遜克縣嘎牛戶西套子島雷諾護墊護坡設(shè)計

孫蘭鳳，李 軍，曹國慶

(1. 黑河市水利勘測設(shè)計院，黑龍江 黑河164300;2. 黑河市愛輝區(qū)宋集屯水庫，黑龍江 黑河164300)

1 工程概況

黑龍江干流嘎牛戶西套子島護岸工程位于黑龍江干流中游嘎牛戶西套子島上，遜克縣干岔子鄉(xiāng)小河?xùn)|村正北，該護岸起點位于上游島頭( 樁號0 +000) 處，終點至島下游( 樁號3 +439) 處，全長3 439 m，寬250 m，面積0.92 km2，距中方岸250 m，距俄方岸900 m。

嘎牛戶西套子島護岸可行性研究于2010年5月11日通過松遼水利委員會( 松遼規(guī)計［2010］97 號) 審查，并于2010年8月17日經(jīng)黑龍江省發(fā)展和改革委員會( 黑發(fā)改農(nóng)經(jīng)［2010］1392 號) 批復(fù)。

本次初步設(shè)計經(jīng)實地勘測，嘎牛戶西套子島外江測均有不同程度的坍塌，為使該島免遭沖刷，本次護岸地點為島外側(cè)，起點為上游島端( 樁號0 +000) ，護岸沿島外側(cè)岸布置，至下游平緩處，護岸長度3 439 m。該護岸分兩種形式護砌，0 +000 ～0 +393、1 +633 ～1 +879 段護坡采用植物護坡形式，植草插柳株距為2 m×2 m，總長639 m;0 +393 ～1 +633、1 +879～3 +439 段采用雷諾護墊護坡形式，總長2 800 m。固腳采用雷諾護墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，尺寸為200 ×150 ×100 cm ( 長×寬×厚) ，和尺寸為200 ×100 ×25 cm ( 長×寬×厚) ，護坡采用雷諾護墊網(wǎng)墊厚25 cm，尺寸為300 ×200 ×25 cm( 長× 寬×厚) ，壓頂采用雷諾護墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，尺寸為200 ×100 ×50 cm( 長×寬×厚) 。

該護岸工程總工程量7.26 ×104m3，其中: 土石方開挖0.95 ×104m3; 土 石 方 填 筑6.31 ×104m3; 雷 諾 護 墊 共49 296 m2。總用工12.00 ×104工時，工期1 a。工程總投資1 219.59萬元。工程建成后，不僅防止了國土流失，還可有效地保護臨江耕地的安全。

2 塌岸原因及修建護岸的必要性

該段江岸覆蓋層由粉土粉砂互層和砂礫石層組成，地質(zhì)結(jié)構(gòu)脆弱，抗沖能力差，江水沖淘嚴重，同時受嘎牛戶西套子島的頂托，使上游段河道變窄，水流湍急，此段江水位高，流速大，在中高水位漲落以及冰凌、風(fēng)浪的作用下，致使江岸松散土壤顆粒被江水帶走，使岸坡整塊坍塌。據(jù)實地調(diào)查，因水流、地質(zhì)等因素，造成該段江岸的塌岸速度每年已達到2 m左右，且塌岸速度呈逐年增加趨勢，塌岸使岸邊的良田逐年減少，如不及時采取必要的整治措施，使國土流失，不利于邊境地區(qū)的和平穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展。因此修建嘎牛戶西套子島護岸工程非常必要。

3 護岸工程設(shè)計

3.1 護坡結(jié)構(gòu)型式選擇

雷諾護墊由機編雙交合六邊形金屬網(wǎng)面構(gòu)成，其中裝入塊石等填充料后連成一體，構(gòu)成具有柔性、透水性及整體性的結(jié)構(gòu)，雷諾護墊由格板分成若干單元格，所有面板邊端均采用直徑更大的鋼絲。

采用干砌石護坡、雷諾護墊護坡兩種結(jié)構(gòu)型式進行方案比選，見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)形式方案比選

方案結(jié)果表明: 雷諾護墊護坡結(jié)構(gòu)形式造價較高，但整體性好，能適應(yīng)變形，有較強的抗沖刷及抗冰推能力，且能恢復(fù)生態(tài)，保護環(huán)境。干砌石護坡造價較低，但干砌石護坡抗沖淘能力低，對塊石質(zhì)量要求高，塊石利用率低，維護費用高，故本次護岸設(shè)計采用雷諾護墊護坡結(jié)構(gòu)型式。

3.2 護岸長度及各種高程的確定

本次設(shè)計通過實地踏察，既考慮了岸邊坍塌部位的防護及其在中高水位情況下頂沖點移動的趨勢，又考慮了江水流向變化、保護范圍等因素，綜合確定護岸長度為3 439 m，其中0 +000 ～0 + 393、1 + 633 ～1 + 879 段為植物護坡，總長639 m;0 +393 ～1 +633、1 +879 ～3 +439 段采用雷諾護墊護坡形式，總長2 800 m。

該護岸屬于Ⅳ級建筑物，護岸頂高程按20 a一遇洪水位確定，本次護岸設(shè)計護岸地面頂高程為110.50 ～115.62 m，低于20 a一遇洪水位，故確定岸頂?shù)孛娓叱虨樽o岸頂高程。

固腳工程是為了防止水流沖刷坡腳，在水流平順段可護至坡度為1∶1.6 ～1∶2.5 的緩坡河床處，固腳頂高程應(yīng)高于枯水位0.5 ～1.0 m，為減小開挖量根據(jù)地形可適當(dāng)將固腳高程適當(dāng)放高。本次設(shè)計結(jié)合工程實際地形情況，將固腳頂高程確定為106.90 ～111.20 m。

3.3 護墊厚度及自身穩(wěn)定驗算

3.3.1 雷諾護墊厚度計算

雷諾護墊厚度的確定，一般要考慮兩個因素: ①是水流流速;②是波浪高度及岸坡的傾角。當(dāng)雷諾護墊既受到水流的沖刷，又受到波浪的作用時，需選用兩者中的大值作為設(shè)計厚度。

3.3.1.1 水流流速影響雷諾護墊厚度的計算

1) 對于水流流速的影響情況，馬克蘇菲公司早在20 世紀80年代就在美國的科羅拉多大學(xué)進行了大量的模型試驗和對已建工程的反分析，最后得出了各種厚度雷諾護墊的抗沖流速，見表2。

表2 雷諾護墊厚度與流速參照表

2) 另根據(jù)K.W.Pilarczyk 的《護岸的設(shè)計》，雷諾護墊厚度在水的流速可知的情況下，可采用下式計算:

式中:Δ 為雷諾護墊的相對密度，Δ≈1.0;D 為雷諾護墊的厚度，m;φ 為穩(wěn)定參數(shù)，對于雷諾護墊取Φ =0.75; Ucr 為平均流速，m/s，Ucr =2.0 m/s; C ﹡為臨界防護參數(shù)，對于雷諾護墊取C﹡=0.07;G 為重力加速度，g =9.81 m/s2;KT為紊流系數(shù)，取KT=1.0; Kh為深度系數(shù)，取Kh=1.0; Ks 為坡度系數(shù);θ 為岸坡角度;m 為岸坡坡度，m=2.5;Φ 為雷諾護墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角，Φ =41°。經(jīng)計算:D=0.10 m。

3.3.1.2 波浪高度及岸坡傾角對雷諾護墊厚度的影響計算根據(jù)報告的研究成果( 報告號:BO—290460/18) ，在波浪高度和河岸坡度作為影響雷諾護墊厚度的主要因素，其厚度計算可按下式確定:

當(dāng)

式中:tm為雷諾護墊的厚度，m; Hs 為波浪設(shè)計高度，m，取H1%;根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附表C.1.3－1 計算: 設(shè)計波高H1%=H×2.23( H 為波浪平均波高) ; α 為河岸傾角，tm≥m 為河岸邊坡坡比，m =2.5; n 為雷諾護墊內(nèi)填石孔隙率，%; Δm 為水下材料的相對單位重度，為水下材料的重度，KN/m3; rw為水的重度，KN/m3。

在大多數(shù)情況下，( 1 +n) Δm≈1.0，所以以上兩式可簡化為:

當(dāng)

1) 風(fēng)浪要素計算包括:

風(fēng)速資料:根據(jù)提供的實測風(fēng)速資料，計算歷年4—10月份各風(fēng)向最大風(fēng)速平均值。

護岸計算選取最大風(fēng)速平均值為15.3 m/s，設(shè)計情況采用風(fēng)速為平均風(fēng)速的1.5 倍，即22.95 m/s。

吹程:最大吹程為900 m。

依上進行風(fēng)浪計算:

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》( GB50286—98) 附錄C，波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式:

按平均波周期計算的波長可按下式計算:

式中:L 為平均波長，m。

2) 雷諾護墊厚度計算為:由風(fēng)浪計算結(jié)果可知護岸的波浪設(shè)計高度為: HS=0.334 ×2.24 =0.745 m，將設(shè)計波浪高度值代入厚度計算公式可得:護岸設(shè)計厚度為:tm=0.15 m。

3) 雷諾護墊厚度的選定: 由以上兩種計算方法可以看出:當(dāng)水流流速作為影響雷諾護墊厚度的主要因素時，水流流速為2.0 m/s時，雷諾護墊厚度達到0.10 m就可以滿足要求;而當(dāng)由波浪高度及岸坡的傾角作為影響雷諾護墊厚度的主要因素時，經(jīng)計算雷諾護墊厚度達到0.15 m就可以滿足要求。綜合比較應(yīng)采用兩者中的較大值，但是考慮一定的安全裕度并按照雷諾護墊的規(guī)格，又由于該護岸沖刷比較嚴重，考慮冰塊撞擊及已建護坡工程實踐經(jīng)驗，因此本次設(shè)計護墊厚度t 取0.25 m，采用網(wǎng)墊300 ×200 ×25 cm( 長×寬×厚) ，共6 720個。

3.3.2 坡腳處護墊水平鋪設(shè)長度的確定

平鋪網(wǎng)墊護坡不允許在自重的坡向分力下產(chǎn)生滑動并有要求的安全系數(shù)Fs，可根據(jù)靜力平衡條件按下式計算:

式中:L1、L2、L3分為護墊長度，m，見圖1;α 為岸坡角度;fcs為護墊與坡土的摩擦系數(shù)。經(jīng)計算確定水平鋪設(shè)水平長度為7 m。

圖1 壩腳處護墊水平鋪設(shè)示意圖

固腳高度應(yīng)大于江岸沖刷深度，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》( GB50286—98) ，沖刷深度可按下式計算:

式中:hB為局部沖刷深度，m，從水面算起; hp為沖刷處的水深，以近似設(shè)計水位最大深度代替，hp=7.00 m(0 +396 ～2 +963) ，hp=9.33 m(2 +963 ～3 +439) ; Vcp為平均流速，Vcp=2.00 m/s;V允為河床面的允許不沖流速，V允=1.2 m/s; n 為與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4。

經(jīng)計算，局部沖刷深度hB=1.27 m( 2 +963 ～3 +439) ，hB=0.95 m(0 +396 ～2 +963) ，經(jīng)計算確定鋪設(shè)坡腳處護墊水平長度為7 m，與固腳相同起防滑作用但不經(jīng)濟，因此采用網(wǎng)箱代替水平鋪設(shè)護墊，參考已建工程的實踐經(jīng)驗及本工程的實際情況，固腳采用雷諾護墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，0 +393 ～1 +633、1+879 ～2 +963 段采用網(wǎng)箱200 ×150 ×100 cm ( 長× 寬×厚) 。

3.3.3 護墊自身穩(wěn)定驗算

上述對雷諾護墊厚度的計算僅用于初步設(shè)計的選用，厚度確定后還需按照馬克菲爾《河渠工程》的設(shè)計程序驗算雷諾護墊的穩(wěn)定性和抗變形能力。

3.3.3.1 雷諾護墊的穩(wěn)定性計算

雷諾護墊的穩(wěn)定性計算考慮極限狀態(tài)，也就是設(shè)計最大沖刷深度的情況。一般來說，當(dāng)單個的石頭沒有發(fā)生移動時，石護坡被認為是穩(wěn)定的，護面的穩(wěn)定性的極限狀態(tài)發(fā)生在石頭將要移動的臨界點，也就是“初始移動”的狀態(tài)，此時如果護坡上的產(chǎn)生的剪應(yīng)力小于臨界剪應(yīng)力，那么護坡即為穩(wěn)定狀態(tài)。故若要保持雷諾護墊穩(wěn)定，則應(yīng)有:

式中:τb 為作用于底面的剪應(yīng)力，kg/m2;τc 為“初始移動”臨界狀態(tài)下底面上的允許剪應(yīng)力，kg/m2; τm 為作用于坡面的剪應(yīng)力，kg/m2;τs 為“初始移動”臨界狀態(tài)下坡面上的允許剪應(yīng)力，kg/m2。

作用于底面雷諾護墊上的剪應(yīng)力τb 可按下式計算:

式中:τw為水的重度，kg/m3，rw=1 000 kg/m3;h 為最大沖刷深度，m，h =0.95 m; i 為河床坡度，i =0.008。經(jīng)計算: τb=7.6 kg/m2。

“初始移動”臨界狀態(tài)下底面上的允許剪應(yīng)力τc可按下式計算:

式中:C* 為臨界防護參數(shù)，對于散拋石在臨界狀態(tài)下的防護參數(shù)可以考慮C* =0.047，而由于雷諾護墊網(wǎng)格對石頭的約束作用可取雷諾護墊的防護參數(shù)C* =0.07; γs為石頭的重度，kg/m3，γs= 2 200 kg/m3; γw為水的重度，kg/m3，γw=1 000 kg/m3;dm為雷諾護墊內(nèi)填石的平均直徑，mm，即50%鋪面上的石頭可以通過的篩孔的尺寸，dm=120 mm。經(jīng)計算:τc=10.08 kg/m2。

由上述計算可知，作用于坡面雷諾護墊上的剪應(yīng)力τb小于底面臨界狀態(tài)下的允許剪應(yīng)力τc，故河岸坡面上的雷諾護墊是穩(wěn)定的。

作用域坡面的剪應(yīng)力τm可按下式計算:

經(jīng)計算:τm=5.7 kg/m2。

“初始移動”臨界狀態(tài)下坡面上的允許剪應(yīng)力τs可按下

式計算:式中:Ks為坡度系數(shù)，;θ 為岸坡角;m 為岸坡坡度，m=2.5;φ為雷諾護墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角，φ = 41°。經(jīng)計算: τs=8.3 kg/m2。

由上述計算可知，作用于坡面雷諾護墊上的剪應(yīng)力τm小于坡面上的雷諾護墊在臨界狀態(tài)下的允許剪應(yīng)力τs，故河岸坡面上的雷諾護墊是穩(wěn)定的。

3.3.3.2 流速驗算

護墊與過濾墊間的流速值:

考慮特定的砂質(zhì)土壤，則危險流速值:

Vb＞(2 ～4) V，故加一層10 cm的礫石層。3.3.3.3 穩(wěn)定驗算

取1.0 m3護坡計算，見圖2。護墊重G=25 t。

受力條件:按坡前無水，岸坡濕潤狀態(tài)考慮，網(wǎng)墊與粗礫之間的摩擦系數(shù)f 取值范圍在0.4 ～0.5。

垂直岸坡分力:N=G·cos21.8° =23.2 t

平行岸坡分力: F=G·sin21.8° =9.28 t

摩擦系數(shù):f1=0.40; f =Nf1=9.28 t; f2=0.40; f =Nf2=9.29 t;f≥F，網(wǎng)墊護坡自身穩(wěn)定。

圖2 雷諾護墊穩(wěn)定驗算示意圖

3.3.4 流冰期冰排對護坡網(wǎng)墊撞擊影響

冰排對護坡網(wǎng)墊撞擊力的計算可根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》( SL211—98) ，按下式計算:

式中:F 為冰塊撞擊建筑物時產(chǎn)生的動冰壓力標(biāo)準值MN; υ為冰塊運動速度，υ =0.6 m/s; δ 為流冰厚度，取最大冰厚的0.8 倍，δ =1.6 m; A 為冰塊面積，A =10 m2; f 為冰的抗壓強度，f=0.45 MPa。

經(jīng)計算:F=0.14 MN，垂直作用在護坡網(wǎng)墊上的動冰壓力F' =0.14 ×sin21.8 =0.05 MN。本次護坡網(wǎng)墊抗壓強度為27.5 N/mm2，可滿足冰排撞擊的要求。

3.4 護岸壓頂、固腳及防沖槽網(wǎng)箱設(shè)計

為防止岸頂雨水淘刷及其人類活動破壞，護岸壓頂采用雷諾護墊網(wǎng)箱200 cm×100 cm×50 cm( 長× 寬× 厚) ，共1544個。固腳采用雷諾護墊網(wǎng)箱200 cm×150 cm×100 cm( 長×寬×厚) 1 544個和護墊200 cm×100 cm×25 cm( 長×寬×厚)525個。

在雷諾護墊護坡首末兩端設(shè)置防沖槽，采用雷諾護墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)200 cm×50 cm×50 cm( 長×寬×厚) ，共29個。

3.5 穩(wěn)定計算

本次采用瑞典圓弧法計算護岸及岸坡基礎(chǔ)土的抗滑穩(wěn)定。根據(jù)地質(zhì)報告，土體的各項物理指標(biāo)見表1。通過STAB程序計算穩(wěn)定圖見圖3。

表1 土體物理指標(biāo)表

圖3 STAB 程序計算穩(wěn)定示意圖

經(jīng)計算: 枯水位時: k =1.30; 20 a 一遇洪水位時: k =1.49。

計算結(jié)果均大于允許值〔K〕=1.15，故邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

黑龍江省遜克縣黑龍江干流嘎牛戶西套子島護岸工程已通過松遼委及黑龍江省發(fā)展和改革委員會批復(fù)，初步設(shè)計也批復(fù)，下一步將進行該工程招標(biāo)及施工階段，相信雷諾護墊護坡結(jié)構(gòu)建完后在保護堤岸的同時實現(xiàn)了水體和坡下土體間交換功能，恢復(fù)了生態(tài)平衡，它使工程結(jié)構(gòu)回歸自然，坡上植綠必將成為遜克縣嘎牛戶西套子島的一道亮麗的風(fēng)景線，此項技術(shù)在大慶等地已有應(yīng)用，相信不久的將來會廣泛地應(yīng)用在黑河沿江水利工程上。

［1］水利部東北勘測設(shè)計研究院. SL211－98 水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.

［2］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院. GB50286－98 堤防工程設(shè)計規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.