浑河锅称子河道险工险段治理研究

刘长志

（台安县水利事务服务中心，辽宁 鞍山 114100）

1 引言

浑河是辽宁省内主要河流之一，防洪地位重要，险工险段治理关系河势稳定和防洪安全。台安县锅称子险工段地处河道凹岸，多年来顺堤行洪，形成一条较长冲沟，冲淘严重。岸坎紧邻右岸堤防，距堤脚线最近处仅2.3 m。卫星数据显示，2013—2016 年，岸坎已向右岸推移4 m。如不采取工程措施，后果不堪设想。因此，需要开展锅称子河道险工段治理，稳定河流水势，调节河岸坡度，形成较为明晰、平顺和生态的河道岸线。

2 锅称子险工段治理设计

2.1 工程总体布置

险工段总长450 m，其中严重段185 m 为本次治理对象，桩号为0+000—0+185。根据现场实际，险工段起点位置确定为河道凹岸的起点；终点位置确定在桩号0+185 断面处，该断面向下游方向岸坡已逐渐远离右岸堤防。按尽量保持原岸线不变原则，综合考虑实际，将治理段右岸偏向于河道内侧布置，使新岸线整体上右移4 m 左右。治理段现状岸顶高程呈现中间略高、两端稍低的特点，总体高差不大，最大仅为1.26 m，设计岸顶高程按各断面的平均岸顶高程确定。

2.2 主要建筑物型式

经实地查勘调研，确定选取施工工艺相对简单、具有一定抗冲能力的生态格网护岸型式。在多年平均水位（1.189 m）以上进行防护处理。先回填出宽1.0 m 的平台，布设 1.0 m×1.0 m 固滨笼戗台，维持防护工程的稳定性。对现状边坡进行回填，坡比1∶3。平台至设计岸顶边坡采用厚度为0.4 m 的绿滨垫防护，下铺设土工布反滤，中间设厚度为0.1 m 的砂垫层。岸顶采用厚度为0.4 m的绿滨垫进行水平防护，长度为2.0 m。护坡以下采用聚丙烯布软体沉排护底，聚丙稀布为双层，抛石平均厚度为0.5 m。

2.3 坡面厚度计算

设计坡面厚度分别按《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）及《生态格网结构技术规程》（CECS 353：2013）要求进行计算，并结合已有经验确定。

2.3.1 按照《堤防工程设计规范》计算护坡坡面厚度

（1）护坡厚度计算。根据规范规定，在波浪作用下，斜坡堤干砌石护坡的护面厚度可按下式计算：

式中：K1为系数，干砌石取 0.266；rb为块石的重度（kN/m3）；r为水的重度（kN/m3）；H为计算波高（m），当d/L≥0.125 时取H4%，当d/L＜0.125 时取H13%，d为堤前水深（m）；m为斜坡坡率；L为波长（m）。

风浪采用规范附录C 中C.1.2-1 及C.1.2-2 式计算：

（2）块石粒径计算公式为：

式中：d为块石粒径（m）；v为流速（m/s），取1.71 m/s；rs为块石重度（kN/m3）；C为石块运动的稳定系数，取0.9；其余变量含义同上。

经计算，d=0.112 m。

2.3.2 根据《生态格网结构技术规程》计算护坡厚度

（1）绿滨垫填石的平均粒径计算。根据规范规定，用于河道转弯处外侧的绿滨垫填石Dm应乘以系数1.2，本工程绿滨垫填石的平均粒径Dm按下式计算：

式中：Dm为填石的中值粒径（m）；So为粒径安全系数，取1.5；Cs为填石稳定系数，取0.1；Cv为流速分布系数，取 1.5；γs为填石的重度（kN/m3）；γw为水的重度（kN/m3）；d为流速v处局部水深（m），取6.37 m；v为断面平均流速（m/s），取1.71 m/s；K1为边坡修正因子，边坡1∶3时取0.98；R为水力半径（m），取4.91 m；b为水面宽度（m），取62.44 m；g为重力加速度（m/s2）。

经计算，Dm=0.02 m。

（2）绿滨垫厚度确定。通常情况下，填石粒径确定后，绿滨垫厚度应按下式确定：

式中：t为绿滨垫的最小厚度（m）；Dm为填石的中值粒径（m）。

经计算，t=0.04 m。

考虑波浪作用，当tanα0≥ 1/3 时，绿滨垫厚度按下式计算：

式中：Hs为波浪设计高度（m），Hs=H4%=0.206 m；α0为河岸倾角（°）。

经计算，t=0.103 m。

综合《堤防工程设计规范》和《生态格网结构技术规程》计算结果以及现场险工治理工程实践经验，护坡厚度取0.40 m，粒径取1.5～2倍网孔尺寸。

2.3.3 绿滨垫规格选择

绿滨垫网由生产厂家直接供应，依据设计要求定型生产，选用热镀铝锌合金钢丝，表层覆塑。护顶绿滨垫规格为4.0 m（长）×2.0 m（宽）×0.4 m（厚），护坡绿滨垫规格为3.0 m（长）×2.0 m（宽）×0.4 m（厚），网孔80 mm×100 mm。网片网丝直径2.2 mm，镀层重量≥215 g/m2，覆塑后外径3.2 mm；网片边丝直径2.7 mm，镀层重量≥230 g/m2，覆塑后外径3.7 mm；扎丝直径2.2 mm，镀层重量≥215 g/m2，覆塑后外径3.2 mm。钢丝抗拉强度350～500 MPa，延伸率≥12%。覆塑材料抗拉强度≥20.6 MPa，延伸率≥180%。隔片间距为1 m。

2.4 块石护坡稳定计算

稳定分析采用不考虑条块侧面上作用力的瑞典圆弧滑动法，选择边坡稳定分析程序计算。

（1）计算工况选取。根据《堤防工程设计规范》规定，选择设计洪水位下的稳定渗流期和设计洪水位骤降期2种工况进行计算。

（2）计算方法。边坡稳定复核分为稳定渗流期和水位降落期2 种工况进行计算。根据《堤防工程设计规范》F.0.4 规定，静力计算时，地震惯性力应等于零。因此，以下公式中不含地震惯性力，采用规范推荐的瑞典圆弧法公式进行计算。

式中：W为条块重力（kN）；Q、V分别为水平和垂直地震惯性力（kN）（V向上为负，向下为正）；u为作用于土条底面的孔隙压力（kN/m2）；α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（°）；b为条块宽度（m）；c'、φ'分别为土条底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效内摩擦角（°）；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩（kN·m）；R为圆弧半径（m）。

（3）计算成果。各断面抗滑稳定计算结果，详见表1。

表1 各断面抗滑稳定计算结果

从表1 可以看出，各断面在稳定渗流期和水位降落期堤坡安全系数均大于抗滑稳定允许安全系数（分别为1.25、1.15），符合规范要求。

2.5 冲刷深度计算

为确保护岸工程安全，按50 a 一遇洪水标准与造床流量对坡脚的冲刷深度进行复核。计算采用《堤防工程设计规范》附录D 中公式，水流平行于岸坡产生的冲刷深度计算公式为：

式中：hs为局部冲刷深度（m），从水面起算；H0为冲刷处的水深（m），以近似设计水位最大深度代替；Ucp为近岸垂线平均流速（m/s）；Uc为泥沙起动流速（m/s）；U为行进流速（m/s）；n为岸坡形状系数，取1/4；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查得，取1.5；γs、γ分别为泥沙与水的容重（kN/m3）；d50为床沙的中值粒径（m），取0.000 2 m。

经计算，结果详见表2。浑河沈阳以下农村段冲刷深度3～6 m，设计流量冲刷深度3.72 m，满足要求。对比设计流量与造床流量冲刷深度值，本设计取设计流量下的冲刷深度3.72 m。

表2 险工段冲刷深度计算结果

2.6 固滨笼结构设计

固滨笼网由生产厂家直接供应，可依据设计要求进行定型生产，选用热镀铝锌合金钢丝，表层覆塑。网垫规格4.0 m（长）×1.0 m（宽）×1.0 m（高），网孔100 mm×120 mm。网片网丝直径2.5 mm，镀层重量≥230 g/m2，覆塑后外径3.5 mm；网片边丝直径3.0 mm，镀层重量≥245 g/m2，覆塑后外径4.0 mm；扎丝直径2.2 mm，镀层重量≥215 g/m2，覆塑后外径3.2 mm。钢丝抗拉强度350～500 MPa，延伸率≥12%。覆塑材料抗拉强度≥20.6 MPa，延伸率≥180%。

2.7 沉排结构设计

2.7.1 排体结构

护脚要求具有抗冲耐磨、富有弹性、易于修复补充等性能，以适应河床变形，便于水下施工。传统形式有抛石、沉枕、石笼及沉排等。土工织物软体沉排护脚成本低、施工便利、整体性较好、有柔性、抗冲能力较强。根据浑河近几年的险工治理经验，水下部分采用聚丙烯布软体沉排护脚，聚丙烯布为双层。

2.7.2 排体结构型式

软体排采用双层聚丙烯布护底，将聚氯乙烯绳缝制在双层聚丙烯布中间，并将聚丙烯布同无纺布搭接在一起，排宽22 m。其上铺设1.0 m×1.0 m方格树枝，树枝直径10 cm，每25 cm用聚氯乙烯绳捆1道，上下树枝交点用聚氯乙烯绳绑扎，拉成1.0 m×1.0 m方格网，作为排体骨架，四周2 m 范围内边绳采用聚氯乙烯绳加固，间距1.0 m。方格网内均匀铺设10 cm厚树枝垫层，将聚氯乙烯绳与树枝用聚氯乙烯绳扎紧。排体上铺设抛石，抛石厚度不低于0.5 m。

2.7.3 排体稳定计算

软体排稳定分析采用了不考虑条块侧面上作用力的瑞典圆弧滑动法，选择理正边坡稳定分析程序计算。

（1）计算工况选取、计算方法及公式选用同2.4块石护坡稳定计算。

（2）计算成果。各断面抗滑稳定计算结果，详见表3。

表3 各断面抗滑稳定计算结果

从表3 可以看出，各断面在稳定渗流期和水位降落期堤坡安全系数均大于抗滑稳定允许安全系数（分别为1.25、1.15），符合规范要求，软体排铺设满足抗滑要求。

2.7.4 排体长度计算

排长要根据冲刷深度、河槽深泓线及水下地形确定。工程设计流量计算冲刷深度3.72 m，河槽深泓线距离岸线较远，排体长度为3 倍冲刷深度，取12.0 m。

2.7.5 排体宽度计算

根据实际经验，每块排的保护区域设计宽度为20 m。因为相邻排体存在搭接和收缩系数，软体排制作宽度采用如下公式计算：

式中：B为每块排保护区域宽度（m）；B0为排体制作宽度（m），取20 m；B1为相邻排体搭接长度（m），取1.2 m；B2为收缩减小长度（m），B2=ξ（B0-B1）；ξ为收缩系数，取0.04。

经计算，B=21.95 m，取排体制作宽度为22 m。

2.7.6 排体设计

根据《堤防工程设计规范》，在水流作用下，防护工程护坡、护脚块石保持稳定的抗冲粒径（折算粒径）按照下式计算：

式中：d为块石粒径（m）；v为流速（m/s），取1.71 m/s；g为重力加速度（m/s2）；rs为块石重度（kN/m3）；r为水的重度（kN/m3），取10 kN/m3；C为石块运动的稳定系数，取0.9。

经计算，d=0.112 m。

根据规范要求及实际经验，软体排压载采用抛投块石，块石厚度500 mm。为了保证固滨笼护脚的稳定，以固滨笼与沉排的接触部位为起点，抛石厚度由1 000 mm逐渐过渡为500 mm。

2.7.7 排体固定

为防止水下排体被冲走或滑坡，必须对排体顶部固定处理，可以借助平台段固滨笼进行固定，固滨笼尺寸4.0 m（长）×1.0 m（宽）×1.0 m（厚），并将布排筋绳牢固联结在固滨笼上。

3 结语

浑河锅称子河道险工段治理工程完工后运行至今，经过多次洪水考验，运行效果较好，为类似工程提供了成功借鉴。工程管理单位应加强河道工程设施日常维护管理，防止遭受人为恶意破坏。考虑河道下切、护岸冲刷及材料腐蚀是一个相对漫长的过程，应加强巡查观测，发现问题及时解决。同时，需加强对浑河非法采砂的打击，全面遏制违法行为，以进一步减小河道下切对沿岸涉水工程造成的安全影响。在生态格网护岸实际应用中，需结合实际，兼顾生态和景观要求，确保达到预期效果。