某大比降卵砾石河床堤防护脚加固型式选择

彭文祥，郑道宽，胡小龙

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉430010）

1 工程河段特性及堤脚失稳破坏原因分析

尼洋河八一镇河段位于山区性河流中下游分界处，海拔高程从3 400m下降到3 000m，平均坡降为3‰～2‰,河床由漂石、卵石夹少量粗砂堆积而成，河床宽浅散乱，心滩发育，洲汊纵横，主流摆动不定，滩槽极不分明，河道没有稳定主河槽，极易造成河流的的横向频繁摆动，侵蚀堤岸，形成险情。深泓线在大约20～30a内发生了几次较大变化，其主要原因是河道主槽摆动而自然演变的结果，也有乱挖滥采河道泥沙的人为因素。尼洋河自中游下段（即八一镇附近）～下游段，河床土质疏松，比降变缓，河流完全在冲积洪积物之上流动，为河床的频繁变迁提供了条件。随着河床的摆动，河流岸边的侵蚀愈加严重。目前，尼洋河左岸已全线修筑了防洪堤，其防洪标准按50a一遇洪水设计、100a一遇洪水校核。2000年又新设防洪堤10.672km，使防洪堤总长达到14.634km，八一镇城区两岸实现全面设防。

八一标准防洪堤修筑以后，河道的横向侵蚀受到了限制，加之交通部门所修建的护路丁坝群，河流的横向侵蚀也逐渐削弱，对防御尼洋河洪水起了积极作用。但由于该河段河势控制较差，整治工程及护岸工程不配套，加之堤防施工质量存在一定问题，因而在近几年内，曾在八一大桥上游左右岸T1、T3 2个堤段内连续发生3次垮堤事故。

我们认为，八一防洪堤现行防洪标准已经达到规范要求。堤防发生垮塌、水毁的主要原因分析为：八一防洪堤是建筑在尼洋河冲积层之上，冲积层为漂石和卵石组成，尽管堤脚有2.5m厚混凝土护脚，且脚槽外侧设置了厚度为0.6m、宽度2.5m的铅丝石笼，但河床砂卵石抗冲能力差，铅丝石笼埋深浅，延伸宽度短，对脚槽外侧河床保护十分有限。河床受冲刷后脚槽外侧形成临空面，导致脚槽失稳垮塌，堤身及护坡因脚槽破坏后随之变形垮塌。目前，尼洋河八一镇河段部分堤段主流已经逼近堤岸，堤脚附近水流流速达4～5m/s，局部最高达6.3m/s。堤防堤脚冲刷破坏严重，并导致堤身垮塌破坏。此前多次治理也未见成效。现场情况也显示，大部分堤段铅丝笼都已被冲毁，混凝土脚槽损坏堤段堤脚最大淘刷深度达3m以上，破坏过程均为脚槽首先失稳破坏，然后护坡及堤身变形垮塌。

2 护脚加固方案设计原则

大比降砂卵石河床、河岸受高速水流冲刷河段堤防的直接护岸工程的影响进行研究，提出一种柔性护垫方案。该方案具有以下4个特点：

1）具有较强的抗冲性。

2）具有透水性。

3）具有整体性。

4）具有一定适应地形变化能力的柔性。

为此，我们将水平防护和垂直防护、石笼类和混凝土类材料相结合，提出水平柔性护垫技术，具体结构为：格宾钢筋（丝）石笼网垫+混凝土抗滑桩+辅助连接措施，并对护岸技术的结构、稳定、优缺点、适用条件等问题开展研究【1】。

防护工程中的基本原理是防护材料的抗冲能力和水流的冲刷能力的对比，当防护材料的抗冲流速大于水流的冲刷流速时，防护材料可视为稳定的防护体，不会在水流的冲刷下发生位移，从而起到抑制冲刷的发生，保护基础层的稳定。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》堤脚岸坡的保护范围，在深泓近岸段应延伸至深泓线，并满足河床冲刷深度的要求；在水流平顺、岸坡较缓段，宜护至坡段1∶3～1∶4的缓坡河床处。因此，为保护堤脚稳定一般在紧靠堤脚的河床设置抗冲体，使水流不能直接淘刷堤脚河床，减小冲刷深度，同时能够填补冲坑，使冲刷坑底与坡脚形成缓坡，不能有影响坡脚基础失稳的冲坑存在。这样，才能使堤脚稳固。同时因堤脚冲刷深度一般均较大，如果将脚槽放置在冲刷深度以下且上部设置防护材料则需大量水下开挖，施工难度和费用均较大。故一般根据枯水位适当抬高脚槽，然后在脚槽外设置足够的防冲备填料。受冲刷变形后备填料填补冲坑，保护整个冲坑斜坡面使冲坑稳定不再发展，因此，防冲备填料的方量应满足冲刷深度乘以水下稳定坡比的斜长。根据《堤防工程设计规范》和《堤防工程手册》（毛昶熙主编）备填料应满足抗冲粒径的要求，同时，变形后沿冲坑坡面的厚度不小于抗冲粒径的2倍，受防冲备填料保护的水下稳定坡比为1∶1.5～1∶2，防冲备填料可采用抛石、石笼及沉排等材料。

一般备填料层内仍有流速和稳定水流的淘刷，同时还有岸坡地下水流的冲蚀，河床细颗粒易被带走，导致备填料下沉崩塌，因此需设置垫层、滤层或土工织物保护下部细颗粒不被带走。

3 护脚加固方案选择

根据以上防冲保护设计原则，本次设计采用防冲备填石护脚方案与钢筋及钢丝石笼护脚方案进行比选。

方案一：防冲备填块石护脚方案。本方案保留原混凝土脚槽，脚槽外侧设防冲备填块石。根据计算冲坑深度为2.5～3.5m，同时，根据本次地勘检测参数，河床冲刷坑的稳定边坡约为1∶2.0。考虑脚槽以外的冲坑深3.5m左右，防冲备填石淘刷变形后的稳定坡比约为1∶2.0，块石保护厚度取2倍块石稳定粒径1.2m，可保护冲坑不再继续发展，同时考虑一定的安全储备，估算防冲备填石的每延米填筑量不小于15m3。综合考虑防冲备填块石护脚底宽6m，外侧开挖坡比1∶1，开挖深度2.0m，顶部设置1:8的缓坡与原地面线衔接，其中上部1.0m厚采用平铺大块石砌筑，下部采用抛石。

方案二：钢筋及钢丝石笼护脚方案。本方案在原脚槽外侧设钢筋笼防冲备填层。考虑护脚以外的冲坑深3.5m左右，防冲备填料淘刷变形后的稳定坡比1∶2.0，冲坑斜坡保护长度不小于8m，考虑一定的安全余度，取钢筋笼防冲备填石向脚槽外侧延伸10m，由此保护冲坑不再继续发展，确保堤防脚槽的稳定。由于本河段流速大、推移质含量高，铅丝笼基本都被破坏；和谐新区堤段施工时采用2层结构进行保护，上层为0.6m厚钢筋骨架装块石和下层为0.6m厚钢丝笼装块石护脚，从现场情况来看，上层钢筋骨架笼耐久性大大提高，运行相对较好，破坏较少。因此，经综合考虑，将钢筋石笼层与原脚槽顶高程相同，然后自上而下分别设0.6m厚钢筋石笼、0.6m厚钢丝石笼及反滤土工布。2层石笼垂直流向宽度不小于10m【2】。

4 护脚加固方案设计

根据堤防抗冲计算分析，结合工程布置，在脚槽或护脚平台坡脚外侧设置钢筋石笼护坡、预制钢筋混凝土方桩、钢筋混凝土现浇梁、钢筋石笼和钢丝石笼护脚等措施抗冲【3】。钢筋石笼和钢丝石笼厚度均为0.6m，石笼垂直流向宽度8m。具体结构型式如图1、图2所示。

图1 脚槽外侧堤脚防冲石笼结构图

图2 护脚平台堤脚防冲石笼结构图

5 结语

本文以西藏尼洋河八一镇城区段堤防加固工程项目为例，分析了工程河段特性及堤脚失稳破坏原因，并针对该典型大比降卵砾石河床河流特点，提出了2种堤防堤脚加固方案，并进行抗冲能力、施工、造价的比选，最终推荐钢筋石笼及钢丝石笼+钢筋混凝土桩的堤防护脚加固方案。上述设计方案已在工程中施工应用，且经历了2019年洪水期的洪峰过流考验，目前运行情况良好。本文提出的护脚加固方案可供类似河段整治工程的设计者参考。