逊克县嘎牛户西套子岛雷诺护垫护坡设计

孙兰凤，李 军，曹国庆

(1. 黑河市水利勘测设计院，黑龙江 黑河164300;2. 黑河市爱辉区宋集屯水库，黑龙江 黑河164300)

1 工程概况

黑龙江干流嘎牛户西套子岛护岸工程位于黑龙江干流中游嘎牛户西套子岛上，逊克县干岔子乡小河东村正北，该护岸起点位于上游岛头( 桩号0 +000) 处，终点至岛下游( 桩号3 +439) 处，全长3 439 m，宽250 m，面积0.92 km2，距中方岸250 m，距俄方岸900 m。

嘎牛户西套子岛护岸可行性研究于2010年5月11日通过松辽水利委员会( 松辽规计［2010］97 号) 审查，并于2010年8月17日经黑龙江省发展和改革委员会( 黑发改农经［2010］1392 号) 批复。

本次初步设计经实地勘测，嘎牛户西套子岛外江测均有不同程度的坍塌，为使该岛免遭冲刷，本次护岸地点为岛外侧，起点为上游岛端( 桩号0 +000) ，护岸沿岛外侧岸布置，至下游平缓处，护岸长度3 439 m。该护岸分两种形式护砌，0 +000 ～0 +393、1 +633 ～1 +879 段护坡采用植物护坡形式，植草插柳株距为2 m×2 m，总长639 m;0 +393 ～1 +633、1 +879～3 +439 段采用雷诺护垫护坡形式，总长2 800 m。固脚采用雷诺护垫网箱结构，尺寸为200 ×150 ×100 cm ( 长×宽×厚) ，和尺寸为200 ×100 ×25 cm ( 长×宽×厚) ，护坡采用雷诺护垫网垫厚25 cm，尺寸为300 ×200 ×25 cm( 长× 宽×厚) ，压顶采用雷诺护垫网箱结构，尺寸为200 ×100 ×50 cm( 长×宽×厚) 。

该护岸工程总工程量7.26 ×104m3，其中: 土石方开挖0.95 ×104m3; 土 石 方 填 筑6.31 ×104m3; 雷 诺 护 垫 共49 296 m2。总用工12.00 ×104工时，工期1 a。工程总投资1 219.59万元。工程建成后，不仅防止了国土流失，还可有效地保护临江耕地的安全。

2 塌岸原因及修建护岸的必要性

该段江岸覆盖层由粉土粉砂互层和砂砾石层组成，地质结构脆弱，抗冲能力差，江水冲淘严重，同时受嘎牛户西套子岛的顶托，使上游段河道变窄，水流湍急，此段江水位高，流速大，在中高水位涨落以及冰凌、风浪的作用下，致使江岸松散土壤颗粒被江水带走，使岸坡整块坍塌。据实地调查，因水流、地质等因素，造成该段江岸的塌岸速度每年已达到2 m左右，且塌岸速度呈逐年增加趋势，塌岸使岸边的良田逐年减少，如不及时采取必要的整治措施，使国土流失，不利于边境地区的和平稳定和经济发展。因此修建嘎牛户西套子岛护岸工程非常必要。

3 护岸工程设计

3.1 护坡结构型式选择

雷诺护垫由机编双交合六边形金属网面构成，其中装入块石等填充料后连成一体，构成具有柔性、透水性及整体性的结构，雷诺护垫由格板分成若干单元格，所有面板边端均采用直径更大的钢丝。

采用干砌石护坡、雷诺护垫护坡两种结构型式进行方案比选，见表1。

表1 两种结构形式方案比选

方案结果表明: 雷诺护垫护坡结构形式造价较高，但整体性好，能适应变形，有较强的抗冲刷及抗冰推能力，且能恢复生态，保护环境。干砌石护坡造价较低，但干砌石护坡抗冲淘能力低，对块石质量要求高，块石利用率低，维护费用高，故本次护岸设计采用雷诺护垫护坡结构型式。

3.2 护岸长度及各种高程的确定

本次设计通过实地踏察，既考虑了岸边坍塌部位的防护及其在中高水位情况下顶冲点移动的趋势，又考虑了江水流向变化、保护范围等因素，综合确定护岸长度为3 439 m，其中0 +000 ～0 + 393、1 + 633 ～1 + 879 段为植物护坡，总长639 m;0 +393 ～1 +633、1 +879 ～3 +439 段采用雷诺护垫护坡形式，总长2 800 m。

该护岸属于Ⅳ级建筑物，护岸顶高程按20 a一遇洪水位确定，本次护岸设计护岸地面顶高程为110.50 ～115.62 m，低于20 a一遇洪水位，故确定岸顶地面高程为护岸顶高程。

固脚工程是为了防止水流冲刷坡脚，在水流平顺段可护至坡度为1∶1.6 ～1∶2.5 的缓坡河床处，固脚顶高程应高于枯水位0.5 ～1.0 m，为减小开挖量根据地形可适当将固脚高程适当放高。本次设计结合工程实际地形情况，将固脚顶高程确定为106.90 ～111.20 m。

3.3 护垫厚度及自身稳定验算

3.3.1 雷诺护垫厚度计算

雷诺护垫厚度的确定，一般要考虑两个因素: ①是水流流速;②是波浪高度及岸坡的倾角。当雷诺护垫既受到水流的冲刷，又受到波浪的作用时，需选用两者中的大值作为设计厚度。

3.3.1.1 水流流速影响雷诺护垫厚度的计算

1) 对于水流流速的影响情况，马克苏菲公司早在20 世纪80年代就在美国的科罗拉多大学进行了大量的模型试验和对已建工程的反分析，最后得出了各种厚度雷诺护垫的抗冲流速，见表2。

表2 雷诺护垫厚度与流速参照表

2) 另根据K.W.Pilarczyk 的《护岸的设计》，雷诺护垫厚度在水的流速可知的情况下，可采用下式计算:

式中:Δ 为雷诺护垫的相对密度，Δ≈1.0;D 为雷诺护垫的厚度，m;φ 为稳定参数，对于雷诺护垫取Φ =0.75; Ucr 为平均流速，m/s，Ucr =2.0 m/s; C ﹡为临界防护参数，对于雷诺护垫取C﹡=0.07;G 为重力加速度，g =9.81 m/s2;KT为紊流系数，取KT=1.0; Kh为深度系数，取Kh=1.0; Ks 为坡度系数;θ 为岸坡角度;m 为岸坡坡度，m=2.5;Φ 为雷诺护垫内填石的内摩擦角，Φ =41°。经计算:D=0.10 m。

3.3.1.2 波浪高度及岸坡倾角对雷诺护垫厚度的影响计算根据报告的研究成果( 报告号:BO—290460/18) ，在波浪高度和河岸坡度作为影响雷诺护垫厚度的主要因素，其厚度计算可按下式确定:

当

式中:tm为雷诺护垫的厚度，m; Hs 为波浪设计高度，m，取H1%;根据《堤防工程设计规范》附表C.1.3－1 计算: 设计波高H1%=H×2.23( H 为波浪平均波高) ; α 为河岸倾角，tm≥m 为河岸边坡坡比，m =2.5; n 为雷诺护垫内填石孔隙率，%; Δm 为水下材料的相对单位重度，为水下材料的重度，KN/m3; rw为水的重度，KN/m3。

在大多数情况下，( 1 +n) Δm≈1.0，所以以上两式可简化为:

当

1) 风浪要素计算包括:

风速资料:根据提供的实测风速资料，计算历年4—10月份各风向最大风速平均值。

护岸计算选取最大风速平均值为15.3 m/s，设计情况采用风速为平均风速的1.5 倍，即22.95 m/s。

吹程:最大吹程为900 m。

依上进行风浪计算:

根据《堤防工程设计规范》( GB50286—98) 附录C，波浪的平均波高和平均波周期采用莆田试验站公式:

按平均波周期计算的波长可按下式计算:

式中:L 为平均波长，m。

2) 雷诺护垫厚度计算为:由风浪计算结果可知护岸的波浪设计高度为: HS=0.334 ×2.24 =0.745 m，将设计波浪高度值代入厚度计算公式可得:护岸设计厚度为:tm=0.15 m。

3) 雷诺护垫厚度的选定: 由以上两种计算方法可以看出:当水流流速作为影响雷诺护垫厚度的主要因素时，水流流速为2.0 m/s时，雷诺护垫厚度达到0.10 m就可以满足要求;而当由波浪高度及岸坡的倾角作为影响雷诺护垫厚度的主要因素时，经计算雷诺护垫厚度达到0.15 m就可以满足要求。综合比较应采用两者中的较大值，但是考虑一定的安全裕度并按照雷诺护垫的规格，又由于该护岸冲刷比较严重，考虑冰块撞击及已建护坡工程实践经验，因此本次设计护垫厚度t 取0.25 m，采用网垫300 ×200 ×25 cm( 长×宽×厚) ，共6 720个。

3.3.2 坡脚处护垫水平铺设长度的确定

平铺网垫护坡不允许在自重的坡向分力下产生滑动并有要求的安全系数Fs，可根据静力平衡条件按下式计算:

式中:L1、L2、L3分为护垫长度，m，见图1;α 为岸坡角度;fcs为护垫与坡土的摩擦系数。经计算确定水平铺设水平长度为7 m。

图1 坝脚处护垫水平铺设示意图

固脚高度应大于江岸冲刷深度，根据《堤防工程设计规范》( GB50286—98) ，冲刷深度可按下式计算:

式中:hB为局部冲刷深度，m，从水面算起; hp为冲刷处的水深，以近似设计水位最大深度代替，hp=7.00 m(0 +396 ～2 +963) ，hp=9.33 m(2 +963 ～3 +439) ; Vcp为平均流速，Vcp=2.00 m/s;V允为河床面的允许不冲流速，V允=1.2 m/s; n 为与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4。

经计算，局部冲刷深度hB=1.27 m( 2 +963 ～3 +439) ，hB=0.95 m(0 +396 ～2 +963) ，经计算确定铺设坡脚处护垫水平长度为7 m，与固脚相同起防滑作用但不经济，因此采用网箱代替水平铺设护垫，参考已建工程的实践经验及本工程的实际情况，固脚采用雷诺护垫网箱结构，0 +393 ～1 +633、1+879 ～2 +963 段采用网箱200 ×150 ×100 cm ( 长× 宽×厚) 。

3.3.3 护垫自身稳定验算

上述对雷诺护垫厚度的计算仅用于初步设计的选用，厚度确定后还需按照马克菲尔《河渠工程》的设计程序验算雷诺护垫的稳定性和抗变形能力。

3.3.3.1 雷诺护垫的稳定性计算

雷诺护垫的稳定性计算考虑极限状态，也就是设计最大冲刷深度的情况。一般来说，当单个的石头没有发生移动时，石护坡被认为是稳定的，护面的稳定性的极限状态发生在石头将要移动的临界点，也就是“初始移动”的状态，此时如果护坡上的产生的剪应力小于临界剪应力，那么护坡即为稳定状态。故若要保持雷诺护垫稳定，则应有:

式中:τb 为作用于底面的剪应力，kg/m2;τc 为“初始移动”临界状态下底面上的允许剪应力，kg/m2; τm 为作用于坡面的剪应力，kg/m2;τs 为“初始移动”临界状态下坡面上的允许剪应力，kg/m2。

作用于底面雷诺护垫上的剪应力τb 可按下式计算:

式中:τw为水的重度，kg/m3，rw=1 000 kg/m3;h 为最大冲刷深度，m，h =0.95 m; i 为河床坡度，i =0.008。经计算: τb=7.6 kg/m2。

“初始移动”临界状态下底面上的允许剪应力τc可按下式计算:

式中:C* 为临界防护参数，对于散抛石在临界状态下的防护参数可以考虑C* =0.047，而由于雷诺护垫网格对石头的约束作用可取雷诺护垫的防护参数C* =0.07; γs为石头的重度，kg/m3，γs= 2 200 kg/m3; γw为水的重度，kg/m3，γw=1 000 kg/m3;dm为雷诺护垫内填石的平均直径，mm，即50%铺面上的石头可以通过的筛孔的尺寸，dm=120 mm。经计算:τc=10.08 kg/m2。

由上述计算可知，作用于坡面雷诺护垫上的剪应力τb小于底面临界状态下的允许剪应力τc，故河岸坡面上的雷诺护垫是稳定的。

作用域坡面的剪应力τm可按下式计算:

经计算:τm=5.7 kg/m2。

“初始移动”临界状态下坡面上的允许剪应力τs可按下

式计算:式中:Ks为坡度系数，;θ 为岸坡角;m 为岸坡坡度，m=2.5;φ为雷诺护垫内填石的内摩擦角，φ = 41°。经计算: τs=8.3 kg/m2。

由上述计算可知，作用于坡面雷诺护垫上的剪应力τm小于坡面上的雷诺护垫在临界状态下的允许剪应力τs，故河岸坡面上的雷诺护垫是稳定的。

3.3.3.2 流速验算

护垫与过滤垫间的流速值:

考虑特定的砂质土壤，则危险流速值:

Vb＞(2 ～4) V，故加一层10 cm的砾石层。3.3.3.3 稳定验算

取1.0 m3护坡计算，见图2。护垫重G=25 t。

受力条件:按坡前无水，岸坡湿润状态考虑，网垫与粗砾之间的摩擦系数f 取值范围在0.4 ～0.5。

垂直岸坡分力:N=G·cos21.8° =23.2 t

平行岸坡分力: F=G·sin21.8° =9.28 t

摩擦系数:f1=0.40; f =Nf1=9.28 t; f2=0.40; f =Nf2=9.29 t;f≥F，网垫护坡自身稳定。

图2 雷诺护垫稳定验算示意图

3.3.4 流冰期冰排对护坡网垫撞击影响

冰排对护坡网垫撞击力的计算可根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》( SL211—98) ，按下式计算:

式中:F 为冰块撞击建筑物时产生的动冰压力标准值MN; υ为冰块运动速度，υ =0.6 m/s; δ 为流冰厚度，取最大冰厚的0.8 倍，δ =1.6 m; A 为冰块面积，A =10 m2; f 为冰的抗压强度，f=0.45 MPa。

经计算:F=0.14 MN，垂直作用在护坡网垫上的动冰压力F' =0.14 ×sin21.8 =0.05 MN。本次护坡网垫抗压强度为27.5 N/mm2，可满足冰排撞击的要求。

3.4 护岸压顶、固脚及防冲槽网箱设计

为防止岸顶雨水淘刷及其人类活动破坏，护岸压顶采用雷诺护垫网箱200 cm×100 cm×50 cm( 长× 宽× 厚) ，共1544个。固脚采用雷诺护垫网箱200 cm×150 cm×100 cm( 长×宽×厚) 1 544个和护垫200 cm×100 cm×25 cm( 长×宽×厚)525个。

在雷诺护垫护坡首末两端设置防冲槽，采用雷诺护垫网箱结构200 cm×50 cm×50 cm( 长×宽×厚) ，共29个。

3.5 稳定计算

本次采用瑞典圆弧法计算护岸及岸坡基础土的抗滑稳定。根据地质报告，土体的各项物理指标见表1。通过STAB程序计算稳定图见图3。

表1 土体物理指标表

图3 STAB 程序计算稳定示意图

经计算: 枯水位时: k =1.30; 20 a 一遇洪水位时: k =1.49。

计算结果均大于允许值〔K〕=1.15，故边坡稳定。

4 结 论

黑龙江省逊克县黑龙江干流嘎牛户西套子岛护岸工程已通过松辽委及黑龙江省发展和改革委员会批复，初步设计也批复，下一步将进行该工程招标及施工阶段，相信雷诺护垫护坡结构建完后在保护堤岸的同时实现了水体和坡下土体间交换功能，恢复了生态平衡，它使工程结构回归自然，坡上植绿必将成为逊克县嘎牛户西套子岛的一道亮丽的风景线，此项技术在大庆等地已有应用，相信不久的将来会广泛地应用在黑河沿江水利工程上。

［1］水利部东北勘测设计研究院. SL211－98 水工建筑物抗冰冻设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，1998.

［2］水利部水利水电规划设计总院. GB50286－98 堤防工程设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，1998.