堤防工程设计中确定护底石笼尺寸方法的探讨

徐进汉

(陕西省水工程勘察规划研究院，陕西 西安 710003)

堤防工程设计中确定护底石笼尺寸方法的探讨

徐进汉

(陕西省水工程勘察规划研究院，陕西 西安 710003)

护底布置在紧靠岸坡堤脚的滩面，是护岸的延续，可减轻冲刷深度，且能填补冲坑，以免堤脚基础沉降危及堤防安全。在设计中，根据河道设防标准不同，护底宽度常按经验数字确定，为冲刷深度的1.5～2倍或河底宽度的1/10～1/5，常取10～20 m，没有进行量化，容易造成防护体设置的不当，防护体不足则影响工程安全，过量则造成投资加大。根据《堤防工程设计规范》(GB50286－98)及《堤防工程手册》归纳总结堤脚护底的宽度计算方法，并用伊士巴许公式对石笼体重量、抗滑及抗悬浮所需厚度进行复核，结合工程实例，对结论进行评价。

堤防工程;堤脚护底;防护宽度;尺寸确定

堤防是保护沿江滨海生命财产的主要防洪工程，大堤的安全，必先固岸护坡、稳定河势以防止堤岸发生崩坍、急流逼近堤脚。

对于土堤来说，堤防工程的安全性或稳定性，主要是要考虑渗流和防冲。尤其在河湾地段，由于存在弯道环流，水流不断冲蚀凹岸，会引起凹岸淘刷凸岸淤积，深泓线紧贴凹岸并向凹岸移动，主流逼近凹岸堤脚，流速加大，导致滩脚更进一步冲刷，河床下切引起坡脚块石基础外延下滑，如果坡脚处没有预留充足的块石补给，岸坡将失稳，危及堤防安全，所以弯道凹岸不仅要考虑护岸，一定要做护底工程，护底工程是护岸的延续，是岸坡稳定的保证。

根据《堤防工程设计规范》(GB50286－98)及《堤防工程手册》，本文归纳总结了堤脚护底的宽度计算方法，并用伊士巴许公式对石笼体重量、抗滑及抗悬浮所需厚度进行复核，结合工程实例，对结论进行评价。

1 设计中现存的问题

护底布置在紧靠岸坡堤脚的滩面，使水流不能直接淘刷坡脚河床，减轻冲刷深度，且能填补冲坑，以免堤脚基础沉降危及堤防安全。

在考虑岸坡堤脚的抗滑稳定时，必须使紧靠坡脚的冲刷坑底与岸坡连线保持较缓的坡度，保证坡脚不会被直接冲刷而失稳，因此需要在坡脚滩面设置防护层，防止水流吸出块石底部细颗粒砂砾石层形成冲坑，并延伸至河床一定宽度。

对于护底工程的宽度，主要考虑主流逼近凹岸的河势和最大冲刷深度，要求护底宽度越过这些最有危害的水力紊动区间，达到最大的防护效果，一般为河底宽度的1/10～1/5，常采用10～20 m，或2倍水深的距离。护底越宽，防冲效果越好，也有专业书籍提出，防护宽度为冲刷深度的1.5～2倍。

但是，上述数值为经验数字，没有相关的规程规范及专业书籍，给出一个计算方法，来量化护底防护体的宽度，这样，对于不同设防标准的河道堤防，在坡脚防护设计中，不能量化，容易造成防护体设置的不当;防护体不足会影响工程安全，设置过大会增加工程投资。

2 设计及工程实例验算

在设防洪水情况下，无论是根据《堤防工程设计规范》附录D中的冲刷深度公式计算出的结果，还是河工模型试验成果，堤脚冲刷深度均较大，如果将基础放置在冲刷深度以下，工程投资势必很大，通常是将基础相应抬高，坡脚处采取护底铺垫，以免水流淘刷堤脚基础引起失稳，危及堤防安全。

常用的护底防护材料一般有抛石、石笼及沉排防护。抛石体及沉排表面不平整，会阻碍水流增加紊动，引起流速变化对工程不利，所以石笼护底为工程常用材料。

2.1 防护宽度的确定

根据《堤防工程设计规范》第7.1.6条规定:在水流平顺河段，可护至坡度为1:3～1:4的缓坡河床处。可知，防护体设置后，需使岸坡坡脚形成一个缓坡，不能有影响坡脚基础失稳的冲坑存在，这样才能使坡脚基础稳固。

在设计中，因为堤脚冲刷深度均较大，如果基础放置在冲刷深度以下，则埋深很大，需水下大开挖，施工费用加大;故将基础抬高，将基础底部高程与该断面冲刷高程的差值，乘以水下砂砾石稳定坡比1:3的斜长，即为防护体宽度。

宽度确定后，对防护体的厚度及重量，结合工程实例，分别用公式进行验算，看是否能满足防冲要求。

2.2 工程实例

2009年3月，安康中心城市建设投资开发有限公司委托水利部西北水利科学研究所实验中心，对汉江安康城区江北防洪三期工程进行河工模型试验，《试验报告》提出了不同堤段冲刷高程特征值，以SW11(丁坝)断面为例，平面位置在1+140 m，该处滩面高程为233.94 m，冲刷深度为227.20 m，高差6.74 m，如将基础埋置在冲刷深度以下，则水下开挖量和施工抽水量巨大，实际施工时，将堤脚基础高程放置在230.94 m，比最大冲刷深度高3.74 m，外侧采用石笼护底。

依据前述公式进行计算，确定石笼护底的宽度为11.8 m。

1)石笼体重量验算

笼体材料采用格栅，相对于铅丝笼体和格宾材料，格栅为柔性材料，承担变形能力强，与河床面接合紧密，利于防冲;材料便宜，价格比铅丝笼体能节省百分之六十以上;施工简单，易于绑扎。

考虑格栅产品幅面宽度为4 m，故确定格栅笼体断面为矩形，宽度1 m，高度0.8 m，单个笼体垂直河道摆放，在防护区内满布，笼体间牢固联接。

根据《堤坝防浪护坡设计》中介绍，对于护底块石所需重量，采用伊士巴许公式进行计算:

式中:W为块石稳定所需最小重量;V为作用在块石上的水流速度，根据水模试验，取3.6 m/s;γM为块石容重，2.6 t/m3;γ为水容重，1t/m3;α为石笼护底与水平面交角，根据水下砂卵石层所能形成的稳定坡比为1:3～1:4，取最不利值1:3，为18.4°;g为重力加速度;K为伊士巴许常数，对于嵌固块石 K=1.2，对于非嵌固块石，K=0.86;

可得 W=0.85t。

单个笼体所形成的重量，大于此值，满足要求。

2)抗滑所需要的厚度，用下式计算:

式中:t1为抗滑所需要的框笼填石厚度;H为该处最大的波高，取0.8 m;P为块石孔隙率，要求孔隙率不大于20%;▽为块石在水中的比重，天然比重减去水容重，1.6t/m3;α为石笼护底与水平面交角，18.4°;

可得 t1=0.07 m，实际为 0.8 m。

3)抗悬浮所需要的厚度，用下式计算:

式中:t2为抗滑所需要的框笼填石厚度;H为该处最大的波高，取0.8 m;P为块石孔隙率，要求孔隙率不大于20%;▽为块石在水中的比重，取1.6t/m3;α石笼护底与水平面交角，取 18.4°;

可得 t2=0.06 m，实际为 0.8 m。

可见，笼体尺寸均大于计算值，满足水流防冲要求。

工程施工过程中，经历了2009年及2010年两次超标准洪水考验，洪水消退后，对堤防基础进行检测，笼体下层的河床面冲刷微弱，对堤脚基础的防护达到了设计目的，运行安全，效果良好。

3 结论

深泓线紧贴的岸坡堤脚，冲刷深度较大，如果将基础放置在冲刷深度以下，工程投资势必很大，通常是将基础相应抬高，坡脚处采取护底铺垫，以免水流淘刷堤脚基础引起失稳，危及堤防安全。

对于护底的宽度，在设计中，常按经验数字确定，为冲刷深度的1.5～2倍或河底宽度的1/10～1/5，常取 10～20 m，没有进行量化，容易造成防护体设置的不当，防护体不足则影响工程安全，过量则造成投资加大，本文根据《堤防工程设计规范》，进行了总结归纳，并用伊士巴许公式对石笼体重量、抗滑及抗悬浮所需厚度进行复核，对堤防工程石笼护底尺寸的确定，提供了一个计算方法，供设计人员在类似工程中参考。

［1］包承纲.堤防工程合成材料应用技术.中国水利水电出版社.1999.

［2］余广明.堤坝防浪护坡设计.中国水利电力出版社.1987.

［3］毛昶熙等.堤防渗流与防冲.中国水利电力出版社.2003.

［4］毛昶熙主编.堤防工程手册.中国水利电力出版社.2009.

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1004－1184(2012)05－0209－01

2012－05－25

徐进汉(1972－)，男，陕西安康人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。