后窑于家险段石笼护坡及软体沉排抛石护脚设计探析

孙世军

（辽宁省大连水文局，辽宁 大连116023）

0 引言

昌图县辽河干流后窑于家险工段洪水期主河道受洪水冲蚀、淘刷作业向凹岸发展，改变河道平面走势，该段险工段现状冲淘严重，弯段岸坎多有水流兑岸后形成的陡坎，不但对凹岸的滩地造成生态破坏，如不加以人为干预则很容易发展至威胁防洪堤的安全。

为了控制河势，减少河岸冲刷，确保防洪安全，在施工期间，危险段护岸加固采取石笼护坡及软体沉排抛石护脚相结合的措施方案，本文对该险工段石笼护坡及软体沉排抛石护脚的设计进行分析。

1 石笼护坡设计

1.1 岸坡设计

河段采用格宾石笼护坡，主要防止波浪抬升和岸坡陡峭形成滑坡。根据以往施工经验，结合河道整治恢复河流自然生态的理念[1]，综合确定石笼护坡坡比为1∶3.0。

1.2 石笼网规格

所需的笼网是格宾石笼，网格大小可以根据设计要求完成[2]，网笼规格是按照生态网格结构的技术规范来实施的。

1.3 坡面厚度设计

干石砌体护坡t 的厚度按下式计算：

式中：K1为系数，干砌石取0.266；rb为块石的重度，取27 kN/m3；r 为水的重度，取10 kN/m3；H 为计算波高，当d/L 大于等于0.125 时，取 H4%，当 d/L 小于 0.125 时，取 H13%。

将各参数代入上式中，计算得t=0.24 m。

根据危险工程护岸工程的实际经验，护坡厚度取0.40 m。

块石粒径按下式确定：

式中：d 为块石粒径，m；V 为流速；g 为重力加速度，取 9.81 m/s2；rs为块石重率，取 27 kN/m3；r 为水的重率，取 10 kN/m3；C 为石块运动的稳定系数，取0.9。

经计算得，d=0.19 m。

根据以往护岸工程的实际经验，填石平均粒径应比网孔大1.5～2 倍，填石粒径不应小于0.20 m。

1.4 块石护坡稳定计算

采用400 g/m2聚酯长纤土工布，土工织物与砂土之间的摩擦角为25.2°，最陡处的斜率为1∶3.0，斜率为17.6°，其安全系数采用下式计算。

K=（W1×cosα×tgφ+W2×tgφ）/（W1×sinα）

式中：K 为稳定安全系数；W1、W2为土体重量；α 为迎水坡坡角，取17.6°；φ 为土工布与土的摩擦角，取25.2°。

代入上式：K=1.20，石笼与土工布满足堤坡抗滑要求。

2 软体沉排抛石护脚设计

2.1 排体材料

护脚工程要求抗冲耐磨、富有弹性、易于修复补充，以适应河床变形，而且要求便于水下施工[3]。传统的工程形式有抛石、沉枕、石笼及沉排等。相比之下，土工织物软体沉排护脚造价低、施工方便、整体性好、有柔性、抗冲能力强。根据辽宁省近几年的险工治理经验，水下部分采用聚丙烯布软体沉排护脚[3]，丙烯布为双层，单位重量为110 g/m2。

护脚防护工程要求具有抗冲刷、耐磨、弹性、易于修复和补充、适应河床变形、便于水下施工等优点[3]。传统的工程形式有抛石、石笼和沉排，相比之下，土工织物软下沉护脚具有成本低、施工方便、整体性好、柔性好、抗冲击能力强等优点。详细指标见表1。

表1 聚丙烯纺织布性能指标表

2.2 结构型式

软下沉排用双层聚丙烯布保护，采用φ10 mm 乙烯绳拉成1.0 m×1.0 m 网格，垂直流动方向为φ10 mm。平行流动方向为φ8 mm[3]，侧绳用φ14 mm 左右的乙烯绳绳加固，范围为2 m 左右，距离是1 m，在两层丙烯布之间缝上乙烯绳索，然后缝上聚丙烯布，用土工织物覆盖和缝合。丙烯布用1.0 m×1.0 m方形柞把，柞把直径10 cm，每25 cm 用钢丝捆一道，上下柞把交界处用14#根钢丝绑扎，作为骨架，格子均匀铺设10 cm 厚的柞条垫层，并用8 根钢丝捆扎，块体厚度不小于0.5 m。

2.3 冲刷深度计算

根据《辽河流域防洪规划》，石佛寺水库以上河段两岸堤防的防洪标准为30 年一遇。为确保护岸工程的安全，按30 年一遇洪水标准对坡脚的冲刷深度进行复核。

水流平行于岸坡产生的冲刷深度计算：

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙起动流速，m/s；U 为行进流速，取1.14 m/s；n 为岸坡形状系数，n=1/4～1/6，取 1/5；η 为水流流速不均匀系数，取 3.0；γs、γ 为泥沙与水的容重，取 19.71 kN/m3、10.0 kN/m3；d50为床沙的种植粒径，0.00006 m。

按照以上公式计算冲刷深度3.07 m。

水平护脚沉排长度设计，依据规范规定结合施工经验，沉排长度取深泓线外1～3 倍冲刷深度。

2.4 排长设计

在排体斜坡和水平部分的设计中，排体长度应分别计算，坡面部分由坡面切割后的实际地形决定，而水平段的长度由冲刷深度、沟道深度和水下地形决定[4]，当下沉线靠近岸边，水下地形具有明显的坡度时，下沉线的长度不应小于冲刷深度的3倍，相反，下沉线的长度应控制在坡脚外冲刷深度的3 倍以上。

在满足软沉排稳定性的前提下，考虑到施工要求，可以适当地调整排长，使上下行连接良好，整体性强[5]。

通过计算得出排长10 m。

2.5 排体宽度设计

根据实际经验，考虑相邻行重叠长度和收缩系数，将每行的宽度设计成20 m。采用下式计算生产线的宽度：

式中：B 为每块排保护区域宽度，m；B0为排体制作宽度，m，B0=20；B1为相邻排体搭接长度，B1=1.0；B2为收缩减小长度，m；ξ 为收缩系数，取 0.04。

经计算，B=21.76 m，取排体制作宽度为22 m。

2.6 软体排压载设计

除了保持排体的稳定性外，排体表面压力也应当足够大，以避免在水流和风浪下的不稳定性。排出体上的压力与局部流型速度有关[5]。根据水利水电工程土工合成材料应用技术规范对软件压力排水的重要要求，当流速小于或等于3 m/s 时，可采用1 kPa。该危险区段汛期流速大于3 m/s，软件镇流器流量为1 kPa，压重为 100 kg/m2。

软体压载采用抛投块石抛掷厚度为0.5 m，为了确保排体上压石不会被水流冲走，必须通过计算岩石的起动速度来确定岩石的粒度。排体压石粒径计算见下式：

式中：Vh为流速，m/s；Vh' 为石块斜坡上的起动流速，m/s；m为斜坡的边坡系数，m=3.0）；m0为石块的自然边坡系数，取m0=1.0；θ 为水流方向与水边线的角，取θ=30°；d 为排体压石的最小粒径，m；g 为重力加速度，m/s2；h 为水深，m。

经计算，d=0.15 m。

结合以往护岸工程实践经验，排体压石最小粒径应不小于30 cm。

2.7 排体筋绳设计

该布置用聚乙烯加筋以加强该排体的张力，并且聚乙烯绳被放置在双层聚乙烯布的中间[5]。在排布周围和水面岸边必须有侧绳，这是保证排体结构牢固的关键，一方面要考虑排本身的安全，另一方面要考虑施工的安全，肋绳的设计如下：

采用聚丙烯布保护软排的底部，聚丙烯布为双层，聚乙烯绳用于拉制1.0 m×1.0 m 网格，垂直方向为φ10 mm，平行方向为φ8 mm，在2 m 范围内用φ14 mm 乙烯绳加固侧绳，距离1 m，在双层丙纶布的中间缝上乙烯绳，不使用丙纶布。

2.8 排体的固定

为了确保水下排放物不被冲刷或滑坡，排放物的顶部需要固定，由于边坡防护为石笼段，排水体需要由平台段石笼固定。石笼尺寸为1 m（厚）×1 m（宽）×5.0 m（长）。排筋绳牢牢地系在石笼上。水下排体底部采用抛石压边法对排体进行保护，抛石为排体以外1 m。

3 结语

对昌图县辽河干流后窑于家险工段进行治理，受洪水影响原有险工段险情加重并拓展，部分护岸工程被冲毁，河岸产生脱坡，为消除现有的险情隐患，减少河岸冲刷，确保岸线平顺、清晰，稳定局部河势是治理工程的关键。对现有险工进行整治加固，消除险情隐患，减少河岸冲兑，确保岸线平顺、清晰，稳定局部河势[6]，有效保护当地人民群众的生命财产安全，为今后的河道综合治理工作奠定基础。