溧江河桃溪段河道治理工程设计探究

赵金莲

(新干县窑里水库管理局，江西 新干 331300)

1 工程概况

溧江系赣江中游右岸一级支流。流域位于吉安市北部，发源于丰城市石江乡坳上，位于E115°45′，N27°48′。由东北向西南，流经丰城市的上舍、蜜蜂街进入吉安市境内，再经新干县窑里水库、桃溪乡，潭丘乡、峡江县，再折向北流经水边镇，于新干溧江乡的陈家从右岸汇入赣江，溧江全流域面213km2，主河道长度 36.4km，主河道纵比降 3.7‰。溧江由于河道坡降大，山洪暴发时洪水暴涨暴落，洪水冲刷力强。

根据沿河两岸冲刷破坏的严重程度；河岸崩岸、农田冲毁的位置；保护圩镇、村庄的范围，确定本次设计河道治理段如下：溧江河横江村组段、桃溪村组段、板埠村组段、城头村组段和溧源村组段，本次工程河道综合治理总长 16.796km。存在的主要问题有：①河床淤积较严重；②河道迎流顶冲处较多，岸坡抗冲刷能力较差；③原有护岸标准低，老化严重，不能正常运行，影响防洪安全[1]。

2 护岸断面设计

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)要求，防护工程顶部应与滩面持平或略高于滩面。并力求顶部表面平顺。河岸防护工程的护脚延伸范围为：

1)在深泓逼岸段应延伸至深泓线，并满足河床最大冲刷深度的要求；

2)在水流平顺段可护至坡度为1∶3-1∶4的缓坡河床处；

3)堤岸防护工程的护脚工程顶部平台应高于枯水位0.5-1.0m。

本工程主要为护岸工程，未新建堤防，综合河岸工程地质及现状实测河岸(塌岸)坡比及岸边农田、村镇、旅游区分布情况，分别采用以下四种护岸型式为:浆砌石挡墙护岸、混凝土预制块护坡、干砌石护坡、草皮护坡。

2.1 浆砌石挡墙护岸断面设计

本工程重力护岸主要布置在险工险段、桥梁上下游一定范围内、滨河公路段和傍河房屋密集段，采用浆砌石挡墙护岸。溧江属山区河流，山洪暴发时水流速度快，洪水冲刷力强。为防止水流冲刷河堤岸脚，险工险段、桥梁上下游一定范围内、滨河公路段和傍河房屋密集段护岸削坡时危及岸坡稳定安全并确保堤岸、岸滩稳定，需采取M7.5浆砌石挡墙齿脚护岸，以增强河岸的稳定[2]。

对河道坡降大的主流迎流顶冲、崩岸段结合当地经验并考虑公路滨临河道无法放坡削岸等因素，采用浆砌石挡墙护岸，断面型式为重力式挡墙或仰斜式挡墙。重力式挡墙顶宽50cm，迎水面垂直，背水面坡比为1∶0.3，墙高2.5-3.0m，基础持力层为砂卵石层，深入河床冲刷线以下1.0m，每10m设一沉降缝，缝内填闭孔泡沫板；仰斜式挡墙顶宽50cm，迎水面坡比1∶0.5，背水面坡比为1∶0.3，墙高2.5-3.5m，基础持力层为砂卵石层，深入河床冲刷线以下1.0m，每10m设一沉降缝，缝内填闭孔泡沫板。

本工程现有浆砌石挡墙护岸0.834km；其中桩号TK12+475-TK12+610段浆砌石挡墙护岸，长0.135km现状良好，予以保留，对其他河段现有老化损坏的浆砌石护岸采用浆砌石进行加固修复。加固修复现有浆砌石挡墙护岸长0.699km。

2.2 混凝土预制块护坡断面设计

本次设计对边坡较缓且靠近村庄河岸采用15混凝土预制块护坡。

本次设计针对险情情况，对临水坡易冲刷堤段需对其进行混凝土预制块护坡。混凝土预制块采用六角形板边长30cm，其混凝土标号为C15。

混凝土预制板护坡厚度按《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189—2013)附录A推荐的公式计算：

(1)

式中：η为系数，对整体式大块护面板取1.0，对装配式护面板取1.1；hp为波高，m；Lm为平均波长，m；b为沿坝坡方向板长，取1.0m；ρc为板的密度，取2.4t/m3；ρw水的密度，取1.0t/m3；m为坡度系数，取2.5。

经计算t=9.1cm，参考类似工程10-20cm，上游坝坡预制块护坡厚度取10cm，混凝土预制板下设碎石、卵(砾)石、砂料、垫层厚10cm。

护岸设计依据《长江中下游护岸工程技术规定》(试行)、《堤防工程设计规范》及我院实测水下地形图等进行。由于迎流顶冲、急流傍岸等原因形成的逼近岸脚的陡岸，需采取防护措施。根据工程现状存在的问题，对迎流顶冲、急流傍岸等原因形成的直接危及安全的陡岸河段，一般采用平顺护岸的形式进行处理，采用C15混凝土齿脚上接混凝土预制块护坡处理，C15混凝土齿脚顶高程与河床设计高程持平，齿脚顶宽0.5m，高0.8m，墙顶以上接0.1m厚混凝土预制块护坡，预制块护坡底下为0.1m厚砂砾料垫层，护坡坡比为1∶1.5，坡顶为0.8m宽混凝土压顶，护坡顶部高程平河岸高程，并力求平顺。

2.3 干砌石护坡断面设计

本次设计对迎流顶冲河岸和地质条件较差的河岸采用干砌石护坡。

护岸厚度设计及选用：溧江河蜿蜒曲折，在河道凹岸，形成迎流顶冲。根据现场调查和实测资料分析，溧江河两岸共有迎流顶冲险段22处，长3.485km。块石须选用新鲜完整、无风化的块石进行护坡，下设砂卵石垫层，垫层厚0.10m。

河岸护坡所需块石粒径及护坡厚度按《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)的有关公式:(块石在最大局部波压下所需的换算直径、质量、平均粒径、平均质量和护坡厚度为)计算。

(2)

式中：D为石块换算成球形的直径，m；D50为石块的平均粒径，m；Q为石块的质量，t；Q50为石块的平均质量，t；pω为水的密度，取1.0t/m3；pi为块石的密度，取2.2t/m3；Lm为平均波长，m；hp为累积频率为5%的波高，m；m为护坡坡率，m=2.0；Kt为随坡率变化的系数，取Kt=1.3。

经计算后，参考类似工程干砌石护坡的厚度选用30cm。本次设计采用C15混凝土齿脚上接干砌石护坡处理，C15混凝土齿脚顶高程与河床设计高程持平，齿脚顶宽0.5m，底宽0.86m，高1.0m，墙顶以上接0.4m厚干砌石护坡，干砌石护坡底下为0.1m厚砂砾料垫层，护坡坡比为1∶1.5，坡顶为0.75m宽0.1m厚混凝土压顶，护坡顶部高程与河岸高程持平，并力求平顺[3]。

本工程现有干砌石护坡0.356km，位于桩号TK10+184-TK10+540段右岸的干砌石护坡，现状良好，予以保留。

2.4 草皮护坡断面设计

对清淤河段进行坡比1∶2.5整坡后铺设草皮护坡，坡比缓于1∶2.5的保持现状，顶高程为河岸高程。

3 护岸工程设计计算

3.1 基础冲刷深度计算

堤岸冲刷深度的计算，按照规范《堤防工程设计规范》(GB50286—2013)并参考相关文献计算。

水流平行于岸坡产生的冲刷可按下式计算：

(3)

经计算hB=0.88m，取整为1.0m，根据以上计算成果，水流弯段最大冲刷坑深度为0.88m，参照相关工程经验，混凝土齿脚采用C15现浇混凝土，埋深1.0m，其埋深大于最大冲刷深度，满足堤脚抗冲刷要求。设计浆砌石挡墙基础埋深取1m，墙前回填块石护脚。即护岸基础应深入河床面以下1.0m。

3.2 边坡稳定计算

3.2.1 计算法

根据《堤防工程设计规范》，堤防整体抗滑稳定计算采用瑞典圆弧滑动法，计算简图见图1。土堤堤坡稳定计算方法由于对土体抗剪强度计算方法的不同，分为总应力法和有效应力法。

1)总应力法：

施工期抗滑稳定安全系数按下式计算：

(4)

水位降落期抗滑稳定安全系数按下式计算：

(5)

W=W1+W2+γWZB

(6)

图1 圆弧滑动法计算简图

2)有效应力法：

稳定渗流期抗滑稳定安全系数按下式计算：

(7)

式中：b为条块宽度，m；W为条块重力，W=W1+W2+γWZb，KN；W1为在堤坡外水位以上的条块重力，kN；W2为在堤坡外水位以下的条块重力，kN；Z为堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m；u为稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力，kPa；u1为水位降落前堤身的孔隙压力，kPa；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；γW为水的重度，kN/m3；cu，φu为直剪仪快剪或三轴仪不排水剪强度指标，kN/m3，°；Ccu，φcu为直剪仪固结快剪或三轴仪固结不排水剪强度指标，kN/m3，°；C′，φ′为直剪仪慢剪或三轴仪固结排水剪强度指标，kN/m3，°。

3.2.2 计算参数

水：r水=10kN/m3，壤土料：r=18.1kN/m3，r浮=10.0kN/m3，等值内摩擦角φ=19°。

设计断面稳定计算设计边坡稳定计算时，选择TK0+800断面进行计算。计算程序采用河海大学工程力学研究所编制的《土石坝边坡稳定分析系统》进行。设计断面边坡整体稳定计算结果见表1。

表1 边坡稳定计算结果表

从表1可以看出，各工况均大于规范规定的允许最小安全系数，故整体抗滑稳定是满足要求的。TK0+800段岸坡施工期稳定计算成果图见图2，TK0+800段岸坡高水位稳定计算成果见图3。

图2 TK0+800段岸坡施工期稳定计算成果图

图3 TK0+800段岸坡高水位稳定计算成果

3.3 挡墙稳定及应力计算

3.3.1 计算公式

按《水工挡土墙设计规范》(SL379-2007)挡土墙稳定计算公式如图4所示。

1)挡土墙的抗滑稳定安全系数按规范式6.3.5-1计算:

(8)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑W为作用在墙体上全部垂直力总和，kN；∑P为作用在墙体上全部水平力总和，kN；f为底板与堤基之间的摩擦系数。

2)挡土墙的抗倾稳定安全系数按规范式6.4.1计算：

(9)

式中：K0为抗倾稳定安全系数；∑MV为作用在墙体上全部垂直力总和，kN·m；∑MH为作用在墙体上全部水平力总和，kN·m。

3)挡土墙的基底压应力按下式计算：

(10)

式中：σmax、min为基底最大和最小压应力；∑G为垂直荷载，kN；A为底板面积，m2；∑M为荷载对底板形心轴的力矩，kN·m；∑W为底板的截面系数，m3。

3.3.2 计算工况

工况1：施工期完建情况，墙前无水。

工况2：常水位运行情况，墙前为常水位。

工况3：设计洪水运用情况，墙前为设计水位。

3.3.3 计算断面

各型式防洪墙计算断面选取最大的断面进行计算，本次选取的计算断面简图如下：

(a)重力式挡墙结构计算典型断面图 (b)仰斜式挡墙结构计算典型断面图

3.4 计算成果

计算采用理正挡土墙计算软件进行计算。计算结果见表2、表3。

表2 荷载组合

表3 防洪挡土墙稳定计算成果表

续表3 防洪挡土墙稳定计算成果表

根据《水工挡土墙设计规范》(SL379-2007)规定，以上四种断面型式，抗滑Kc和抗倾Ko的安全系数均满足规范要求。

4 结 语

溧江河桃溪段河道治理工程的实施，能够恢复河道原有功能、保持河势稳定和河道行洪畅通，是区域行洪、排涝的需要，可确保两岸人民的生命财产安全和社会经济可持续发展；同时，项目的实施可使项目区内水体进出畅通，增加了沿线区域水环境容量、改善了沿线区域水环境、提高了对周围区域的灌溉能力，对改善水环境、提高水资源利用十分有利，可恢复河道原有的河畅、水清、岸绿、景美的状态。