某大比降卵礫石河床堤防護(hù)腳加固型式選擇

彭文祥，鄭道寬，胡小龍

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢430010）

1 工程河段特性及堤腳失穩(wěn)破壞原因分析

尼洋河八一鎮(zhèn)河段位于山區(qū)性河流中下游分界處，海拔高程從3 400m下降到3 000m，平均坡降為3‰～2‰,河床由漂石、卵石夾少量粗砂堆積而成，河床寬淺散亂，心灘發(fā)育，洲汊縱橫，主流擺動不定，灘槽極不分明，河道沒有穩(wěn)定主河槽，極易造成河流的的橫向頻繁擺動，侵蝕堤岸，形成險(xiǎn)情。深泓線在大約20～30a內(nèi)發(fā)生了幾次較大變化，其主要原因是河道主槽擺動而自然演變的結(jié)果，也有亂挖濫采河道泥沙的人為因素。尼洋河自中游下段（即八一鎮(zhèn)附近）～下游段，河床土質(zhì)疏松，比降變緩，河流完全在沖積洪積物之上流動，為河床的頻繁變遷提供了條件。隨著河床的擺動，河流岸邊的侵蝕愈加嚴(yán)重。目前，尼洋河左岸已全線修筑了防洪堤，其防洪標(biāo)準(zhǔn)按50a一遇洪水設(shè)計(jì)、100a一遇洪水校核。2000年又新設(shè)防洪堤10.672km，使防洪堤總長達(dá)到14.634km，八一鎮(zhèn)城區(qū)兩岸實(shí)現(xiàn)全面設(shè)防。

八一標(biāo)準(zhǔn)防洪堤修筑以后，河道的橫向侵蝕受到了限制，加之交通部門所修建的護(hù)路丁壩群，河流的橫向侵蝕也逐漸削弱，對防御尼洋河洪水起了積極作用。但由于該河段河勢控制較差，整治工程及護(hù)岸工程不配套，加之堤防施工質(zhì)量存在一定問題，因而在近幾年內(nèi)，曾在八一大橋上游左右岸T1、T3 2個(gè)堤段內(nèi)連續(xù)發(fā)生3次垮堤事故。

我們認(rèn)為，八一防洪堤現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到規(guī)范要求。堤防發(fā)生垮塌、水毀的主要原因分析為：八一防洪堤是建筑在尼洋河沖積層之上，沖積層為漂石和卵石組成，盡管堤腳有2.5m厚混凝土護(hù)腳，且腳槽外側(cè)設(shè)置了厚度為0.6m、寬度2.5m的鉛絲石籠，但河床砂卵石抗沖能力差，鉛絲石籠埋深淺，延伸寬度短，對腳槽外側(cè)河床保護(hù)十分有限。河床受沖刷后腳槽外側(cè)形成臨空面，導(dǎo)致腳槽失穩(wěn)垮塌，堤身及護(hù)坡因腳槽破壞后隨之變形垮塌。目前，尼洋河八一鎮(zhèn)河段部分堤段主流已經(jīng)逼近堤岸，堤腳附近水流流速達(dá)4～5m/s，局部最高達(dá)6.3m/s。堤防堤腳沖刷破壞嚴(yán)重，并導(dǎo)致堤身垮塌破壞。此前多次治理也未見成效?，F(xiàn)場情況也顯示，大部分堤段鉛絲籠都已被沖毀，混凝土腳槽損壞堤段堤腳最大淘刷深度達(dá)3m以上，破壞過程均為腳槽首先失穩(wěn)破壞，然后護(hù)坡及堤身變形垮塌。

2 護(hù)腳加固方案設(shè)計(jì)原則

大比降砂卵石河床、河岸受高速水流沖刷河段堤防的直接護(hù)岸工程的影響進(jìn)行研究，提出一種柔性護(hù)墊方案。該方案具有以下4個(gè)特點(diǎn)：

1）具有較強(qiáng)的抗沖性。

2）具有透水性。

3）具有整體性。

4）具有一定適應(yīng)地形變化能力的柔性。

為此，我們將水平防護(hù)和垂直防護(hù)、石籠類和混凝土類材料相結(jié)合，提出水平柔性護(hù)墊技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)為：格賓鋼筋（絲）石籠網(wǎng)墊+混凝土抗滑樁+輔助連接措施，并對護(hù)岸技術(shù)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定、優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件等問題開展研究【1】。

防護(hù)工程中的基本原理是防護(hù)材料的抗沖能力和水流的沖刷能力的對比，當(dāng)防護(hù)材料的抗沖流速大于水流的沖刷流速時(shí)，防護(hù)材料可視為穩(wěn)定的防護(hù)體，不會在水流的沖刷下發(fā)生位移，從而起到抑制沖刷的發(fā)生，保護(hù)基礎(chǔ)層的穩(wěn)定。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》堤腳岸坡的保護(hù)范圍，在深泓近岸段應(yīng)延伸至深泓線，并滿足河床沖刷深度的要求；在水流平順、岸坡較緩段，宜護(hù)至坡段1∶3～1∶4的緩坡河床處。因此，為保護(hù)堤腳穩(wěn)定一般在緊靠堤腳的河床設(shè)置抗沖體，使水流不能直接淘刷堤腳河床，減小沖刷深度，同時(shí)能夠填補(bǔ)沖坑，使沖刷坑底與坡腳形成緩坡，不能有影響坡腳基礎(chǔ)失穩(wěn)的沖坑存在。這樣，才能使堤腳穩(wěn)固。同時(shí)因堤腳沖刷深度一般均較大，如果將腳槽放置在沖刷深度以下且上部設(shè)置防護(hù)材料則需大量水下開挖，施工難度和費(fèi)用均較大。故一般根據(jù)枯水位適當(dāng)抬高腳槽，然后在腳槽外設(shè)置足夠的防沖備填料。受沖刷變形后備填料填補(bǔ)沖坑，保護(hù)整個(gè)沖坑斜坡面使沖坑穩(wěn)定不再發(fā)展，因此，防沖備填料的方量應(yīng)滿足沖刷深度乘以水下穩(wěn)定坡比的斜長。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《堤防工程手冊》（毛昶熙主編）備填料應(yīng)滿足抗沖粒徑的要求，同時(shí)，變形后沿沖坑坡面的厚度不小于抗沖粒徑的2倍，受防沖備填料保護(hù)的水下穩(wěn)定坡比為1∶1.5～1∶2，防沖備填料可采用拋石、石籠及沉排等材料。

一般備填料層內(nèi)仍有流速和穩(wěn)定水流的淘刷，同時(shí)還有岸坡地下水流的沖蝕，河床細(xì)顆粒易被帶走，導(dǎo)致備填料下沉崩塌，因此需設(shè)置墊層、濾層或土工織物保護(hù)下部細(xì)顆粒不被帶走。

3 護(hù)腳加固方案選擇

根據(jù)以上防沖保護(hù)設(shè)計(jì)原則，本次設(shè)計(jì)采用防沖備填石護(hù)腳方案與鋼筋及鋼絲石籠護(hù)腳方案進(jìn)行比選。

方案一：防沖備填塊石護(hù)腳方案。本方案保留原混凝土腳槽，腳槽外側(cè)設(shè)防沖備填塊石。根據(jù)計(jì)算沖坑深度為2.5～3.5m，同時(shí)，根據(jù)本次地勘檢測參數(shù)，河床沖刷坑的穩(wěn)定邊坡約為1∶2.0?？紤]腳槽以外的沖坑深3.5m左右，防沖備填石淘刷變形后的穩(wěn)定坡比約為1∶2.0，塊石保護(hù)厚度取2倍塊石穩(wěn)定粒徑1.2m，可保護(hù)沖坑不再繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)考慮一定的安全儲備，估算防沖備填石的每延米填筑量不小于15m3。綜合考慮防沖備填塊石護(hù)腳底寬6m，外側(cè)開挖坡比1∶1，開挖深度2.0m，頂部設(shè)置1:8的緩坡與原地面線銜接，其中上部1.0m厚采用平鋪大塊石砌筑，下部采用拋石。

方案二：鋼筋及鋼絲石籠護(hù)腳方案。本方案在原腳槽外側(cè)設(shè)鋼筋籠防沖備填層?？紤]護(hù)腳以外的沖坑深3.5m左右，防沖備填料淘刷變形后的穩(wěn)定坡比1∶2.0，沖坑斜坡保護(hù)長度不小于8m，考慮一定的安全余度，取鋼筋籠防沖備填石向腳槽外側(cè)延伸10m，由此保護(hù)沖坑不再繼續(xù)發(fā)展，確保堤防腳槽的穩(wěn)定。由于本河段流速大、推移質(zhì)含量高，鉛絲籠基本都被破壞；和諧新區(qū)堤段施工時(shí)采用2層結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，上層為0.6m厚鋼筋骨架裝塊石和下層為0.6m厚鋼絲籠裝塊石護(hù)腳，從現(xiàn)場情況來看，上層鋼筋骨架籠耐久性大大提高，運(yùn)行相對較好，破壞較少。因此，經(jīng)綜合考慮，將鋼筋石籠層與原腳槽頂高程相同，然后自上而下分別設(shè)0.6m厚鋼筋石籠、0.6m厚鋼絲石籠及反濾土工布。2層石籠垂直流向?qū)挾炔恍∮?0m【2】。

4 護(hù)腳加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)堤防抗沖計(jì)算分析，結(jié)合工程布置，在腳槽或護(hù)腳平臺坡腳外側(cè)設(shè)置鋼筋石籠護(hù)坡、預(yù)制鋼筋混凝土方樁、鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁、鋼筋石籠和鋼絲石籠護(hù)腳等措施抗沖【3】。鋼筋石籠和鋼絲石籠厚度均為0.6m，石籠垂直流向?qū)挾?m。具體結(jié)構(gòu)型式如圖1、圖2所示。

圖1 腳槽外側(cè)堤腳防沖石籠結(jié)構(gòu)圖

圖2 護(hù)腳平臺堤腳防沖石籠結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

本文以西藏尼洋河八一鎮(zhèn)城區(qū)段堤防加固工程項(xiàng)目為例，分析了工程河段特性及堤腳失穩(wěn)破壞原因，并針對該典型大比降卵礫石河床河流特點(diǎn)，提出了2種堤防堤腳加固方案，并進(jìn)行抗沖能力、施工、造價(jià)的比選，最終推薦鋼筋石籠及鋼絲石籠+鋼筋混凝土樁的堤防護(hù)腳加固方案。上述設(shè)計(jì)方案已在工程中施工應(yīng)用，且經(jīng)歷了2019年洪水期的洪峰過流考驗(yàn)，目前運(yùn)行情況良好。本文提出的護(hù)腳加固方案可供類似河段整治工程的設(shè)計(jì)者參考。