生態(tài)護(hù)坡型式在西江干堤險(xiǎn)工段治理中的運(yùn)用

王緯一，吳 龍

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷增長、人民生活水平不斷提高，人民的精神文化需求也日益增長。當(dāng)下水安全保障問題中，堤防除險(xiǎn)加固的任務(wù)不僅要求河暢水清岸固，同時應(yīng)實(shí)現(xiàn)岸綠景美的目標(biāo)，為當(dāng)?shù)鼐用窠ㄔO(shè)喜游樂到的美好去處，本文結(jié)合田螺村險(xiǎn)工段治理工程實(shí)際，分析生態(tài)護(hù)坡型式在堤防除險(xiǎn)加固中的運(yùn)用問題。

1 工程概況

田螺村險(xiǎn)工段位于西江左岸，迎水坡深槽迫岸嚴(yán)重，水下岸坡陡峻。該段屬西江中下游干堤，下游緊接三榕峽，受西江風(fēng)浪作用較為強(qiáng)烈，同時本工程地處亞熱帶，雨量充足，受臺風(fēng)的影響較大，下游河道束窄，且位處凹岸，受迎流頂沖及河道的環(huán)流影響，主流偏向河岸，堤坡基礎(chǔ)局部直接臨水，且堤岸岸坡抗沖刷能力較差(堤基上部為人工填土、粉質(zhì)粘土，軟塑～可塑狀；中部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，松散狀；下部為淤泥質(zhì)粉砂，軟塑狀。)，河漫灘逐漸被沖刷、淘蝕變形。岸坡易崩塌失穩(wěn)，危及堤身安全。

2 方案比選

河道堤防護(hù)岸斷面型式主要有直立式(擋墻、樁墻)、斜坡式(砌石、模袋混凝土、混凝土聯(lián)鎖塊、石籠、草皮護(hù)坡等)、復(fù)合式直立式護(hù)岸，多用于受土地嚴(yán)重制約的城鎮(zhèn)河段治理中，更能體現(xiàn)其節(jié)省用地、穩(wěn)固、耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)。擋墻護(hù)岸型式對基礎(chǔ)承載力有著一定的要求，常采用干地施工，需對工期有著較為科學(xué)合理的安排，或采用圍堰措施，投資較高；由于本工程堤岸沿線主要巖土層為厚層粉質(zhì)黏土層和淤質(zhì)粉質(zhì)黏土層，若采用樁墻式護(hù)岸，需在堤岸設(shè)置樁基穿過滑動面，樁長要求較長，樁底很難進(jìn)入持力層，處理效果不明顯，且投資及施工難度相對較大。

斜坡式護(hù)岸中模袋混凝土護(hù)坡、石籠護(hù)坡、砌石護(hù)坡都有著較好的整體性，強(qiáng)度高，抗沖流速大，但生物恢復(fù)較慢，且砌石護(hù)坡同樣需要干地施工，施工方法存在一定的局限性；模袋混凝土護(hù)坡可直接水下施工，對復(fù)雜地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，但植被較難生長，景觀效果較差，更適用于常年浸水的水下岸坡防沖；混凝土聯(lián)鎖塊施工簡單快捷，有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具有一定的耐沖刷性，多孔結(jié)構(gòu)有利于植物繁殖，且有利于邊坡內(nèi)外水位平衡，適用于水位變化區(qū)；石籠護(hù)坡同樣具有較強(qiáng)的抗沖刷性，根據(jù)以往工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，植物可在石縫中生長，但覆蓋度不高，且石籠的合金屬網(wǎng)易掛帶雜草、樹根、塑料袋等垃圾，使得水位下降后岸坡很不美觀、且難于清理，因此其更適用于水下護(hù)腳；草皮護(hù)坡生態(tài)、美觀、造價(jià)低，但不耐沖刷，不耐水位波動，適用于高頻洪水位以上的岸坡防護(hù)。

針對本工程險(xiǎn)段的實(shí)際情況，該段堤防護(hù)岸措施需具有抗沖刷特點(diǎn)，以應(yīng)對水流紊亂環(huán)流沖刷問題，且堤腳須扎實(shí)穩(wěn)固，避免堤腳受迎流頂沖影響，淘刷變形。由于田螺村地理位置緊鄰縣城，存在一定的人口數(shù)量，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，岸坡防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要與周圍自然、人文環(huán)境協(xié)調(diào)，在滿足工程安全的前提下，采用扎實(shí)穩(wěn)固的生態(tài)型護(hù)岸措施。根據(jù)《廣東省水利工程生態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)指南》[6]意見，堤岸設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用當(dāng)?shù)氐摹⒍嗫仔?、透氣性的材料，?yōu)先考慮植物護(hù)岸，避免堤岸硬化。有條件時盡量選用斜坡式堤防或護(hù)岸，采用植物措施或生態(tài)材料護(hù)坡，從有利于植物生長保護(hù)水土、利于管護(hù)的方面，選擇適宜的斜坡坡度。結(jié)合本堤段現(xiàn)狀地形情況，綜合考慮上述問題，采用斜坡式護(hù)岸，并根據(jù)本段堤圍各典型水位情況，將整體堤防結(jié)構(gòu)分為三級，針對各級特點(diǎn)因事施制。

多年平均年最高水位以上由于受水流侵蝕情況較少，多為雨水沖刷，因此，采用草皮護(hù)坡；綜合考慮風(fēng)浪、水流沖刷、通航船行波等因素的影響，且本段堤岸水下岸坡高陡，本次設(shè)計(jì)在年平均高水位以下采用硬質(zhì)護(hù)坡。考慮到多年平均年最高水位較高，若一坡到底采用混凝土護(hù)坡則美觀上有較大影響，且平均年最高水位至施工期水位間存在著間斷性水位變化，沖刷情況是間歇性存在，采用連鎖式植草磚護(hù)坡，既防水流、暴雨沖刷，又生態(tài)、美化環(huán)境。同時在地形條件允許的情況下，結(jié)合碧道設(shè)計(jì)在略低于多年平均年最高水位處設(shè)置綠道，方便周邊村民休閑散步；施工期水位處設(shè)一級馬道兼作親水平臺供村民游憩；施工期水位以下到迎水坡坡腳處，由于邊坡常年浸水，則采用防護(hù)效果優(yōu)良的模袋混凝土護(hù)坡，經(jīng)久耐用、減少維護(hù)工程量。方案效果見圖1。

圖1 工程平面效果圖

3 護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)

3.1 護(hù)坡典型斷面

根據(jù)堤身土性質(zhì)，堤身先清基再開挖，以篩除草根生活垃圾等雜質(zhì)，開挖料摻黏土回填，減少棄渣。草皮護(hù)坡及連鎖磚中的草種經(jīng)生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特性比較后選擇當(dāng)?shù)剡m生的種類，隨著生長逐步發(fā)揮水土保持措施功能，水土流失得到一定程度的控制與改善。

根據(jù)本文上述論述、現(xiàn)狀地形及以往工程經(jīng)驗(yàn)，本段堤防加固斷面為，第1級：從坡頂至多年平均高水位間采用草皮護(hù)坡，按1∶3培厚岸坡；第2級：多年平均高水位以下至施工期水位間采用聯(lián)鎖式植草磚護(hù)坡，坡比為1∶3；第3級：施工期水位以下岸坡陡峻位置，采用土工模袋混凝土和拋石護(hù)坡相結(jié)合的固腳方案，水下拋石回填至施工期水位，拋石面上鋪設(shè)C25模袋混凝土，邊坡坡比1∶3，以提高坡體抗沖能力。護(hù)坡設(shè)計(jì)斷面見圖2。

圖2 典型斷面設(shè)計(jì)圖

對設(shè)計(jì)護(hù)坡斷面做岸坡穩(wěn)定驗(yàn)算，驗(yàn)算成果見表1。

表1 典型斷面岸坡穩(wěn)定驗(yàn)算成果表

由驗(yàn)算成果表可知，本段堤防各種工況堤坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2 模袋混凝土厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225-1998)[1]規(guī)定，抗漂浮所需厚度按下式計(jì)算：

式中：c為面板系數(shù)，本工程中模袋混凝土護(hù)面接縫位置設(shè)反濾措施，取c=1.5；Hw、LW分別為波浪高度、波浪長度，計(jì)算值分別為0.3 m、10.3 m；Lr為垂直于水邊線的護(hù)面長度，取100 m；m為邊坡系數(shù)，取m=3；γc為混凝土有效容重，kN/m3；γw為水容重，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，確定模袋混凝土厚度為0.2 m滿足抗漂浮要求。

同時，模袋混凝土厚度確定需滿足抗彎曲應(yīng)力計(jì)算要求：

δ≥Fs0.2874a2γc/0.5R1.5

a為假定模袋混凝土底面架空位置為正方形時的邊長，由公式可知模袋混凝土的厚度與a成正比關(guān)系，由于水下拋石面層平整度很難保證，因此本次設(shè)計(jì)模袋混凝土底面設(shè)300 mm厚碎石墊層找平，經(jīng)驗(yàn)算滿足要求。

3.3 模袋混凝土穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225-1998)[1]規(guī)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：L2為坡面模袋長度，取L2=35 m；L3為坡腳以外模袋長度，取L3=10 m；m為邊坡系數(shù)，取m=3；α為斜坡傾角，取為18°；H為護(hù)面高度，取H=22 m；fcs為模袋與土壤的摩阻系數(shù)，該險(xiǎn)工段摩阻系數(shù)取0.5。經(jīng)計(jì)算，險(xiǎn)工段模袋護(hù)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.685，滿足規(guī)范要求。

由于第3級模袋混凝土護(hù)坡經(jīng)常性處于水下，模袋混凝土護(hù)坡在接縫位置、坡頂、坡腳處為薄弱環(huán)節(jié)，土體易從此處隨水流流失，久而久之造成護(hù)坡局部塌方。針對此問題，在模袋混凝土護(hù)坡接縫位置搭接反濾土工布，對護(hù)坡內(nèi)土體進(jìn)行反濾；在略高于施工期水位處設(shè)置C25混凝土壓頂，將模袋混凝土端頭置于護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部，避免土體被水流淘刷，增強(qiáng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；坡腳位置針對河床可能存在的下切問題，需采取措施使模袋混凝土結(jié)構(gòu)適應(yīng)河床變形，由于賽克格賓有著整體性好、不易流失、適應(yīng)變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，本工程建議采用賽克格賓壓腳，進(jìn)一步增強(qiáng)模袋混凝土穩(wěn)定性[4]。

3.4 護(hù)腳抗沖刷計(jì)算

在水流作用下，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)[2]，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)可按下列公式計(jì)算：

式中：d為折算粒徑，按球形折算；W為石塊重量；V為水流流速；g為重力加速度；C為石塊運(yùn)動的穩(wěn)定系數(shù)；按水平底坡C=1.2；γs為石塊的容重，取23 kN/m3；γ為水的容重，取9.81 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，本工程賽克格賓壓腳設(shè)置1 m厚度，塊石重量控制在35 kg～80 kg之間，滿足沖刷深度要求。

4 結(jié)語

近年來，隨著“綠水青山就是金山銀山”理念的不斷深入人心，生態(tài)型水利建設(shè)也被廣泛倡導(dǎo)，對大江大河沿線的堤防整治提出了更高要求。堤防整治要考慮地形、洪水流向、堤基土質(zhì)等因素，同時要充分考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，遵循人與自然和諧共處的治水思路。堤岸防護(hù)措施在確保防洪保安的前提下，滿足人民群眾親水要求，同時兼顧生態(tài)保護(hù)和環(huán)境建設(shè)需要。本文秉持迎流頂沖的治理重在防沖的觀點(diǎn)，論述了不同水位下各護(hù)坡材料防沖效果及施工方式的適用情況，復(fù)核防沖結(jié)構(gòu)的斷面尺寸，針對可能出現(xiàn)的問題，提出處理措施，同時根據(jù)本工程治理任務(wù)及現(xiàn)狀情況，適當(dāng)布置適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明及環(huán)境、體現(xiàn)當(dāng)?shù)厮幕厣墓こ檀胧?，尊重現(xiàn)有的場地特征，體現(xiàn)功能與自然景觀結(jié)合的理念，強(qiáng)調(diào)親水功能，建立合理的人居措施，希望對后續(xù)的生態(tài)護(hù)坡方案及應(yīng)流頂沖段堤岸設(shè)計(jì)提供參考意見。