连锁式生态护坡砖在太子河流域辽阳市段河道护岸中的应用

杨 帅 张庆林

（1.灯塔市泽霁自来水有限公司辽宁灯塔111000；2.辽阳市水利事务服务中心辽宁辽阳111000）

1 传统护岸工程优缺点

河道护岸工程是防治风浪侵袭、避免河堤受水流冲刷所采取的工程措施。按结构材料类型主要有沉排护岸、石笼护岸、柳石护岸、块石护岸、混凝土块护岸、草皮护岸、透水桩护岸、土工织物护岸等。

传统太子河流域辽阳市段河道护岸工程主要以块石护岸、柳石护岸、石笼护岸、沉排护岸等，具有取材方便、施工方法简单灵活、能够适应河床地形变形、能够分期实施逐步加固等诸多优点。

但是传统的边坡护岸方式，采用刚性材料护砌，耐久性差，护坡底部容易脱空，造成水土大量流失，护岸体无法进行植草种树、沿河两侧暗淡无色，缺少大自然馈赠给人类的景色，不透水性导致对水土自然循环系统的破坏、从而使水质逐步恶化。

2 连锁式生态护坡砖简介及特点

连锁式生态护坡砖是根据具体工程要求，一般采用高效S3 等水泥浇筑的预制铺设的砖，强度一般为30 MPa，独特的连锁式设计，对于防止水浪冲刷具有非常好的整体稳定性，每一块护坡砖都非常完整四周环环相扣，异常牢固。

连锁结构的护坡砖，在铺设完成后，砖孔中均可种植绿色植被或灌木等。在提高环境质量的同时有效地提升了护坡与土层的镶嵌结构，真正起到了生态护坡的作用，防止水土流失。

3 连锁式生态护坡砖工程应用实例

3.1 工程现状及存在的问题

该工程护岸位于灯塔市西马峰镇新生村附近，太子河右岸，高速桥下游300 m 处，护岸长度为450.0 m。该段河道较为曲折，岸坎近于直立。经过现场实际勘测，河道主河槽距右岸岸边较近，河床比较平坦，该段河道比降1/800。该段护岸距离堤脚处35～70 m，用于保护滩地（在册耕地）。经过多年洪水冲刷，原址处主槽右岸边坡已出现兑坡和坍塌现象，对保护耕地不利，且由于该处距离提防较近，也威胁着太子河堤防的安全，给城市段的防汛工作带来了非常大的压力（详见整治段堤防现状图1、2）。

图1 整治段堤防现状图

图2 整治段堤防现状图

3.2 护岸工程设计

3.2.1 结构形式

1）方案比选

护坡的结构形式一般采用干砌石、浆砌石、混凝土预制块、现浇混凝土板和混凝土模带等，考虑到经济、安全、适用和生态的要求，决定采用连锁式护坡砖。它是一种欧美国家现行使用的可人工安装的新型连锁式预制混凝土块铺面系统。由于采用连锁式设计，使得铺面系统在水流冲刷作用下具有较好的整体稳定性，每块护坡砖与周围的6 块护坡砖产生超强连锁。同时，随着植被在砖孔和砖缝中不断生长，一方面铺面的稳定性和耐久性将进一步提高，另一方面起到增加植被、美化环境的作用（详见连锁式护坡砖护岸图3、4）。

图3 连锁式护坡砖护岸图

图4 连锁式护坡砖护岸图

2）结构形式设计

（1）材料技术参数如下

抗压强度：单块最小抗压强度≥15 MPa

混凝土液相（PH）为8.5≤10

最大含碱量（kg/m3）≤2.20

水泥掺和量（质量比）≤15%

吸水率为≤6.5%

抗冻性强度损失为≤20%

阻力系数n 的有效范围是0.026～0.034

（2）结构形式

本工程采用连锁空心护坡砖护岸，下设土工布和0.1 m 厚天然砂砾垫层，主要是防止波浪抬起和岸坡太陡形成滑坡，护岸坡比1∶3。根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）、护岸工程的上部护坡应与滩面相平或略高于滩面，下部护脚采用浆砌石挡土墙结构，为增强其稳定性，水平坡脚采用4 m 宽铁丝石笼进行护底，石笼护脚尺寸为4 m（长）×5 m（宽）×0.4 m（厚），格宾防护下设土工布。石笼采用8＃镀锌铁丝编制，铁丝网孔径0.12 m×0.12 m，内分两层装入块石，其粒径不小于0.2 m，网间用8#镀锌铁线连接加固（详见护岸断面形式图5）。

图5 护岸断面形式

3.2.2 护岸厚度计算

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）的规定，在波浪作用下，斜坡连锁护坡砖的单个块体的质量Q及护面层厚度可按下式计算：

式中：Q——连锁式生态护坡砖个体质量，t，按照合格产品个体质量确定，Q取值为0.025 t；

rb——连锁式生态护坡砖的重度，kN/m3，根据工程经验值普通混凝土的重度19～25 KN/m3，rb取值为19 KN/m3；

r——水的重度，kN/m3，水的重度为9.8 kN/m3；

H——设计波高，m，平均波高与水深比值H/d＜0.3 时，宜采用H5%；H/d≥0.3 时，宜采用H13%，长大铁路桥上下游200 m 段平均波高为0.20 m，主河槽水深为8.77 m，H/d=0.02＜0.3，因此设计波高采用H5%；

KD——连锁空心护坡砖稳定系数，根据表D.3.2-1 块石安防一层，KD取值为5.5；

m——斜坡坡率，根据工程设计要求护坡坡率m取值为1∶3；

t——块体护面层厚度，m；

n——护面块体的层数，根据连锁式生态护坡砖结构特征，n取值为1；

c——系数，根据表D.3.2-2 块石安防一层，c取值为1.35；

将各参数代入上式中，计算得t=0.11 m，护坡厚度取0.12 m 满足护岸工程厚度要求。

3.2.3 护岸稳定性计算

采用400 g/m2聚酯长纤无纺布，无纺布与砂土的摩擦角为22°，坡比按最陡处考虑为1∶3，坡角为18.5°，则块石护坡与无纺布沿堤坡滑动的安全系数为：

K=（W×cosα×tgφ+cL）/（W×sinα）

式中：K——稳定安全系数；

W——荷载，KN，根据荷载试验W取值为1 175 KN；

α——滑动面的倾角，18.5°；

c——粘聚力，根据土质查表α 取值为8 KPa；

φ——无纺布与土的摩擦角，粉细砂取28°、细砂取30°；

L——滑动面长，m，L取值为8 m；

将各参数代入上式中，计算得K=1.38～3.42，根据现有规范连锁空心护坡砖与无纺布满足堤坡抗滑要求。

3.2.4 护脚及护底设计

护脚采用浆砌石挡土墙结构，要求石料质地坚硬，遇水不易水解和崩解，抗风化，强度等级MU30，比重不小于2.5 t/m3。护底采用块石粒径应大于铁丝网眼尺寸，砌筑砂浆为M10。单箱石笼护脚尺寸为4 m（长）×5 m（宽）×0.4 m（厚），且下面铺设400 g/m2聚酯长纤无纺布。

3.2.5 冲刷深度计算

本次设计采用《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中局部冲刷深进行冲刷计算，复核基础埋深时计算冲刷深度应采取50年一遇的设计水位进行计算。冲刷深度计算断面以沈大高速桥下游300 m 处为准，该处河道较宽缓，主河槽宽度约120 m，两侧漫滩较浅，大水时大部分被淹没，外侧属河流一级阶地，地形平坦，边坡较陡。

式中：hs——局部冲刷深度，m；

H0——冲刷处水深，m；

U——行近流速，m/s，取1.89 m/s；

Ucp——近岸垂线平均流速，m/s；

UC——泥沙起动流速，m/s；

n——与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4；

η——水流流速不均匀系数，取1.5；

γs——泥沙的容重，kN/m3，取2.65 kN/m3；

γ——水的容重，kN/m3，取9.8 kN/m3；

d50——床沙的中值粒径，取0.38 mm。

沈大高速桥处河床质为砂砾石，滩地多为壤土、细砂。砂砾石不冲流速为1.15 m/s，壤土、细砂不冲流速为0.21 m/s；发生50年一遇洪水时，主槽处水深为8.77 m，流速为2.05 m/s，滩地水深为0.80 m，流速为0.85 m/s。

经计算，发生设计洪水时主槽的冲刷深度为1.35m，堤脚所处位置滩地的冲刷深度为0.35 m，护脚基础埋深1.55 m 在冲刷深度以下，满足现有规范要求。

4 应用效果

1）辽阳市太子河新生段护岸工程于2015年9月完成建设，到目前为止，整个河道面貌全然一新，岸坡均未出现任何松动、脱落、开裂等缺陷，呈现出较好的安全态势，同时具有良好的稳定性。

2）连锁式生态护坡砖预制单价每平米比传统护岸工程较贵，但是，连锁式生态护坡砖施工过程不需要砂浆，不需要机械，施工方便快捷，人工与机械费明显降低，工期明显缩短。

5 结语

河道治理工程应树立生态发展理念，在设计、施工中要不断创新探索使用新型生态环保材料[1]，促使河湖既能发挥防洪排涝等功效的同时，又能为各类植物生长提供生长空间。连锁式生态护坡是生态护岸的新技术，通过在太子河辽阳市段治理中的应用，促使连锁式护坡砖护岸工程的设计、施工及质量控制等技术不断成熟，建议在此研究的基础上进一步优化河道护岸工程方案，探索和开发新型生态护岸形式，增强河道功能，实现河道护岸工程与生态环境和谐统一发展[1]。