡系数，2；d为坡脚处土壤计算粒径；vj为水流偏斜时，水流的局部冲刷流速，计算公式如下

(9)

式中：Q为设计流量；ω为原河道过水断面面积，m2；ωp为河道缩窄部分的断面面积，m2。

护脚分垂直防护和水平防护两种，枯水位较低时采用垂直防护，设计采用防护深度为1m。枯水位较高，垂直防护困难时，采用水平防护。水平防护顶部设置脚槽，脚槽顶高程高出枯水位0.5m，水平防护长度根据省内多条河流整治经验，按照3倍冲刷深控制，若险工位于近深泓线段，防护范围需满足过深泓线3倍冲刷长度，计算结果见表2。

4.2.2.2 护面厚度设计

根据《堤防工程设计规范》规定，在波浪作用下，斜坡堤干砌石护坡的护面厚度t可按下式计算：

(10)

式中：K1为系数，干砌石取0.266；γb为块石的重度,kN/m3；取27kN/m3；γ为水的重度,kN/m3；取10kN/m3；H为计算波高，当d/L≥0.125时，取H4%；当d/L<0.125时，取H13%；d为堤前水深,m；

表2 坡式护岸防护长度统计表

风浪计算采用《堤防工程设计规范》公式：

(11)

(12)

将各参数代入上式中，计算得t=0.16m。

马克菲尔公司做了详尽的绿滨垫的抗冲刷模型和原型试验，根据试验结果以及多年的工程经验的总结，得出了“绿滨垫系列防护与流速的关系表”(如表3所示)：

表3 绿滨垫系列防护与流速的关系表

根据险工护岸工程的实际经验，对流速>5.0m/s的护岸，块石护坡厚度取0.50m，填石粒径10-20cm。对流速<5.0m/s的护岸，块石护坡厚度取0.30m，填石粒径7-15cm。各险工坡面厚度见表4。

表4 坡面厚度统计表

4.2.2.3 块石护坡稳定计算

1)采用《堤防工程设计规范》中折线滑动法，利用北京理正岩土软件计算出护岸整体稳定系数为1.435>1.25，满足要求。

2)固滨笼和绿滨垫下铺设长丝无纺布，对摩擦力的影响按80%进行折算，坡比按最陡处考虑为1∶2.5，坡角为21.8°，由块石护坡与无纺布沿岸坡滑动的安全系数为：

K=tg(34.5×0.8)/tg21.8=1.31>1.25

块石与无纺布满足岸坡抗滑要求，块石只要砌筑得密实牢固，没有铁丝网也是安全牢固的。目前在东北地区多采用铁丝石笼护砌，其原因是在护岸工程中，边坡有时过陡，本身不够稳定，有时下部基础不牢固造成块石下滑。或为防止因施工质量过低，影响到工程安全。因此在设计时，根据我省险工护岸施工经验，采用镀高尔凡覆塑石笼护砌，网格由外面的钢丝经机械编织而成，网格尺寸为长4m×宽1m×厚0.5m和长4m×宽2m×厚0.3m。

4.2.2.4 护岸顶部设计

对于保护村庄的坡式护岸，护岸超高取0.5m，防止10a一遇设计水位超过岸顶对坡后土体造成冲刷，威胁村庄安全。

护岸顶部处理主要有布排锚固、岸顶处理、岸顶防冲。根据近几年辽宁地区险工护岸的经验，在水上部分石笼护岸的顶端，为使护岸与滩面衔接良好，以防止在洪水期形成后部淘刷，并阻止滩面雨水或河水入侵，防止坡面遭到破坏，将石笼向外延长1.0m。现状高程较低，需回填土，压实后在坡顶做石笼。

4.2.2.5 护岸上下游石笼锚固

在石笼护岸的上下游，也就是护岸的起始点和终点位置，为防止水流顶冲、淘刷，垂直于水流方向，沿石笼护岸边缘开挖一0.5m×1m的沟槽，把无纺布压入槽内，然后进行石笼砌筑。

5 结 语

兰河为太子河支流，建成稳定健康的河道有利于减少水库的入库泥沙及改善水质。作为水源地，为引兰入汤工程提供优良水保障。现状兰河河道险工险段较多，使两岸人民生命财产安全受到威胁，防护工程的建设能够给当地人民提供一个稳定的外部环境。两岸废渣的随意堆放，扰乱了河道的形态，经过护岸设计及治理后两岸房屋、农田得以有效保护；水土流失情况得以改善，对社会经济稳定发展和构建社会主义和谐社会具有十分重要的意义。