河湖抛石护岸工程的设计与应用浅探

姚建忠 朱智兵 胡念凡

（1.金湖县河湖管理所，江苏 淮安 211600；2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005；3.淮安市水利物资开发有限公司，江苏 淮安 223005）

0 引言

抛石防护法［1］是指通过机械或人工抛投块石、卵石等人工或者天然石料，在指定区域堆砌形成符合设计要求的结构，使之具备某种特定功能的施工方法。在各种类型的护岸中，水下抛石防护是一种古老的防护型式，由于其材料来源丰富，施工技术简单，施工进度快，便于维修养护，抗冲性较强，而且能较好地适应河床变形，同时，抛石岸面较为平顺，对水流、河床的自然形态影响较小，因此对一些堤外滩较窄、水流冲刷严重、深泓逼岸、岸线崩退严重的堤段进行水下防护时得到广泛应用，工程效果较好，但是缺乏系统的设计方法。笔者在金宝航道工程、淮安市白马湖堤防险工段应急处理工程等实践的基础上，通过查阅相关文献、规范，对水下抛石防护的设计与应用方法做了初步探讨，可为其它工程提供参考。

1 工程概述

（1）金宝航道工程。金宝航道位于扬州市宝应县和淮安市金湖县境内，是南水北调东线一期工程的重要组成部分，全长66.88 km（裁弯后64.4 km），是一条集输水、通航、灌溉、排涝为一体的综合性河道，设计流量为150 m3/s。金宝航道弯道较多，在设计输水规模下，水流流速较大，为减少水流对凹岸河坡的冲刷，需对凹岸顶冲段进行抛石防护。

（2）白马湖堤防险工段应急处理工程。为恢复白马湖调蓄功能，提高其抵御自然灾害的能力，淮安市实施了白马湖退圩还湖及清淤工程，随着工程的实施，白马湖水面开阔起来，风浪对堤防的影响逐渐表现出来，多处堤防受风浪冲刷，迎水面坡面呈陡立状，堤防安全受到影响，故需对白马湖迎湖面险工段堤防进行应急加固处理。

2 抛石防护设计

（1）块石材料要求。块石要求石质坚硬，遇水不易破碎、软化或水解，石头强度等级不低于MU80，湿抗压强度大于50 MPa，软化系数大于0.8，比重不小于26.5 kN/m3。不允许使用风化石、泥岩和薄片、条状、尖角等形状的块石。

（2）边坡。抛石护岸坡度宜缓于1∶1.5，一般情况下控制在1∶1.5～1∶4，冲刷比较严重处局部水下抛石可按缓坡抛投，以确保底坡稳定。

（3）块石粒径。块石粒径是关系到工程质量好坏的主要技术指标之一，块石粒径要便于抛投，并能抵卸水底最大流速的冲击，还要能在河坡上保持稳定。根据已建工程经验，抛石粒径宜在0.25～0.45 m，最下层抛石粒径宜适当加大，便于挤淤和稳定。

（4）块石的质量。根据工程经验，石料单块重量不小于10 kg，若采用人工抛石，单块石料的重量以不超过30 kg 为宜。采用人工块体或经过分选的块石作为斜坡的护坡面层且斜坡坡率为1.5～5.0 时，波浪作用下单个块体、块石的质量Q 按式（1）计算［2］：

式中：

Q—主要护面层的护面块体、块石个体质量（t），当护面由两层块石组成，则块石质量可在0.75Q～1.25Q 范围内，但应有50%以上的块石质量大于Q；

γb—人工块体或块石的容重，kN/m3；

KD—稳定系数，按规范表确定；

m—斜坡坡率。

在水流作用下，防护工程护坡、护脚保持稳定的抗冲石块重量W 按式（2）计算［2］：

式中：

W—石块重量，kN。

（5）粒径级配设计。抛石的级配影响护坡的稳定性。若粒径相差不大，石块之间空隙大，小粒径级配适宜的抛投块石可以增加覆盖层次，减少孔隙，改善内部连接，防止河床泥砂淘刷，增强对河床的防护效果。当抛石块体有级配时，大块石起到抗冲稳定作用，小块石起到保护床沙的作用，并且大块石对小块石起到隐蔽保护作用，减小了水流对小块石的冲击；小块石对大块石则起到增加摩阻作用，增强了大块石的稳定性。抛石级配料也可结合合成材料或其他纤维材料，加强反滤隔离功能，减少波浪对边坡的冲淘，增强护坡防护效果。一般抛石的粒径级配满足式（3）要求：

式中：

d—平均抛石粒径，m；

dmin—最小抛石粒径，m；

dmax—最大抛石粒径，m。

（6）抛石厚度设计。抛石厚度t 不宜小于抛石粒径的2 倍，水深流急处宜增大。抛石厚度可根据式（4）估算：

式中：

t—抛石厚度，cm；

γs—抛石容重，kN/m3；

dmax—最大抛石粒径，cm。

金宝航道工程全长1.3 km，抛石护岸防护上限至河底，下限至混凝土预制块护砌或浆砌块石护砌的下限。抛石护坡根据不同工情下流速情况，利用以上公式计算，弯曲段护岸抛石粒径采用0.3～0.45 m，抛石厚度为0.6～1.0 m，护岸坡度采用1∶3～1∶4。白马湖堤防险工段应急处理工程在迎湖面采用抛石护岸防护，全长1.5 km，设计顶高程为7.5 m，顶宽1.0 m，抛石粒径采用0.3～0.4 m，抛石厚度为0.6～0.8 m，坡比1∶2～1∶3，冲刷比较严重处局部水下抛石按坡比1∶4 抛投。

3 施工控制要求

3.1 抛石平面控制

平面控制就是控制抛石范围，既不能抛偏又不能漏抛。抛石范围较小时，可采用水上浮标加岸上标桩来控制抛投范围。水上浮标，即根据施工段的抛投宽度提前丈量好到岸边的距离，然后在相应水面放置浮标并固定。同时在岸边对应浮标的位置打一木桩并编号，作为标桩。标桩与浮标每15 m 设置一组，将水面浮标之间的连线作为抛投宽度的控制线，抛投时可以稍微过线一点，以保证不漏抛，但不能过线太多形成超抛。

块石在下抛过程中，因为水流的作用，块石会向下移动，因此，在投抛前要计算块石的冲距，以便算出抛石在水流作用下移动的距离，保证抛投位置的准确。抛石冲距可采用张瑞瑾阻力平方区块石流速公式计算：

式中：

L—块石水平落距，m；

V—抛石部位水面流速，m/s；

H—水深，m；

W—块石重量，kg。

3.2 抛石高程控制

抛石高程控制，即抛石面的标高控制。控制标高措施主要有：

（1）抛前测量。抛石水域的河床高程是变化的，所以各点的抛石量也不尽相同，若各点只是均匀抛投则不能保证设计标高。故抛投前要测量清楚抛投区河床的情况，再根据水下地形，制定具体详细的抛投方案。

（2）均匀抛石。对局部高程较低的区域作填平处理后，使抛石区河床地面大致平整，正式抛石时要做到均匀抛投。均匀抛投在现场主要根据抛石方量来控制，块石在下水前由专人现场测量方量并记录。

（3）随时测量。抛石过程中要随时测量抛石面的高程。在一段抛石结束后，立即派专人下水摸探，以检查抛石范围和均匀度是否符合要求，发现问题及时补救。

（4）质量检查与修补。在每个施工段抛石结束后，应由专人配合监理人员对抛石质量进行复查。主要检查抛石的范围、高程和平整度是否符合设计要求，检查石料是否分离，块石是否稳固。若有漏抛或少抛的地方，应及时使用浮标做标记并立即补抛，做好现场记录。

3.3 施工准备

施工前要进行生产性试验，通过试验，找出控制参数，作为指导施工作业的控制依据。水下抛石施工前及完工后，要委托有专业资质的测量单位进行水下测量。

3.4 施工技术要点

一是提前做好断面和内侧湖堤堤脚外的测量工作，做好石方调配工作；二是抛石棱体定线放样，在水域需插设浮标杆，若相邻断面尺寸不同，应加密插设标杆，以保证断面间平顺连接；三是抛石棱体达到预定断面，并经沉降初步稳定后，立即按设计轮廓将抛石体整理成型。

3.5 施工安全要点

在施工期间，要精确地将抛石的堤脚线放样出来，施工过程及施工结束后，要密切观察抛石棱体的稳定性。在抛石棱体稳定前，避免机械和人员在抛石平台上作业。在通航河道上实施抛石工程，应在抛石区域增加安全标志，保证通航安全。

4 结语

经过几年的运行，金宝航道工程、淮安市白马湖堤防险工段应急处理工程的河岸及堤防边坡稳定，抛石护岸防护效果明显。实践证明，抛石护岸防护具有施工技术简单，施工进度快，工程效果好等优点，工程实施后可有效抗风浪冲刷，减小风浪爬高，且适应变形能力强，在堤外滩较窄、水流冲刷严重、深泓逼岸、岸线崩退严重的堤段具有广泛的应用前景。

［1］陶亦寿，谭界雄，董建军，等.中国堤防工程施工丛书3——抛石法［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部，GB50286-2013 堤防工程设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2013.