山区性河道护岸工程设计要点分析

孙宏伟 王志英

(1.北票市凌河保护区管理局，辽宁 北票 122100；2.水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038)

1 工程概况

老寨川河位于辽宁省朝阳市北票市北部，为大凌河二级支流、牤牛河一级支流，河道平均比降6.4‰，流经娄家店乡、宝国老镇和黑城子镇，流域面积365.3km2、区域河长52.6km。治理河段地理位置为东经120°32′35″～120°39′13″、北纬42°3′48″～42°4′27″。流域内海拔在380～580m之间。本次工程治理范围为娄家店乡棒槌山村的老寨营子村民组至营房村民组沿线河道，沿岸保护老寨营子、王家杖子、陈家杖子、大杖子、山湾子、三家子、营房，治理河长10.48km。

2 水文计算

老寨川河流域缺乏暴雨、洪水观测资料。临近流域凉水河(大凌河一级支流)上有水文站，现有1960—2007年共48年的实测资料。

项目区按照《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》进行设计洪水计算(结果见表1)。经过验证，计算结果符合水文一般规律，设计洪水成果可靠。

表1 北票老寨川河干流及支流设计洪水成果

3 地质勘察

3.1 勘察任务

护岸工程设计，应对已建护岸堤身土的组成、堤身砂性土的分布及规律等进行勘察，查明岸线区地形地貌单元、特征及分界线，河湖等变迁情况以及护岸沿线各土层的地层岩性、结构组成、岩土性质、分布规律、埋藏条件等情况；查明地下水埋深，有无承压水、相对隔水层和含水层的分布规律、地下水与河水位的关系；查明堤基土的组成，特别查明堤基段砂土层及软弱层(淤泥质土)的厚度、分布、规模等；评价区域构造稳定性，确定地震动参数；对各岸线工程地质条件进行初步的评价。

了解堤岸河势情况、河道冲淤变化、岸坡的形态和防护及失稳情况，基本查明岸坡的地质结构，并对岸坡稳定性进行初步评价。

3.2 勘察方法

勘察方法主要包括四种：工程地质测绘、工程地质钻探、原位测试、室内土工试验。

4 工程存在主要问题

老寨川河道只在部分河段修建了护岸，防洪标准偏低，沿河多处存在防洪薄弱环节，主要存在以下问题：

a.河岸防洪标准低。大部分河段现状迎水侧无工程防护，岸线已有工程受洪水冲淘，基础外露严重，威胁护脚结构安全。两岸之间的已有工程也已损毁严重，影响行洪，遇洪水时阻水严重；左岸山湾子村民组和大杖子村民组处河道，现状岸坎达不到防洪标准，汛期沿岸多处洪水漫过天然岸坎，危及居民的安全。

b.河道行洪能力弱。河段局部地段河岸长期遭受冲刷，岸坎顶端呈陡坎状，造成岸坡失稳，岸后大片耕地及林地被毁；河道内淤积严重，存在块石、卵石、砾石等淤积物，边坡稳定性较差，造成河道行洪断面严重缩窄，影响汛期行洪。

5 护岸工程设计

5.1 护岸布置

5.1.1 护岸布置原则

建立完整防洪体系需遵循如下原则：岸线布置应尽量减少征占耕地及房屋；护岸工程应该利用现有护岸和有利地形，修筑在土质良好、结构稳定位置；岸线应与河势相适应，平行于洪水的主流线，岸线尽量平顺，避免采用折线或急弯；工程应根据岸线两侧地形、地貌及建筑物分布情况，选择合适的断面形式；保护和恢复河流生态，避免河流的渠道化。

5.1.2 护岸布置

本次工程治理范围从娄家店乡棒槌山村的老寨营子村民组至营房村民组，由新建护岸及现有防护措施连接，形成防洪体系。左岸主要防护沿河路及村庄，右岸主要防护工程所在地居民的耕地。

左岸：需新建护岸共7处，分别为L0+000.00～L0+483.92、L0+528.89～ L2+760.85、L4+433.49～L6+151.22、L6+178.46～L6+559.85、L6+756.02～L8+025.61、L8+307.96～L8+513.93、L8+525.44～L10+359.72。左岸工程长度7991.31m。

右岸：需新建护岸共8处，分别为R0+000.00～R3+241.48、R3+445.23～R4+448.71、R4+518.36～R5+099.36、R5+711.11～R5+838.60、R5+893.15～R6+285.56、R6+714.78～R7+040.50、R7+718.38～R8+308.16、R8+318.35～R8+682.90。右岸工程长度6684.49m。

5.2 护岸方案选择

根据河道岸坎现状，进行了三种方案比选：生态格网格宾挡墙护岸、浆砌石护岸、毛石混凝土护岸。经济条件及技术可能性比较后，各方案优缺点分述如下。

5.2.1 生态格网格宾挡墙护岸

优点：工程投资低，亲水性好，有利于植被绿化；稳定性、整体性良好，工期较短，有利于施工；材料抗腐蚀，耐久性好，使用寿命长；形状可变，抗震性能好，易于维护。缺点：开挖量大，占地面积大。

5.2.2 浆砌石护岸

优点：占用土地少，开挖量小，施工简单，所需劳力少。缺点：工程投资较高，施工工序较多，工期较长，施工质量不易控制；不利于河道生态。

5.2.3 毛石混凝土护岸

优点：材料易获得，施工工序简单。缺点：工程投资高，水泥用量大，对基础要求较高，通水性差，不利于生态及地下水补给。

5.2.4 护岸方案确定

综上所述，生态格网格宾挡墙护岸形式相比毛石混凝土护岸结构、浆砌石护岸结构具有良好的亲水性、透水性，有利于实施植被绿化，改善生态环境；此外格网结构不影响局部的整体性，施工方便，易维护。因此，本次设计选取取生态格网格宾挡墙护岸。

5.3 护岸顶高程确定

本次设计新建工程护岸长度14.67km，包括左岸7.99km、右岸6.67km。设计护岸顶高程按如下原则确定：

依照《生态格网结构技术规程》(CECS353∶2013)要求，当10年一遇洪水位高于岸坎时，护岸顶高程以岸坎高程控制；当10年一遇洪水位低于岸坎时，护岸顶高程以洪水位加0.3m安全超高控制。格宾笼地面以下埋深为1.5m。护岸背水侧岸坎设计2m宽滨河生态护岸带，回填种植土厚度为0.3m，同时，采取相应的绿化措施。

5.4 护岸型式

本次护岸设计采用生态格网格宾挡墙材料：底部为格宾笼，格宾笼顶背水侧回填30cm厚种植土，土质岸顶预留2m宽滨河生态护岸带。滨河生态护岸带起两种作用，一是提高护岸的抗冲能力，二是回填土可采取绿化措施，以达到生态治河目标。

5.5 护岸稳定分析计算

护岸稳定计算根据地质勘测的试验资料，确定砂砾料的设计基本参数，工程等级为5级。

5.5.1 工况选取

依据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，选取两种计算工况：

正常运用：设计水位和常水位条件下；

非常运用：施工期条件下。

5.5.2 抗滑稳定计算

格宾笼抗滑稳定按《生态格网结构技术规程》(CECS353∶2013)中公式计算：

式中Ks——抗滑安全系数；

c0——基地黏聚力,kPa；

f——基础摩擦系数；

B——石笼底宽，m；

∑G——作用在格宾笼上全部垂直于水平面的荷载,kN；

∑H——作用在格宾笼上全部平行于水平面的荷载,kN。

5.5.3 抗倾稳定计算

格宾笼抗倾稳定按《生态格网结构技术规程》(CECS353∶2013)中公式计算：

式中K0——抗倾安全系数；

∑MV——对格宾笼基底前趾的抗倾覆力矩,kN·m；

∑MH——对格宾笼基底前趾的倾覆力矩,kN·m。

5.5.4 基底压应力验算

格宾笼基底压应力验算按《生态格网结构技术规程》(CECS353∶2013)中公式计算：

式中e0——偏心距。

偏心距e0满足要求时基础底面最大、最小应力可按下式计算：

5.5.5 计算成果

根据上述计算公式进行计算(结果见表2)，结果表明，生态格网格宾挡墙护岸设计断面在正常运用和非常运用条件下，均能满足各项稳定要求。

表2 格宾笼稳定计算成果

5.6 渗流稳定计算

5.6.1 计算基本数据

渗流计算根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)要求进行，根据地质勘测的试验资料，确定填筑土料的设计指标(见表3)。

表3 填筑土料设计指标

5.6.2 工况选取

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)对稳定计算控制时期和运行条件的规定，选取洪水降落时对临水侧岸坡不稳定渗流工况。

5.6.3 计算结果

计算典型断面可能出现的最不利工况的渗流坡降及稳定性，计算成果见表4。

表4 渗透稳定计算成果

由表4计算结果可知，典型断面在天然条件下能够满足渗透稳定要求。

5.7 护脚埋深设计

根据工程段内河道走势，共选取11处典型断面进行冲刷计算，计算公式如下：

式中hs——局部冲刷深度,m；

H0——冲刷处水深,m；

Ucp——近岸垂线平均流速,m/s；

Uc——泥沙起动流速,m/s；

n——指数与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4～1/6；

η——水流流速不均匀系数。

其中卵石河床泥沙起动流速Uc按下式确定：

式中d50——河床沙的中值粒径，0.0055m；

H0——冲刷处水深,m；

rs，r——泥沙与水的重度,kN/m3。

表5 冲刷深度计算成果

经现场实际勘测，结合冲刷计算结果，本次设计生态格网格宾挡墙护岸埋深统一取1.50m。

6 结 论

护岸工程用来防止因河流侧向侵蚀及河道局部冲刷而造成的河岸坍塌破坏，在实际工程设计中，通常结合清淤疏浚工程、建筑工程、生态绿化工程等，共同实现河道治理，有效提高河道两岸抵抗灾害风险的能力，维持河势稳定，保障沿岸人民生命和财产安全。