拋石護(hù)岸在大型河道治理工程中的應(yīng)用

甄云俠

(黑龍江省龍騰建設(shè)監(jiān)理有限公司齊齊哈爾分公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

0 引 言

隨著黑龍江省河道整治工程的增多，拋石護(hù)岸在河道整治水利工程中廣泛應(yīng)用。拋石護(hù)岸施工工藝簡(jiǎn)單、取材方便、適應(yīng)性強(qiáng)又便于后期的管理和修復(fù)。

近些年來(lái)拋石護(hù)岸在黑龍江省河道治理中廣泛應(yīng)用，特別是黑龍江省的三大江治理。拋石護(hù)岸適用于崩岸治理，無(wú)論是預(yù)防或搶險(xiǎn)，大多采用水下拋石護(hù)岸措施。它不僅防護(hù)水流的沖刷，也有壓載坡腳的抗滑作用。比較其它護(hù)岸工程，在施工、維修、使用等方面，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①容易拋投于水下；②可變形，適應(yīng)不平整坡面；③高糙率，消浪好；④便于修補(bǔ)，維修要求低；⑤耐久性好。

1 拋石護(hù)岸的應(yīng)用

2020年黑龍江省某大型河道治理工程中應(yīng)用了拋石護(hù)岸。該工程靠近主江道，距離深泓線較近，由于該地區(qū)寒冷，封凍期冰層較厚，開(kāi)江冰塊大，流冰期冰排強(qiáng)烈撞擊江岸造成坍塌，防護(hù)工程既要堅(jiān)固耐久、抗沖刷及抗磨損性能強(qiáng)、抗冰推力強(qiáng)、適應(yīng)河床變形能力強(qiáng)，又要適當(dāng)注重美觀、就地取材，經(jīng)濟(jì)合理，便于施工、修復(fù)、加固，與周邊環(huán)境相適宜，盡量使實(shí)體工程和生物措施結(jié)合起來(lái)，降低造價(jià)保護(hù)生態(tài)環(huán)境等，因此選用了拋石護(hù)岸。經(jīng)過(guò)2021年的春汛、大汛考驗(yàn)，拋石護(hù)岸防護(hù)效果良好。

根據(jù)水利工程的不同地形條件、水流條件、水文條件、工程地質(zhì)條件、防護(hù)任務(wù)及工程重要性等多方面因素考慮相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值。相關(guān)參數(shù)包括拋石護(hù)岸的拋石范圍、拋石厚度、拋石的粒徑、反濾層設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析等。下面結(jié)合實(shí)際工程中的取值逐步分析[1]。

1.1 拋石范圍

該工程采用拋石護(hù)岸形式，拋石范圍為：護(hù)岸頂寬1m，迎水側(cè)坡比1∶2放至緩坡處，緩坡通常要緩于1∶3.0-1∶4.0，進(jìn)入緩坡后水平方向設(shè)置拋石護(hù)腳。

1.2 拋石厚度

參照《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50707-2011)附錄B.3.2公式，當(dāng)采用人工塊體或經(jīng)過(guò)分選的塊石作為斜坡堤的護(hù)面層時(shí)，波浪作用下的單個(gè)塊體、塊石的質(zhì)量Q及護(hù)面層厚度t可按下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Q為主要護(hù)面層的護(hù)面塊體、塊石質(zhì)量，t；當(dāng)護(hù)面由兩層塊石組成，則塊石質(zhì)量可在0.75Q-1.25Q范圍內(nèi)，但應(yīng)有50%以上塊石質(zhì)量>Q；rb為—塊石重度，考慮空隙取20kN/m3；r為水的重度取9.8kN/m3；H為設(shè)計(jì)波高，m，采用H5%=0.31*1.94=0.60m；KD為穩(wěn)定系數(shù)，塊石拋填二層取4.0，立放一層取5.5；n為護(hù)面塊體或塊石層數(shù)，n=2；c為系數(shù)，塊石拋填二層取1，立放一層取1.3-1.4；t為塊體或塊石護(hù)坡面層厚度，m；m為斜坡坡率[2]。

經(jīng)計(jì)算：Q=0.025t，t=0.45m。

由于拋石護(hù)岸距離主河道較近，受冰凌作用概率較大，同時(shí)結(jié)合以往實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，偏安全考慮其采用的拋石厚度取不≥60cm。

2 抗沖粒徑計(jì)算

在水流作用下，防護(hù)工程拋石護(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：

(3)

式中：d為折算粒徑，m，按球形折算；V為水流流速，m/s；取1.8m/s；g為重力加速度，m/s2；C為石塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)；水平底坡C=1.2，傾斜底坡C=0.9；γs為石塊的容重，kN/m3；取25kN/m3；γ為水的容重，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算：d=0.13m。

拋石護(hù)岸的塊石粒徑應(yīng)≥0.13m，拋石≥兩層。

3 反濾層設(shè)計(jì)

為防止退水期滲出水將岸坡土體顆粒帶出和波浪淘刷造成護(hù)岸塌陷而破壞，在拋石及格賓石籠下面鋪一層500g/m2復(fù)合土工布。

反濾材料的保土性應(yīng)符合下式要求：

(O95≤Bd85)

(4)

式中：O95為土工織物的等效孔徑，mm；d85為土的特征粒徑，mm，按土中<該粒徑的土粒質(zhì)量占總土粒質(zhì)量的85%確定；B為系數(shù)，按工程經(jīng)驗(yàn)確定，宜采用1-2，當(dāng)土中細(xì)粒含量大及為往復(fù)水流時(shí)取小值。

反濾材料的透水性應(yīng)符合下式要求：

Kg≥AKs

(5)

式中：A為系數(shù)，按工程經(jīng)驗(yàn)確定，≥10；Kg為土工織物滲透系數(shù)，cm/s，應(yīng)按其垂直滲透系數(shù)kv確定；Ks為土的透水性系數(shù)，cm/s。

反濾材料的防堵性應(yīng)符合下式要求：

以現(xiàn)場(chǎng)土料制成的試樣和擬選土工織物在進(jìn)行淤堵試驗(yàn)后，所得梯度比GR應(yīng)符合下式要求：GR≤3[3]。

4 沖刷深度計(jì)算

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)D.2，泥沙起動(dòng)流速為：

(6)

式中：H0為行近水流水深，m；d50為床沙的中值粒徑，m；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3。

平順護(hù)岸的沖刷深度可按下式計(jì)算：

(6)

(7)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)一般取n=1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，本工程取1；U為行近流速，m/s，取1.1。

根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合地形條件和地質(zhì)情況，選取代表性較好的斷面，共4個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算起動(dòng)流速及沖刷深度計(jì)算成果見(jiàn)表1[4]。

表1 起動(dòng)流速及沖刷深度計(jì)算表

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，在護(hù)岸坡腳處設(shè)置護(hù)腳，長(zhǎng)度以2-3倍沖刷深度為原則，護(hù)腳長(zhǎng)度取5-7m。

5 邊坡穩(wěn)定分析

坡式護(hù)岸邊坡穩(wěn)定包括整體穩(wěn)定和邊坡內(nèi)部穩(wěn)定2種。

5.1 整體穩(wěn)定計(jì)算

整體穩(wěn)定包括護(hù)岸及岸坡基礎(chǔ)土的滑動(dòng)和沿護(hù)坡底面的滑動(dòng)兩種，本次采用瑞典圓弧法對(duì)護(hù)岸及岸坡基礎(chǔ)土的滑動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算公式如下：

(8)

式中：W為土條重量，kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力(V向上為負(fù)，向下為正)，kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；b為土條寬度，m；c′、φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m2；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

表2 岸坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

各種工況下岸坡穩(wěn)定均滿足要求。

5.2 拋石內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算

選取兩個(gè)典型斷面進(jìn)行拋石內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算。

(9)

式中：m1為折點(diǎn)b以上護(hù)坡內(nèi)破的坡率；m2為折點(diǎn)b以下滑動(dòng)面的坡率；f1為護(hù)坡和基土之間的摩擦系數(shù)；f2為護(hù)坡材料的內(nèi)摩擦系數(shù)；φ為護(hù)坡體內(nèi)摩擦角。

表3 拋石內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算成果表

按上式計(jì)算的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均>允許值1.20，拋石護(hù)岸內(nèi)部穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

拋石護(hù)岸解決了深泓區(qū)、坡陡水深護(hù)岸防護(hù)問(wèn)題。其便于施工、抗沖能力強(qiáng)、適應(yīng)于各種復(fù)雜地形條件、耐久性好、方便后期的管理和修復(fù)，值得在河道治理工程中廣泛推廣和應(yīng)用。