粉细砂河床护岸工程基础防冲结构应用分析

蔡 峰

（新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049）

粉细砂质河床一般处于流域的中下游河段，多为游荡性河流，两岸多为草原、农田和人类活动聚居的平原地区。该类型河流河床的冲淤十分明显，特别在洪水期间，洪水对河岸的强烈淘刷导致河道发生改变，在没有工程措施干预的情况下河流频繁剧烈摆动，冲毁沿河草场、农田、建筑交通等各项设施，造成水土流失、环境破坏和社会经济损失，对此类河流的治理整治对减少水土流失、维护流域水土平衡和生态环境、保障两岸社会经济发展具有十分重要意义。

粉细砂河床所处区域地质结构一般较为松散，河床岸坡易被冲刷，河流两岸修建堤防护岸工程是河道整治的重要措施。工程通过护坡结构保护堤岸不被河水冲刷，而处于松散地层上的护坡基础常常由于坡脚被淘刷而发生沉降变形破坏，导致堤岸护坡被冲毁，因此堤防护岸工程的基础冲刷与防护是工程成败的关键。

新疆南疆塔里木河流域中下游地区表层地质结构为粉细砂层，伴有少量中砂和壤土，在此松散河床基础上修建的某堤防护岸工程，采用顺坝柔性防护结构型式。工程实践证明，这种结构型式能很好地适应岸坡河床的冲刷变形，相比刚性防护具有更高的稳定性。笔者以该堤防护岸工程为例，介绍一种粉细砂河床基础上的格宾石笼护岸结构型式，并对该防冲结构的冲刷机理和护脚排体结构宽度的选取进行分析探讨。

1 工程概况

阿克苏河是塔河的主要支流之一，全长132 km，从起点计27 km 以下中下游河段为砂质河床，床砂粒径较细，汛期河床冲淤变化十分剧烈，主流摆动频繁，河岸很不稳定，属于典型的游荡性河流。

某堤防护岸工程位于阿克苏河下游段，两岸为大片农场耕地，该段河床以粉细砂为主，岸坎少量黏性土互层，抗冲能力弱，汛期主流顶冲河岸时，河岸下层细砂被冲刷后便导致河岸崩塌。该工程实施前，河段内一些防御标准较低的临时防护设施如抛石护岸、丁坝、杩槎梢石等基本已被冲毁，险工段点多面广，给两岸带来较大的防洪压力。

该堤防护岸工程修建在一险工凹岸段上，长2 km，采用格宾石笼护坡护脚，其防护效果明显优于该河流其他型式的护岸工程。该工程建成以来，经过多年运行和数个洪水期后堤身结构完整，护坡未出现冲刷破坏现象，坡脚护脚也未出现淘刷破坏，其结构型式非常适合粉细砂河床地质条件且抗冲性能良好。该堤防工程很好地稳固了河岸，保护了两岸的农田和交通基础设施。

在工程投资方面，该护岸工程主要建筑材料如块石、格宾笼、无纺布等均由距离较远的石料场和外地的厂家购买，工程材料及建设成本比较高，平均每千米投资上千万元。由于投资有限，加之工程建设成本太高，该流域许多需要防护的类似河段不能上马修建这种安全稳固的护岸工程项目。因此，优化工程结构，在做到安全可靠的同时，合理提高工程结构的经济性，对推进流域治理和河道整治项目有着重要的现实意义。

2 护岸工程结构设计

2.1 堤防断面结构

该堤防护岸工程堤身、岸坡、河床主要为当地粉细沙地层材料，夹少量中砂、壤土，地下水位较高。刚性护坡在粉细砂岸坡基础上易产生沉降变形，护坡基础在坡脚粉细砂被淘刷后也容易发生下沉。因此，针对粉细沙地层的岩土特性和河床岸坡的冲刷特点，通过论证比选，确定选用格宾石笼结构的柔性护坡和排体护脚的防护型式。

工程主要结构方案如下：迎水面边坡采用60 cm厚格宾石笼护坡；坡脚采用2层40 cm厚格宾石笼排体护脚，下层宽14 m、上层宽8 m，基面较河床开挖清除1 m 左右，随河床地形，坡比约为水平至1/15 左右；护坡及护脚格宾石笼下铺设无纺布，对护坡及护脚以下粉细砂基础起反滤保护作用，某护岸工程断面结构如图1所示。

图1 某护岸工程断面结构

2.2 护脚结构选择

护岸工程的坡脚基础被河水淘刷造成护坡失稳变形，是护岸工程冲毁失效最普遍的原因。为保证护坡不因基础淘刷而破坏，需对坡脚基础进行防冲保护措施。

护岸工程坡脚防冲型式大致有深基础、丁坝、抛石护脚、排体护脚等。一般在承载力较高的密实地层上可采用深基础，如图2所示，即将刚性护坡基础齿墙坐落在坡脚河床最大冲刷深度以下，来保证护坡基础不被淘刷。但在粉细砂等松散河床基础上则不宜采用深基础护脚型式，不仅容易变形破坏，且开挖量大，在地下水位较高时施工过程中还会大量出水并出现流沙现象，施工极为困难。而采用排体护脚型式不仅排体施工方便，且适应变形能力强，可以有效保护坡脚不被淘刷，保证护坡基础安全。

图2 刚性护坡深基础示意

该护岸工程采用格宾石笼防护结构型式，具有很好的防冲性能和适应变形能力，其中护脚的排体结构满足粉细砂河床基础在防止坡脚淘刷、适应变形、施工方便、稳定可靠性等多方面的技术要求，是非常合理的坡脚防护方案。

2.3 冲刷深度计算与护脚宽度

2.3.1 冲刷深度计算

坡脚基础的淘刷是护岸工程的薄弱环节，坡脚防护是岸坡稳定的关键，护脚排体的宽度直接影响坡脚的稳固，同时也对工程投资影响较大。根据该护岸工程设计报告，该工程护脚宽度以坡脚冲刷深度为依据，最大冲刷深度分别按《堤防工程设计规范》（GB50286－2013）和《河道整治设计规范》（GB50707-2011）中的2种冲刷深度公式进行计算。

（1）《堤防工程设计规范》（GB50286－2013）冲刷深度计算公式。该工程为顺坝布置形式，采用《堤防工程设计规范》（GB50286－2013）推荐的顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式D.2.2-1、D.2.2-2计算：

式中：hS为局部冲刷深度（m）；H0为冲刷处的水深（m），取3 m；UC为泥沙启动流速（m/s），取经验数值0.5 m/s；UCP为近岸垂线平均流速（m/s）；U为行进流速（m/s），取实测最大流速3.42 m/s；n与防护岸坡在平面上的形状有关，取1/4；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡的夹角α查规范D.2.2表得到。计算结果，详见表1。

表1 堤防规范推荐公式冲刷深度计算成果

计算结果显示，当水流流向与岸坡夹角介于0°～90°时，对应的冲刷深度为1.85～2.37 m。

（2）《河道整治设计规范》（GB50707-2011）冲刷深度计算公式。主流存在斜冲岸坎情况下，采用《河道整治设计规范》（GB50707-2011）中水流斜冲岸坎冲刷深度计算公式B.2.2计算：

式中：ΔHp为从河底算起的局部冲刷深度（m）；α为水流流向与岸坡夹角（°）；m为防护建筑物迎水面边坡系数，取2.5；d为坡脚河床砂计算粒径（mm），取0.4 mm；vj为水流的局部冲刷流速（m/s），取实测最大流速3.42 m/s。计算结果，详见表2。

表2 河道整治规范公式冲刷深度计算成果

计算结果显示，当水流流向与岸坡夹角介于30°～90°时，冲刷深度为2.69～10.05 m。

以上2 种冲刷深度公式计算的冲刷深度值相差较大，其中《堤防工程设计规范》推荐公式的计算值大部分较《河道整治设计规范》推荐公式的计算值小，只有当水流流向与岸坡夹角在15°～30°时，2 个公式计算值才较为接近。据调查，距离该河段不远的跨河大桥处，洪水顶冲桥墩产生的实测最大冲刷深度达10.2 m，与《河道整治设计规范》推荐公式的最大计算值相近。

2.3.2 护脚宽度确定

该报告结合冲刷深度计算值和调查结果，参考相关工程经验，选取坡脚的最大设计冲刷深度，取HP=7 m，并以此作为护脚排体宽度的依据，护脚宽度按2倍冲刷深度设计，取14 m。

以上关于该护岸工程冲刷深度的计算选取和护脚排体结构宽度的设计，笔者认为需要进一步地分析和探讨。

3 坡脚防冲结构设计存在的问题

3.1 岸脚冲刷与排体防冲机理分析

河岸冲刷主要发生在岸坡的中下部和岸脚，水流在受到岸坡或障碍物影响时，在一定范围内产生强烈的紊动。河道淘刷机理研究成果表明，从岸脚外侧0.2 倍水深宽度范围内流速特征与远岸点有明显不同，流速脉动值明显大于远岸点，岸脚附近的流速及其脉动值都直接影响岸坡岸脚的淘刷。相关试验显示，流速脉动最大变幅为主流流速的1.9 倍，脉动流速方向不仅是顺水流方向，垂直方向也有明显的脉动，并对岸脚形成淘刷。根据冲刷机理，水流在岸坡一定范围内的紊动对岸坡河床产生较强冲刷，修筑护坡护脚等防冲设施可防止水流对岸坡和坡脚的淘刷。

研究表明，顺直河道岸边水流脉动以平行纵向流动为主，对河床淘刷影响范围有限，护脚所需范围较小。而弯道凹岸或顶冲河段，水流在弯道和顶冲岸坡的共同作用下产生螺旋流，强化了对岸坡和河床的淘刷作用。凹岸螺旋流淘刷示意，如图3所示。

图3 排体护脚护岸工程凹岸冲刷示意

在坡脚床面铺设排体护脚后，螺旋环流沿护坡向下达到排体床面后，水流沿排体顶面向斜前方水平流动，排体宽度愈宽，水流沿排体顶面的流动距离愈长，能量损失就愈大，防护作用就愈大。排体末端外缘处，水流水平流向天然河床，若河床床面与排体之间存在间隙，这里由水平流引起的次生平轴漩涡将有可能淘刷排体外缘床面逐渐形成冲沟，次生平轴漩涡比岸边螺旋流直接作用于床面的能量要小得多。若形成冲沟，排体外缘随河床变形下沉内收，冲沟护脚一侧得到保护，限制了冲刷向岸边发展，起到了保护坡脚安全的作用，从而解决了坡脚淘刷问题。排体护脚护岸工程凹岸冲刷示意，如图4所示。

图4 排体护脚护岸工程凹岸冲刷示意

3.2 护脚宽度选取及问题

护脚排体宽度是护脚及整个护岸工程的重要技术参数，直接影响防护效果和建设成本，护底排体越宽防冲效果越好，但在实际工程中，排体宽度的增加使得工程投资大幅增加。因此，应根据坡脚的防冲需要确定护脚的结构尺寸，做到护岸工程技术合理性和经济性的统一。

通常而言，深基础堤防护岸工程通过计算坡脚最大冲刷深度来确定深基础齿墙的深度，基础齿墙埋深应大于最大冲刷深度。而关于水平排体护脚的宽度，应主要从水流冲刷后排体的稳定性方面考虑。

排体护脚的冲刷与一般护岸工程坡脚的冲刷位置与冲刷机理有所不同，一般护岸工程基础及深基础的淘刷发生在岸坡坡脚处，主要由岸边脉动流和螺旋流产生对坡脚床面的强烈冲刷形成冲刷坑；而排体护脚的基础冲刷发生在护脚排体外缘与河床间隙处，岸边脉动流和螺旋流沿护坡和排体护脚到达排体外缘处，生成次生平轴漩涡对河床形成冲刷，次生平轴漩涡比岸边的脉动螺旋水流的能量和对河床的冲刷小得多。由此可知，规范中推荐的护岸工程冲刷深度计算公式，对于排体护脚的河床基础来说外在边界条件已不适用，其所计算的冲刷深度值应比实际情况大很多，这与阿克苏河下游某护岸工程的实际运行调查结果相一致。

阿克苏河下游某护岸工程采用以上规范中推荐的冲刷深度计算公式，经计算最大冲刷深度值为2.37 m 和10.05 m，最后综合以7 m 作为最大冲刷深度来设计护脚排体的宽度。该工程在运行多个洪水期后，调查坡脚和排体外缘河床的冲刷情况为：护岸工程岸坡坡脚由于格宾石笼的保护未发生淘刷变形；护脚排体外缘处天然河床大部分平顺过渡，少部分有轻微的冲刷沟现象，且冲刷深度大部分在0.3 m以内，仅弯道末端与主流发生大角度顶冲段的一处护脚外缘最大冲刷深度达1.6 m，范围在5 m 左右，该处排体外缘石笼下沉内收，冲沟内侧被下沉石笼保护而不再发展。

由本工程运行后的实际冲刷深度可知，该护岸工程的冲刷深度计算值偏大，致使护脚排体的设计宽度也偏大。实践证明，该工程在结构型式上是安全稳定的，但在工程投资成本方面不够经济，应进一步优化工程的结构参数。

4 护脚排体参数应用与建议

4.1 冲刷深度选取与应用

通过对坡脚的防冲机理分析可知，排体护脚覆盖范围内的河床不会产生淘刷现象，发生在护脚排体外缘的河床冲刷沟深度才应作为排体设计宽度的主要依据。2 个规范推荐的护岸工程冲刷深度计算公式，适合于坡脚处无覆盖保护的深基础的局部冲刷深度计算，而对于坡脚床面被护脚排体覆盖的护岸工程来说，上述公式的应用条件与排体护脚工程的冲刷机理不符。因此，排体护脚结构的冲刷深度计算不宜采用2 个规范推荐的冲刷深度计算公式，相关计算确定方法需要进一步的研究和试验。

在工程实践中，以规范推荐的冲刷深度计算公式计算的和实地调查天然河道顶冲段、顺坝坡脚及桥墩基础的局部冲刷深度，均比护脚排体外缘的实际冲刷深度偏大很多，以此为依据设计的排体宽度虽能满足工程安全的需要，但却超出了必要的护脚结构宽度，大幅度增加了护岸工程的建设成本，不利于河道治理工程的推进。

4.2 排体宽度选择与应用

排体护脚结构是粉细砂河床防止坡脚淘刷的有效防护型式，是保证护岸工程稳定的关键，排体宽度是护脚结构的重要参数。有关资料显示，受岸坡影响的水流脉动变幅随远离岸边距离而骤减，护脚排体的宽度可参考岸边水流紊动的影响范围。在护脚排体外缘的河床冲刷深度难以确定的情况下，有资料给出2 倍岸边平均水深的坡脚防护范围经验值，此范围以外的水流脉动对河床影响可以忽略，此经验值应适合于顺直护岸的护脚防护范围。

而对于主流斜冲岸坎产生较强螺旋流的护岸工程，仍应以护脚末端冲刷深度为依据，在实际工程中可参考天然河床断面的局部冲刷情况。有关规范的相关规定指出，柔性排体应在最大冲刷深度引起的排体变形后平均坡度不超过1∶2.5，由此可知，护脚排体宽度应大于约2.5倍最大局部冲刷深度，也有相关资料提出护底排体宽度为冲刷深度的1.5～2 倍，因此护脚排体的结构设计仍需要在不同的工程实践中进行研究和探索。

5 结语

粉细砂河床护岸工程采用柔性护坡和排体护脚防冲型式，在工程实践中起到了很好的防冲固岸效果，施工方便、稳定可靠，适应变形的能力强。在工程结构设计方面，排体护脚结构的相关技术参数仍需要更多的实践、试验和研究，进一步提升护岸工程结构设计的经济性和合理性。

笔者通过阿克苏河下游某护岸工程，分析了粉细砂河床基础上排体防冲结构的优越性和可行性，同时对排体护脚结构的防冲机理及设计计算方法进行了分析和探讨，以期为此类护岸工程结构设计及工程建设提供一些有益的参考和经验。