多功能河道的驳岸墙设计与优化

丁长围，裴习军

(仪征市水利工程总队，江苏 扬州 211400)

0 概 述

泗源沟是以行洪为主，结合排涝、引水、航运的综合性河道。沿线河坡土质主要为砂壤土夹粉砂或与粉砂互层，黏率含量较低，抗剪强度低，抗冲刷能力差，河坡极易被洗塌。且该河道现状为Ⅵ级限制性航道(扬州市政府已批复为Ⅴ级航道标准)，船行波冲刷强度大。从减轻行洪、船行波对堤坡冲刷、长期浸蚀影响的角度考虑，堤坡应进行防护，特别是水面变幅处。根据周边已做工程的运行实践，对水位变幅部位(▽3.5-5.2m)采取防护是必要的。常用的护岸型式有混凝土生态连锁砖、土工网垫、驳岸墙等[1-3]。混凝土生态连锁砖通过相互之间的连锁，使其具有较好的整体性，且可以较好适用于坡面沉降，常用于坡比>1∶2的放坡段防护[4]。土工网垫是一种新型土工合成材料，在其内部可以填充土壤、砂石等以便上部植被生长，通过贴合在岸坡表面，可有效防止水土流失[5-6]。驳岸墙对于岸坡的浅层滑动具有明显的阻滑效果，其挡墙自身的抗剪能力较强，多用于城市及没条件放坡的河道整治中，可以在不需要大开挖的情况下，有效增大河道过流断面[7-8]。

文章通过对泗源沟河道条件的分析，提出驳岸墙结合放坡的护岸方案进行堤防加固设计，基于驳岸墙型式的比选结果，采用遗传算法快速搜索最佳驳岸墙尺寸，对驳岸墙断面设计进行优化，并复核优化断面的稳定计算，最终应用于工程设计中，使得工程在保证安全的前提下投资最小。

1 泗源沟河道现状分析

泗源沟为历史老河道，河坡土质砂性、淤泥质土，受多年雨蚀、船行波淘刷，加之汛期洪水冲刷，导致河道迎水侧堤坡坍塌十分严重，部分堤防已坍坡至迎水侧堤肩，坡比几近垂直。根据对沿线现状边坡统计，泗源沟闸上段南北两侧共17.88km堤段原▽5.0m处5.0m宽的青坎已几乎坍塌殆尽，并且5.0m以下也出现了不同程度的滑坡。总体河道现状问题主要为标准偏低和滑坡两方面。

1)工程原设计标准偏低，不能适应工情、水情变化：

泗源沟始建于晋代，但直到20世纪70年代初才真正形成规模，当时泄洪按10a一遇来疏浚的，挡洪不足20a一遇标准，河床断面为河底高程0.0m，宽10-15m，▽5.0m设青坎，堤顶高程7.5m-8.0m。经30多年运行，沿线河床平均淤积深度超过1m，原青坎基本坍失，已严重影响堤防安全和河道行水能力，泄洪水位也因河床抬高、过流断面减小而有所抬高。同时，由于长江潮位抬高，受江潮顶托影响，泗源沟全线水位抬高，使原设计标准偏低的泄洪、挡洪能力更为薄弱，严重威胁两侧平原圩洼地的防洪安全。河道的淤积导致河道排涝、引水断面不足，大大缩小了河道过流断面，汛期行洪壅高河道水位，增大河道流速，威胁堤防安全；河道的淤积也影响河道的引水过流能力，现状河底高程0.6-1.5m，河道底宽8-15m，低水位时引水困难。河道沿线众多涵洞洞首位置淤积至近3.5m，部分涵洞每年甚至需抽槽引水，非常不便。

2)河道迎水侧堤坡坍塌严重，严重威胁防洪安全：

泗源沟为历史老河道，河坡土质砂性、淤泥质土，受多年雨蚀、船行波淘刷，加之汛期洪水冲刷，导致河道迎水侧堤坡坍塌十分严重，部分堤防已坍坡至迎水侧堤肩，坡比几近垂直。根据对沿线现状边坡统计，闸上段南北两侧共17.88km堤段原▽5.0m处5.0m宽的青坎已几乎坍塌殆尽，并且5.0m以下也出现了不同程度的滑坡。沿线塌坡段主要集中在▽6.0-4.0m之间，沿线的新城、朴席、真州、十二圩等乡镇每年均需动用大量的人力、财力进行抢险自救。在泗源沟一期工程整治及历年汛期施工后，目前仍然存在约0.7km堤防不达标、堤坡陡立等险情位置，威胁堤防安全。

2 驳岸墙加固分析

2.1 堤防加固设计

参考仪扬河以及古运河一线的河坡防护基本采用在水位变动区建设挡墙的方式。泗源沟现状迎水侧堤坡陡立，且河坡为砂壤土夹粉砂或与粉砂互层。实践证明，在沙土地区做驳岸是有效防止河道过流以及航道船行波冲刷的方法，河道耐久性、安全性、景观生态性较好。故本河段采用驳岸墙护坡方案，驳岸顶高程拟定于河道常水位以上0.4m，即5.2m；根据现状河道实测断面以及河道土质情况，从避免驳岸地板下回填土方、尽量减少挡墙开挖土方、满足基础承载要求等因素考虑，驳岸底板底高程拟确定为3.1m，驳岸前平台高程为3.5m。驳岸防护的顶、底高程均与上、下游已实施河道驳岸一致。典型河道断面图见图1。

图1 典型驳岸防洪断面示意图

2.2 驳岸墙型式比选

浆砌块石驳岸墙防护造价相对较低，泗源沟一期采用该种结构型式，但目前石材普遍质量不佳且附近地区逐渐封山禁采，性价比不如以往明显，再加上人工工资的增长，砌浆砌石墙造价已基本接近钢筋混凝土挡墙。钢筋混凝土结构挡墙虽造价相对浆砌石墙稍高，但主要优势在于减少人工工作，缩短工期较为明显，尤其适合本工程降低河道水位的施工方式，结合本地区最近实施的胥浦河工程，钢筋混凝土挡墙建成效果相对浆砌石墙身较好，节省了工期。经比选，泗源沟(梅家沟东-龙河)新建驳岸拟采用钢筋混凝土结构的结构型式。对驳岸具体防护型式进行对比见表1。

表1 防洪河道驳岸墙型式比较表

3 驳岸墙设计优化

3.1 优化方法

本次对水位变幅区(3.5-5.2m)采用钢筋混凝土驳岸防护，单侧护岸工长1830m。此次优化对象为驳岸墙的设计断面，其重要参数进一步明确为墙高、底板长度、墙厚和底板厚，最优判断依据为在保证挡墙安全稳定的基础下耗材最低。通过编程调用挡墙稳定计算软件，采用遗传算法进行快速寻优，得到最优断面参数。以搜索结果与设计值的均方差(MSE)不大于某一设定值作为搜索最优参数的判断精度，力求搜索过程中的最小均方差为优化的目标条件。具体优化搜索流程图详见图，见图2；优化搜索过程，见图3。

图3 驳岸墙设计优化搜索过程示意图

(1)

图2 驳岸墙断面尺寸优化搜索流程图

3.2 断面优化结果

驳岸墙采用C25钢筋混凝土现浇，考虑岸坡完建期，坡前无水工况为驳岸墙稳定最不利工况，本次优化搜索目标安全系数为完建期的1.10，搜索过程见图3。搜索最优断面为底板宽2.25m，底板厚0.41m，墙高2.11m，墙厚0.43m，相应驳岸墙稳定计算的安全系数为1.186，单位长度挡墙断面投资约为0.2154万元。结合施工条件及现场情况，拟定驳岸墙优化断面尺寸为底板宽2.2m，底板厚0.4m，墙高2.1m，墙厚0.4m。底板顶面高程3.1m，底面高程2.75m，为增加抗滑能力，底板后趾设0.25m深的齿坎，并在墙前设底宽0.5m，顶宽1.0m的M10浆砌石护脚，驳岸墙最终优化设计断面见图4。

图4 驳岸墙优化断面设计示意图

3.3 稳定复核

通过对优化搜索的驳岸墙断面进行稳定复核计算。完建期水位考虑墙前无水，墙后3.5m工况，运行期水位考虑墙前4.8m、墙后5.0m。地基应力P与挡墙稳定安全系数Kc计算结果见表2，根据土质钻探资料，驳岸墙底板(高程2.75m)地基土容许承载力为[R]= 70kPa，满足设计要求，但由于属于高压缩性土层，施工前需采取夯实措施。

表2 驳岸墙优化断面稳定复核地基应力与安全系数统计表

4 小 结

针对河床淤积、河坡冲刷坍塌严重的河道工程，其护坡工程多采用驳岸墙型式。采用遗传算法搜索得到的驳岸墙优化断面设计，可在保证堤防安全稳定的前提下，扩大河道行洪断面。结合上段仪扬河的整治，提高了仪扬河-泗源沟沿线的防洪能力，使本流域达到50a一遇防洪标准，流域内人民生命财产和经济社会发展的水安全保障得到解决。同时也为改善航运和沿线水环境创造了良好条件，可综合发挥仪扬河--泗源沟一线防洪、除涝、引水、航运工程效益。