北江大堤某處堤險(xiǎn)情分析及處理措施

梅飛朋

（廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州，510635）

北江大堤某處堤險(xiǎn)情分析及處理措施

梅飛朋

（廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州，510635）

分析北江大堤某處險(xiǎn)情出現(xiàn)的原因，根據(jù)分析結(jié)合實(shí)際情況提出合理可行的處理措施，為類似工程提供參考。

北江大堤；沖刷；坍塌

1 工程概況

北江大堤樁號32+100～32+250段位于北江大堤蘆苞堤段中部，原址為劉寨水閘（以下稱蘆苞劉寨段），位于北江大堤歷史險(xiǎn)段范圍，見圖1。該段上游在2011年曾進(jìn)行拋石護(hù)岸處理，下游于2007年在北江大堤達(dá)標(biāo)加固工程中采用膜袋混凝土防護(hù)，因此該段成為整個險(xiǎn)段中的薄弱環(huán)節(jié)。

2013年5月16日～17日北江流域出現(xiàn)局部大暴雨，17日石角站出現(xiàn)洪峰水位9.01m(珠基，下同)，對應(yīng)流量11700m3/s。5月20日水退后，蘆苞劉寨段距外坡腳約15m的岸灘地出現(xiàn)沖刷坍塌現(xiàn)象。根據(jù)2013年5月北江流域管理局實(shí)測洪水后的水下地形圖顯示該段出現(xiàn)深槽，位于劉寨航燈塔（天然磯頭處）下游靠近左岸堤腳，槽底高程約為-13.14m，有向下游延伸擴(kuò)展趨勢，見圖2。

北江大堤重要性不言而喻。如果不及時采取防護(hù)措施，將可能導(dǎo)致險(xiǎn)情進(jìn)一步發(fā)展，最終威脅北江大堤的防洪安全。

2 成因分析

北江屬季節(jié)性河流，汛期水量大，河面寬闊，枯水期流量較小，河面窄。北江大堤河段位于北江下游，洲汊縱橫交錯，灘涂險(xiǎn)段較多[1]。根據(jù)地形、地質(zhì)資料及洪水期現(xiàn)場觀察結(jié)果進(jìn)行分析，蘆苞劉寨段險(xiǎn)情主要原因如下：

1）蘆苞劉寨段位于北江河道分叉河段的左汊，由于多種因素影響河勢逐漸演變，左汊分流比不斷增大，主流從右汊逐漸轉(zhuǎn)移到左汊，左汊成為主航道。由于分叉后河面自然收窄，因此左汊水流流速較大，對該段河床及岸坡沖刷加劇，加之采砂作業(yè)影響，造成河床下切，形成深槽迫岸，影響岸坡穩(wěn)定。

圖1 險(xiǎn)情位置示意圖

圖2 實(shí)測水下地形圖

2）在劉寨水閘下游樁號32+050～32+100之間河岸為一天然磯頭，磯頭高程在6.5m左右，相當(dāng)于一座丁壩，蘆苞劉寨段正處在天然磯頭的下游側(cè)，受天然磯頭影響該段形成回流區(qū)，產(chǎn)生漩渦沖刷岸坡[2]。

3）從整個河勢看蘆苞劉寨段基本處于河道凹岸弧線頂點(diǎn)。水流由于離心力作用，凹岸水面高于凸岸，從而使凹岸水體下沉沿河底流向凸岸，在上升水面取向凹岸，形成橫比降的環(huán)流。它與河道的縱向主流匯合就成為螺旋流前進(jìn)，造成凹岸沖刷[3]。

4）根據(jù)地質(zhì)資料，北江大堤蘆苞堤段堤基分布在沖積層上，沖積堤基由Q4、Q3二次沉積旋回地層組成。蘆苞劉寨段堤防上部堤身為人工填土、粘土及淤質(zhì)粘土，堤腳以下部分主要為粗砂、淤質(zhì)細(xì)砂，抗沖刷能力較差。

3 處理措施

根據(jù)上述分析，本次險(xiǎn)情處理措施重點(diǎn)從加強(qiáng)堤腳以下部位岸坡防護(hù)，增強(qiáng)岸坡抗沖刷能力，優(yōu)化岸線，改善局部水流流態(tài)減少回流淘刷兩方面考慮。由于投資方面考慮，本次未對深槽采取處理措施，但應(yīng)密切關(guān)注深槽發(fā)展，必要時采取處理措施。常見岸坡坡腳防護(hù)措施主要有以下幾種：

①拋石護(hù)腳。將塊石拋投于堤腳淘刷坍塌處覆蓋原來淘刷部位，防止坡腳淘刷的一種措施。由于拋石的數(shù)量和質(zhì)量不方便控制，實(shí)施嚴(yán)格的監(jiān)理和監(jiān)督比較困難。在水下施工過程中難以控制塊石間空隙，拋石體不夠密實(shí)，水流在拋石中流速仍較大，極易將被保護(hù)坡腳土體淘走，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，以往工程中出現(xiàn)過這方面的問題。北江大堤險(xiǎn)段在做此類工程時，采取了在拋石體和被保護(hù)的岸坡之間加鋪土工布及級配碎石的方法，取得了顯著的效果。本段上游2011年即采用拋石換處理，至今未出現(xiàn)任何險(xiǎn)情。

②模袋混凝土護(hù)岸。將土工織物制成的模袋鋪設(shè)到工程防護(hù)部位，然后通過用高壓泵把混凝土或水泥砂漿灌入模袋中，混凝土或水泥砂漿固結(jié)后形成具有一定強(qiáng)度的板狀結(jié)構(gòu)或其它狀結(jié)構(gòu)，形成水下岸坡防護(hù)工程，防止水流沖刷岸坡。該方案可以水下施工，具有施工強(qiáng)度高、生產(chǎn)工藝先進(jìn)、質(zhì)量易保證等特點(diǎn)，但該方案對施工水平及施工設(shè)備的配置有一定的要求。模袋混凝土護(hù)岸已在北江大堤達(dá)標(biāo)加固過程中應(yīng)用，并在工程設(shè)計(jì)和施工工藝方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

由于本段護(hù)岸范圍較小、護(hù)岸工程量不大。如果采用模袋混凝土護(hù)岸，水深達(dá)10多米，采用滑道法施工質(zhì)量才容易控制。但需要大型船只，其設(shè)備進(jìn)退場費(fèi)用較高，顯然是不經(jīng)濟(jì)的?？紤]到水下散拋塊石的數(shù)量和質(zhì)量均難于控制，本次設(shè)計(jì)對拋石方案進(jìn)行改進(jìn)：施工水位高程2.0m以下采用拋投格網(wǎng)石籠，施工水位高程2.0m以上仍拋投塊石。格網(wǎng)石籠采用熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲網(wǎng)兜，現(xiàn)場裝滿塊石扎緊封口后呈長約1.8m、直徑約0.64m圓柱體，單個石籠約1.1噸。

設(shè)計(jì)方案如下：水下拋投格網(wǎng)石籠至高程2.0m平臺，拋投體邊坡1：2.5～3.5，根據(jù)地形情況平臺寬度在4m～6m之間，以便岸線與上下游平順連接，改變局部流態(tài)；高程2.0m～6.0m之間岸坡拋投塊石，邊坡1：3.0～3.5，拋石體外采用400厚干砌石護(hù)坡。拋投石塊及格網(wǎng)石籠網(wǎng)兜前先鋪設(shè)土工布再拋投一層200mm厚級配碎石，見圖3。

4 堤岸防護(hù)計(jì)算

(1) 拋石護(hù)坡體內(nèi)部穩(wěn)定

選取32+150斷面作為典型斷面，枯水位取本次護(hù)岸平臺高程2.0，計(jì)算拋石護(hù)坡體內(nèi)部穩(wěn)定。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-2013附錄D.1.1，石護(hù)坡穩(wěn)定安全系數(shù)：

圖3 防護(hù)方案典型斷面圖

f1—護(hù)坡和基土之間的摩擦系數(shù)，取約0.5；

其他參數(shù)定義參見《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-2013附錄D.1.1。

經(jīng)過計(jì)算，k= 1.73＞1.3 ，滿足規(guī)范要求。

圖4 計(jì)算簡圖

(2) 拋石抗沖粒徑計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-2013附錄D.3.4，在水流作用下，防護(hù)工程護(hù)坡、護(hù)腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑(折算粒徑)及石塊重量可按下式計(jì)算：

V—水流流速(m/s)，根據(jù)實(shí)測資料計(jì)算流速取3.3 m/s；

g—重力加速度(9.81m/s2)；

C—石塊運(yùn)動的穩(wěn)定系數(shù)，傾斜底坡C＝0.9；

rs—石塊的容重，可取rs＝26.5(kN/m3)；

r—水的容重，rs＝10(kN/m3)。

經(jīng)計(jì)算，塊石折算粒徑為0.415m，塊石重量0.991kN，單個塊石的質(zhì)量應(yīng)大于99.1kg。考慮到塊石級配問題，要求拋石護(hù)腳塊石質(zhì)量在80kg～120kg之間，大于100kg占75%以上。單個石籠質(zhì)量在1.09t，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 干砌石護(hù)坡厚度計(jì)算

式中：

t—斜坡干砌塊石厚度(m)；

K1—系數(shù)，對一般干砌石可取0.266；

rb—塊石的重度，取26.5(kN/m3)；

r—水的重度，取10(kN/m3)；

H—計(jì)算波高(m)，當(dāng)d/L ≥0.125，取H4%，當(dāng)d/L＜0.125，取H13%，d為岸坡前水深(m)，取10m；

L—計(jì)算波長(m)；

m—斜坡坡率，取3.0。

設(shè)計(jì)波浪要素采用風(fēng)速推算，多年最大風(fēng)速的平均值取12.3m/s，經(jīng)計(jì)算砌石厚度為0.27m，護(hù)岸干砌石厚度采用400mm。

5 技術(shù)要求

(1)石料應(yīng)采用新鮮巖石，塊石強(qiáng)度等級大于MU80，軟化系數(shù)大于0.75。

(2)拋石護(hù)腳塊石質(zhì)量在80kg～120kg之間，大于100kg占75%以上；石籠充填塊石粒徑大于0.25m。

(3) 施工過程中必須定期進(jìn)行石塊檢測，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

(4) 枯水位以上的拋石體，必須按干砌石的要求進(jìn)行整平。

(5) 水下石籠應(yīng)排列緊密，不得疊砌、架空。

6 結(jié)語

堤防安全直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)的安全。堤腳的沖刷、河床的下切由于被水面覆蓋往往在枯水期或洪水退后才被發(fā)現(xiàn)，此時已經(jīng)造成嚴(yán)重影響。本文通過分析蘆苞劉寨段險(xiǎn)情，針對造成險(xiǎn)情原因提出防護(hù)措施，按照設(shè)計(jì)方案處理完險(xiǎn)情后至今未出現(xiàn)任何情況，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考，于險(xiǎn)情出現(xiàn)之前采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，起到防患于未然的作用。

[1]陳小春，譚 泳，陳永超.從河床演變的觀點(diǎn)淺析北江大堤幾總險(xiǎn)情[J].廣東水利水電，1999，(4).

[2]應(yīng)強(qiáng).丁壩水力學(xué)[M].北京：海洋出版社，2004：11-14.

[3]毛昶煦.堤防工程手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2009：220-222.

[4]中國水利部. GB 50286-2013,堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

Danger Analysis and Treatment of a North River Levee Segment

MEI Fei-peng
(Guangdong Hydropower Planning &Design Institute, Guangzhou 510635, China)

In this paper, the reasons of the danger of a North River Levee segment are analyzed, based on which reasonable and feasible measures are put forward as a possible reference for similar projects.

North River Levee; erosion; collapse

TV871

A

1672-2841（2016）02-0009-04

2016-05-19

梅飛朋，男，工程師，碩士，主要從事水工設(shè)計(jì)工作。