翟 勇
(辽宁省营口市隆盛工程建筑工程有限公司,辽宁 营口 115000)
兰河是太子河支流之—,位于葠窝水库上游,发源于水泉的大黑山,自南向北流经甜水、寒岭等镇,于寒岭镇的黄家堡子汇入葠窝水库。兰河东与细河相邻,西靠辽阳县河拦、塔子等镇,与汤河一山相隔。
兰河现存在问题主要为河道险工险段较多,局部河段淤积严重,水土流失较严重。该工程起点位于甜水乡杨房大桥上游300m处,终点位于河道末端田家堡子,共36.65km,其中不需治理河段长5.51km,治理干流河段长31.14km、支流河段长1.40km。。根据河道存在问题,将治理内容分为以下4个部分。
1)对于保护村庄的护岸,其设计标准略高,所在村屯包括刁窝村、三道岭村、庙沟村下游段、甜水村下游、马沟门村右岸、黄岭子村、下韩家堡子村、金庄子村、马家堡子村,总长4159m。
2)对于稳定河势的护岸,所在村屯包括大背村、庙沟村上游段、甜水村上游段、河沿村、马沟门左岸、水泉村、屈家堡子、围子村(鸡爪村)、田家堡子,总长3763m。
3)对填土筑岸导致村屯内涝无法排出的河段,每隔50m布置一处排水涵管,涵管内径为0.5m。涵管总长158m,每节涵管长2m。其中刁窝村涵管长12m,三道岭村涵管长40m,庙沟村涵管长50m,甜水满族乡涵管长50m,马沟门村涵管长16m。
4)疏挖工程主要为河道疏浚。疏浚10处,长2823m,砂土疏浚量共27067.03m3,块石疏浚量共2100 m3。
5)生态种植工程用于防止水流冲刷岸坡,起到稳定河岸,减少水土流失的作用[1]。植物品种选用适宜当地环境的紫穗槐和速生杨,沿线布置在河道两岸岸坡及坡顶裸露处。沿河共栽植紫穗槐481.49万株,速生杨防护林1.02万株。
根据《河道整治设计规范》,墙式护岸的结构形式可采用直立式、陡坡式、折线式等[2]。直立墙式护岸布置在地形狭窄布置受限河段,需满足冲刷深度和防冻要求。
马沟门护岸采用固滨墙结构形式,计算参数如下。墙高3m,共3层,每层高1m,各层宽度分别为1m、1.5m、2m,当地标准冻深为1.1m,又根据规范防冲要求,墙底埋深需在冲刷深度以下0.5-1m,马沟门处冲刷深度为0.81m,故墙埋深取1.3m。其结构形式见图1。
挡土墙类型为抗震区浸水地区挡土墙,地震烈度7°,墙后填土内摩擦角34°,墙后填土黏聚力0kPa,墙后填土容重20.5kN/m3,墙背与墙后填土摩擦角17.5°,地基土容重20.5kN/m3,墙后填土为非冻胀性土,不考虑冻胀力。
图1 墙式护岸结构计算图
整体稳定性分析时,采用简化毕肖普法和简化简布法进行计算,此护岸形式满足稳定要求,计算结果见表1。
表1 整体稳定性计算结果
黄岭子险工采用混凝土直立墙结构形式,其挡土墙稳定计算参数如下。墙高2.3m,基础宽0.7m,顶宽0.3m,最高挡水高度为0.4m,冲刷深度0.16m,墙底埋深1.1m。计算见图2。
图2 混凝土挡墙结构计算图
挡土墙类型为抗震区浸水地区挡土墙,地震烈度7°,墙后填土内摩擦角34°,墙后填土黏聚力0kPa,墙后填土容重21kN/m3,墙背与墙后填土摩擦角17°,地基土容重22kN/m3,墙后填土为非冻胀性土,不考虑冻胀力。
墙顶标高:0.000(m),挡墙内侧常年水位标高-1.4m,挡墙外侧常年水位标高-2.0m。商品混凝土标准采用C25F150W4。
计算考虑竣工期,洪水降落期,汛期,地震四种工况,考虑最不利情况,计算结果为滑移验算满足:Kc=1.373>1.200,倾覆验算满足:K0=2.29>1.400,作用于基底的合力偏心距验算满足:e=0.124<=0.250*0.70=0.175(m),墙趾处地基承载力验算满足:压应力=69.225<=150(kPa),墙踵处地基承载力验算满足:压应力=0.000<=150(kPa),地基平均承载力验算满足:压应力=22.551<= 150(kPa),由计算可知黄岭子村墙式防洪墙结构拟定合理。
2.2.1 坡式护岸结构形式的选定
护坡形式主要根据当地材料、施工条件及、岸坡土质等确定[3]。主要有混凝土面板护岸、浆砌石护岸、石笼护岸,各方案特点见表2。
表2 护坡形式特点
通过综合比较施工工艺和投资,对于坡式护岸,最终采用石笼护岸的形式。
2.2.2 坡式石笼护岸设计
石笼护岸坡比采用1∶2.5,护坡厚度根据计算和经验确定,护脚采用垂直防护或水平防护,垂直防护满足冲刷深度要求,水平防护满足3倍冲刷深度要求并设置1m×1m脚槽,坡顶满足设计顶高程要求并外延1m防止淘刷。石笼底斜坡段部铺设无纺布和0.15m厚砂砾垫层,无纺布采用短纤土工布标称断裂强度为12.5KN/m,型号采用400g/m2。
护脚分垂直防护和水平防护两种,枯水位较低时采用垂直防护,设计采用防护深度为1m。枯水位较高,垂直防护困难时,采用水平防护。水平防护顶部设置脚槽,脚槽顶高程高出枯水位0.5m,水平防护长度根据省内多条河流整治经验,按照3倍冲刷深控制,若险工位于近深泓线段,防护范围需满足过深泓线3倍冲刷长度,计算结果见表3。
表3 坡式护岸防护长度统计表
续表3 坡式护岸防护长度统计表
2.2.3 护面厚度设计
根据《堤防工程设计规范》规定,在波浪作用下,斜坡堤干砌石护坡的护面厚度t可按下式计算[4]:
(1)
式中:K1为系数,干砌石取0.266;γb为块石的重度(kN/m3);取27kN/m3;γ为水的重度,kN/m3;取10kN/m3;H为计算波高,当d/L≥0.125时,取H4%;当d/L<0.125时,取H13%;d为堤前水深,m;
将各参数代入上式中,计算得t=0.16m。
马克菲尔公司做了详尽的绿滨垫的抗冲刷模型和原型试验[5],根据试验结果以及多年的工程经验的总结,得出了“绿滨垫系列防护与流速的关系表”(如表4所示):
表4 绿滨垫系列防护与流速的关系表
根据险工护岸工程的实际经验,对流速>5.0m/s的护岸,块石护坡厚度取0.50m,填石粒径10-20cm。对流速<5.0m/s的护岸,块石护坡厚度取0.30m,填石粒径7-15cm。各险工坡面厚度见表5。
表5 坡面厚度统计表
2.2.4 块石护坡稳定计算
1)采用《堤防工程设计规范》附录D中折线滑动法[6],利用北京理正岩土软件计算出护岸整体稳定系数为1.435>1.25,满足要求。
2)固滨笼和绿滨垫下铺设长丝无纺布,对摩擦力的影响按80%进行折算,坡比按最陡处考虑为1∶2.5,坡角为21.8°,由块石护坡与无纺布沿岸坡滑动的安全系数为:
K=tg(34.5×0.8)/tg21.8=1.31>1.25
块石与无纺布满足岸坡抗滑要求。块石只要砌筑得密实牢固,没有铁丝网也是安全牢固的。目前在东北地区多采用铁丝石笼护砌,其原因是在护岸工程中,边坡有时过陡,本身不够稳定,有时下部基础不牢固造成块石下滑。或为防止因施工质量过低,影响到工程安全。因此在设计时,根据辽宁省险工护岸施工经验,采用镀高尔凡覆塑石笼护砌,网格由外面的钢丝经机械编织而成,网格尺寸为长4m×宽1m×厚0.5m和长4m×宽2m×厚0.3m。
2.2.5 护岸顶部设计
对于保护村庄的坡式护岸,护岸超高取0.5m,防止10a一遇设计水位超过岸顶对坡后土体造成冲刷,威胁村庄安全。
护岸顶部处理主要有布排锚固、岸顶处理、岸顶防冲[7]。根据近几年辽宁地区险工护岸的经验,在水上部分石笼护岸的顶端,为使护岸与滩面衔接良好,以防止在洪水期形成后部淘刷,并阻止滩面雨水或河水入侵,防止坡面遭到破坏,将石笼向外延长1.0m。现状高程较低,需回填土,压实后在坡顶做石笼。
2.2.6 护岸上下游石笼锚固
在石笼护岸的上下游,也就是护岸的起始点和终点位置,为防止水流顶冲、淘刷,垂直于水流方向,沿石笼护岸边缘开挖一0.5×1m的沟槽,把无纺布压入槽内,然后进行石笼砌筑。
疏挖工程主要是疏通河道淤积明显河段和清理人为挤占河道严重河段。疏浚工程设计宽度根据现状河宽确定,设计高程根据河道比降确定。开挖边坡为1:2.5,两岸及上下游与原河道平顺衔接。疏挖工程应对已有建筑物留有保护距离,对公路桥,上下游保护距离均为500m,其他桥梁上下游保护距离均为20m。对已建护坡,保护距离为5m。疏挖后的土方压实后用于上下游缺土的石笼护坡段,剩余土方在不影响河道行洪的情况下,堆放在河两岸低洼处压实,堆放坡比为1:2.5。弃土堆放不应占有正常行洪断面,不占用两岸耕地、林地等。对挤占河道两处块石堆进行疏浚,地点位于马沟门村和水泉村,分别为840 m3和1260 m3。
设计中生态工程植被种类结合当地情况选取紫穗槐和速生杨。紫穗槐具有耐寒、耐旱、耐湿、抗风沙的特点,其繁殖能力强,萌芽性强,根系发达,具有水土保持的作用,故本次设计选用紫穗槐进行栽植。速生杨具有生长快的特点,其见效较快,本次设计选择适合辽阳当地的、生长速度快、栽植成活率高、品质好、抗逆性强(抗寒、抗旱、抗病虫害)的优良品种,能使其生态效益尽快显现出来。
生态工程沿河道两岸现状裸露地段栽植,在常水位以上栽植紫穗槐,栽植前根据现场地貌情况确定清基厚度,现场杂草及块石较多,为使紫穗槐能够有较高的成活率,清基厚度取0.3m。紫穗槐选用0.5m高,三枝条以上,带根系,一年生规格。栽植密度为16株/m2,株行距为0.25m×0.25m,共栽植紫穗槐481.49万株。在靠近10年水位一侧岸坎上栽植直径6-8cm速生杨防护林。速生杨防护林树苗直径为6-8cm,栽植间距1.5m。共栽植1.02万株,株距1.5m。植物栽植见图3。
图3 生态栽植典型断面图
涉及到逃避险的村屯包括三道岭村5户,庙沟1户,河沿2户,黄岭子村4户。在遭遇10a一遇洪水时,受灾情况分别为,三道岭村淹深1.02m,庙沟淹深0.73m,河沿淹深0.60m,黄岭子淹深0.59m。
进入汛期后,镇政府应及时掌握全镇汛情、雨情、水情、灾情等有关信息,根据需要及时发布相关预报、警报及汛情公报。当发生洪水时,针对防护薄弱需逃避险的住户,水利管理部门及各村水管员需通知到户,利用广播、电视、手机短信、固定电话、警报器、宣传车或组织人员逐户通知等多元化形式,保证人民的生命安全。当洪水发生时,受灾群众应就近到地势较高的空旷处临时避险,等待政府部门的救援。
该工程根据现有岸坡走势和河势布置,受地形条件和已建建筑物限制的影响,护坡分为直立墙式护岸和坡式护岸。直立墙式护岸布置在地形狭窄布置受限河段,需满足防冲和防冻要求。坡式护岸坡比采用1:2.5,护坡厚度根据计算和经验确定,护脚采用垂直防护或水平防护,垂直防护满足冲刷深度要求,水平防护满足3倍冲刷深度要求并设置1m×1m脚槽,坡顶满足设计顶高程要求,并水平外延1m防止漫滩时水流淘刷。