基于格宾石笼技术的大凌河河口护岸设计研究

郭 莹

(辽宁省凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200)

1 工程概况

1.1 防洪工程现状

义县凌海界-河口段为大凌河下游平原区段，其间左岸有荒地河，右岸有牛心河、尚岗河、大业河四条较大支流汇入。经过1962年大水后对原有民堤的全面加高培厚和1977年的全面整修及新建，两岸基本上已具有连续堤防，右岸堤防从上游县界-下游大有经济区，长58.4km(蛤蜊河子段局部无堤)，左岸堤防从石窗子-三道沟，长52.8km，两岸合计111.2km。堤距平均3-4km，堤防迎水坡多为1∶2.5，背水坡1∶5，顶宽3-6m，堤高4-5m。凌海及辽河油田河段共有土丁坝67座，总长2110m，顺坝280座，总长13.7km。

现状堤防在无库情况下的过流能力为：沈山铁路桥以上11000m3/s，相当于无库20a一遇，铁路桥-东三义9000m3/s，相当于无库13a一遇，东三义-河口6000m3/s，相当于无库7a一遇，河口处无堤防。

1.2 现存问题分析

由大凌河历史洪水灾害、河道基本情况及防洪工程现状等情况可见，大凌河河口段主要存在以下问题：

1)大凌河河口护岸段正处于河口凹岸段，受洪水和潮汐双向来水影响，河岸塌岸现象严重，通过2000年和2014年实测大凌河河口右岸地形图进行套绘，14a间大凌河入海口三支路河道向西移动近100m，长度近2300m，使该段河道形成近90°的急转弯，右岸变成近90°凹岸，尤其是受台风暴雨影响，大凌河入海口在暴雨台风潮汐共同冲刷下，入海口河岸大面积崩岸，致使该处冲刷加剧。河道演变情况如图1所示。

2)该处下游已经经过两期护岸工程，分别于2015年6月和2015年12月完成，通过两次治理凌海市大凌河河口3000m险工段已治理完成1853m，还有1147m未治理，仍存在安全隐患。若不进一步治理，在治理完成的河段上游向上延伸，很有可能对已有成果造成威胁，并且需要治理段正处于弯段入口处，位置十分重要，崩岸现象也经常出现，如果该段河岸不建设，会对下游的温泉度假村、公路造成威胁。因此，为稳定河势，防止河岸进一步淘刷、兑地，危及河岸公路，保证周边基础设施及游人安全，降低当地投资环境风险，该段河岸护岸工程建设是十分必要的。

1.3 总体方案设计

在大有经济区入海口以上、进入海口处和过油田三支路2.2km后，大凌河总体呈南北、东西、正南走向，特别是在正南方向成90°急转弯，河道右岸严重冲刷，特别是近几年冲刷趋势更加明显。虽经经过两次岸坡防护和护岸治理，大凌河河口河岸冲刷问题还未根本解决。因此，拟在15a护岸基础上继续向上游延伸护岸520.0m，采用格宾石笼平顺护岸形式对岸坡进行防护；为防止平顺护岸坝端被洪水冲刷被毁，对平顺护岸上游采用格宾石笼进行封边处理，下游利用已建工程封边。

河岸线经多次试线比较分析，最终采取以下河岸线，平顺护岸从0+000-0+190段为衔接段，为了与2015年已建护岸平顺连接，避免出现起伏不平，需要将该段河道内淤泥清除至2015年设计沉排底高程，抛石后顶高程为1.0m，0+190-0+500桩号段护岸基本按现有河道底高程施工，不需要清除淤泥。整个护岸段由于正好处于滨河路临河段，由于当时道路施工时将杂草、建筑垃圾、生活垃圾等杂质回填到岸边，侵占了原有河岸，此次护岸需将该段回填的垃圾清除后采用沉排加抛石护岸作基础，面层采用格宾石笼，与2015年已建护岸连接[1-2]。

2 工程设计

2.1 冲刷深度计算

1)计算方法。依据《河道整治设计规范》有关规定计算河道冲刷，利用下式计算水流平行和斜冲岸坡引起的冲刷，即：

(1)

(2)

式中：hB为局部冲刷深度；hp为冲刷处水深，m，hp以近似设计水位最大深度代替；Vcp为流速平均值；V允为河床面上不冲允许流速，m/s；n为与平面上岸坡防护形状有关的参数，取n=0.25。△hp为从河底算起的局部冲刷深度，m；α为岸坡与水流流向的交角；m为迎水坡边坡系数；d为坡脚土壤粒径；Vj为水流偏斜时局部冲刷流速，m/s。

2)计算结果。根据河段位置、水深、流速、地质条件等不同情况，将工程区域划分为3个区域，即：弯顶以下区(桩号0+000-0+039)、弯顶区(桩号0+039-0+190)、弯顶上游平顺护岸区(桩号0+190-0+500)，选择0+039、0+190、0+500三个典型断面表征相应工程区域，选取相应参数进行不同条件的冲刷计算，如表1所示。

表1 大凌河口河道冲刷深度计算表

2.2 沉排设计

1)沉排压石厚度。根据水流对沉排浮力平衡条件和压石重量确定沉排压石厚度，计算公式为：

(3)

式中：t1为沉排压石；t2为沉排厚度，m；η为抗浮安全系数，取η=1.5；rt为芦苇的容重，280kg/m3；pt为重率，500kg/m3；rs为块石的容重，1600 kg/m3；ps为重率，2650kg/m3；γ为水容重，1000 kg/m3。

根据公式计算得t1=0.4m，结合以往工程经验，并与前期工程断面形式衔接，设计排厚0.3m，由于施工期潮水位影响，需将抛石厚度提高到施工期潮水位1.0m，以便于石笼施工，因此将压石厚度定为0.6m。

2)块石粒径计算。根据《河道整治设计规范》，防护工程护脚、护坡块石在水流作用下保持稳定的抗冲粒径利用下式计算，即：

(4)

(5)

式中：d为折算直径，m按球型折算；S为石块体积，m3；V为水流流速，m/s；g取10m/s2；C为运动石块稳定系数，水平和倾斜底坡C取0.9、1.2；rs为石块的重率，取2.65 kN/m3；r水的重率，取1.0KN/m3。

经计算，块石粒径d=0.24m，结合以往护岸工程实践经验，抛石粒径取0.25m。

3)排体宽度设计。根据实际经验，设计每块排的保护区域宽度为20m，考虑相邻排体搭接长度和收缩系数，采用下式计算软体排制作宽度，即：

B=B0-B1-B2

(6)

式中：B为每块排保护区域宽度，m；B0为排体制作宽度；B1为相邻搭接长度；B2为收缩量，m，其中B0=20m，B2=ζ(B0-B1)；ζ为收缩系数，动水中取0.04。根据公式计算得每块20m宽排有效宽度为B=18.24m。

4)设计型式。根据当地工程现状，综合考虑已建工程等各个方面因素，设计采用芦苇沉排上压抛石的防护型式，护脚总厚度0.9m，其中抛石厚度0.6m，抛石下垫0.3m厚芦苇沉排。沉排安装须从下游开始，依次向上游方向安装，相邻沉排叠压宽度1.5m，叠压时下游侧在下，上游侧在上。

2.3 石笼护坡设计

1)护坡厚度计算。根据《河道整治设计规范》，在波浪作用下斜坡干砌块石护坡的护面厚度可按下式计算：

(7)

式中：K1为系数，干砌石一般取0.266；rb、r为块石和水的重度，rb=2.65kN/m3，r=1kN/m3；H、L为计算波高和坡长，H=0.525(m)，L=14.618(m)；m为坡率，m=ctgα，α为坡度27(°)。经计算，护坡厚度t=0.17m，考虑现有工程经验和已建工程等各因素，确定护坡厚度为0.5m。

2)块石粒径选择。洪水时边坡流速较大，水流冲刷作用明显，单体块石的稳定是石笼整体稳定的基础，块石粒径依据《河道整治设计规范》的抗冲粒径公式进行计算，确定块石最小粒径≥25cm。

3)边坡稳定计算。依据《河道整治设计规范》有关规定，坡式防护工程稳定计算包括整体稳定和边坡内部稳定[3-4]。滑动分析采用不考虑条块侧面作用力的瑞典圆弧法，计算程序采用《北京理正岩土软件5.11版》边坡稳定分析模块进行计算[5]。计算工况选取设计枯水位下临水侧边坡，以0+282断面为典型断面，根据地质勘查的试验资料，确定岸坡各土层的设计基本数据。

依据规范中的有关规定，坡式防护工程整体稳定安全系数为1.25。经计算，岸坡整体稳定系数为1.45，即新建护岸段岸坡整体抗滑稳定，计算成果如图2所示。

图2 新建平顺护岸段边坡整体稳定计算成果图

根据护坡设计型式，对石笼本身进行整体抗滑稳定计算，计算公式如下：

(8)

式中：F为安全系数；δ为相邻两层材料间的摩擦角45°；α为坡角27°。

《河道整治设计规范》中规定，坡式防护工程的整体稳定安全系数F>1.25时，则石笼护坡整体抗滑稳定安全，设计合理[6-7]。经计算，卵石与石笼之间抗滑安全系数F1=1.96>1.25，故能够达到抗滑稳定要求。因边坡自身结构紧密，故不进行边坡内部的稳定计算。

2.4 平顺护岸顶高程的确定

大凌河河口段10a一遇洪水位3.5m，根据测量资料，河口护岸段现状岸顶高程3.8-4.2m，个别岸段偏高或偏低，为保证10a一遇洪水不上岸和保持河岸高度的一致性，确定顺坝顶高程为4.0m[8-9]。

2.5 抛石顶高程的确定

抛石顶高程的确定主要考虑施工时的可操作性，大凌河河口护岸段处于潮间带位置，施工期不仅受大凌河洪水影响，同时受潮水涨落的影响。设计施工期为非汛期，该处五年一遇汛前、讯后洪水流量357m3/s和211m3/s。根据该处主河槽宽度，汛前和讯后洪水均能对施工安全构成威胁，施工期内遇洪水时应停止施工，所以抛石顶高程的确定只考虑潮水涨落的影响[10-12]。

根据双台子河口三道沟水文站观测资料，该站多年平均高潮位1.80m，多年平均低潮位-1.12m，平均潮位1.48m。为最大限度降低抛石高度和保证施工安全及施工初期每天有足够的作业时间，确定抛石顶高程1.00m。

2.6 护岸结构设计

格宾石笼平顺护岸厚度0.5m，高度3.0m，边坡比1∶2.0，平顺护岸底部起于抛石顶面，高程1.00m，顶面至岸上，高程4.0m。平顺护岸岸上护顶宽度3.0m，底部护脚宽度3.0m；格宾石笼平顺护岸下部为抛石基础和芦苇沉排[13-15]。抛石厚度视现状岸坡确定；格宾石笼平顺护岸外缘向河道方向抛石长度按芦苇沉排铺设长度确定；抛石底部与岸坡间设芦苇沉排进行保护，沉排厚度0.3m，沉排垂直河槽方向从格宾石笼外缘算起铺设长度16.0m，大于3倍冲刷深度，沉排上抛石厚度0.6m，断面型式如图3所示。

图3 典型断面结构形式

2.7 护岸上游封边设计

为保证平顺护岸上游段安全，采用格宾石笼封边，封边垂直于河道方向，宽度与平顺护岸宽度相同，封边下部基础为芦苇沉排和抛石，上部为6层格宾石笼垒砌，每层高度0.5m[16]。

3 结 语

为彻底解决大凌河河口存在的河岸冲刷严重、防洪标准低、河底淤积等问题，文章提出在原护岸基础上继续向上游延伸护岸，采用格宾石笼平顺护岸形式对岸坡防护，对平顺护岸上游利用格宾石笼封边，下游利用已建工程封边的治理方案，以归顺水流，稳定河势，逐步实现改善河口防护的总体目标。

河岸治理覆盖范围广、涉及内容多，局部河段整治不当将直接导致全流域防洪与生态安全问题。目前，仍然采取系列工程措施维持行洪安全和河岸稳定，随着时代的发展河岸治理方案经不断弯酸，但对特定区域特定环境的设计仍存在许多风险因素和设计难点。对此，必须考虑河流特性、河岸地质条件、河道演变情况等要素，遵循护岸工程与河流生态、周边环境相协调的原则，设计科学合理的技术方案。