嫩江白沙滩险工护岸工程设计

2012-06-30田伟峰李佩南

东北水利水电 2012年10期

黄俊，田伟峰，李佩南，王禹

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.中国水利水电第二工程局有限公司，北京100120）

1 工程概况

白沙滩险工段位于嫩江右岸黑龙江省与吉林省交界处，起于黑龙江省境内宁姜电灌站，止于吉林省境内白沙滩电灌站，全长约3.329 km。其中黑龙江省境内1.541 km，吉林省境内1.788 km。

白沙滩险工段处于嫩江主流凹岸顶流冲刷区，地形坡陡、岸高，局部地段边坡达70°，陡岸岩性主要是细砂，岸顶至河道地面高差达25 m，沙坡裸露。受洪水冲刷，退岸严重。平均每年以2 m的速度坍塌退岸，50年间坍塌退岸100余米。据1998年洪水观测资料，最大一次一天水平坍塌4～5 m。

2 工程地质条件

白沙滩险工段在地貌上属于嫩江冲积平原，所处的河谷宽度500余米，枯水期水面宽100 m，水深2.0～3.0 m；河流两岸均分布有宽阔一级堆积阶地，阶面较平坦，微倾河床，高出水面5.0～8.0 m，地面高程134～138 m，一级堆积阶地之上为风积而成的砂土岗地，地面高程135～155 m，相对高差5～15 m。陡坎高出河水面5～25 m，陡坎随河流呈弧形弯曲，地形坡度 60°～70°。

出露的地层岩性主要为第四系上更新统诺敏河组的冰水沉积物砂壤土、壤土、细砂等；第四系全新统河床冲积物细砂、风积物砂壤土、粉细砂层。其结构较松散，遇水易崩解，抗冲刷及抗渗性能较差。

3 气象条件

工程所在地气候特点是：四季分明，春季干旱多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽温差大，冬季寒冷降水稀少，属温带大陆性季风气候。工程所在地年平均气温为4.4℃，10℃以上稳定通过初日为5月2日，终日为9月30日，其间隔日数为152 d。初霜一般出现在9月25日前后，终霜日期为5月15日，无霜期134 d。多年平均降水量为377.1 mm，6—9月降水量占全年的71.2%，由于受季风气候的强烈影响，冬春季多西北风，夏秋季多西南风，风日多，风速大，最大风速可大25 m/s。多年平均风速为3.5 m/s。多年平均蒸发量在1840 mm左右，年内蒸发量以4—5月为最大，占全年蒸发量的25%左右。

4 设计洪水及水面线

暴雨是形成嫩江流域洪水的主要原因，暴雨多发生在7—8月，约占暴雨次数的80%左右。嫩江流域由于受北来系统的影响，易出现连阴雨天，雨强不大。但由于连阴雨中易出现暴雨，而且影响广阔，因此也能造成大洪水。如1998年大洪水。暴雨的一次过程在3 d左右，主要雨量集中在1 d，暴雨移动规律一般是从大兴安岭东南坡移向小兴安岭西南坡。

年最大洪峰流量多出现6—9月，尤以7—8月最多；洪水以单峰居多，个别年份也出现多峰或双峰，嫩江干流洪水历时一般为40～60 d，洪量主要集中在15 d。大赉以上洪水主要以上游来水为主，江桥至大赉区间来水很少。

嫩江干流的防洪标准为50年一遇洪水，干流堤防按35年一遇洪水标准设计，尼尔基水库建成后，防洪标准提高到50年一遇。相应设计流量、设计水面线、设计枯水水面线见表1。

表1 水面线成果表（p=2.86%）

5 工程设计

根据河势演变分析，岸坡地质组成，工程措施采取坡式护岸，坡式护岸的上部(枯水位与设计水位之间)采用机织模袋混凝土护坡；下部(枯水位以下)护脚部分采用软体沉排护脚。设计洪水位以上，由于堤岸岩性主要是细砂，其抗雨水冲刷能力较差，采用拱形砖砌体及植物措施护坡。

坡式护岸工程其结构由枯水平台、脚槽、坡身、封顶四部分组成。脚槽顶面高程按高于设计枯水位1.0 m设计。护坡顶高程采用设计洪水位加0.5 m超高，设4 m宽平台，作为渡汛抢险施工道路，并便于混凝土灌注，护坡顶部与平台结合部位设50 cm×40 cm(宽×高)混凝土封顶。

1）软体沉排护脚

由于白沙滩险工段为风积而成的沙土岗地，组成岸坡的岩土多为砂壤土、细砂，其结构较松散，遇水易崩解，抗冲刷及抗渗性能较差，为防止坡式护岸工程基础受水流淘刷影响其结构稳定，对岸坡坡脚进行防护。

嫩江常用的护脚结构型式有抛石、石笼、软体沉排等。

a）抛石护脚是普遍采用的一种护岸结构形式，取材容易、施工简单，且造价较低。无论新护、加固均可应用；但其工程整体性差，在水流的长期冲刷下，部分块石会流失，从而降低工程效果，因而需要经常性的维护加固。

b）石笼方案系用铅丝或荆条等材料做成网状笼状结构，内填块石、砾石或卵石，以增强抗冲能力和整体性，这种方法在各地均有所应用。其缺点是施工过程中受水流变化的影响较大，不易形成密实整体。

c）软体沉排是用土工织物缝接成一定尺寸的排布，在排布上加一定的压重形成的一种防冲结构。根据被保护基土的颗粒组成、土工织物的孔径大小、抗拉强度以及受力的大小，排布可以采用单层、双层、单层加网绳或双层加网绳。压载材料和形式有块石、土枕、土袋、铁丝石笼、联锁混凝土板块、土工网格石笼、石笼网格充填土袋混合压载等。软体沉排优点是在保持防护结构的整体性同时能够适应地形的变形变化。

白沙滩险工段为主流逼岸段，现有地形、地质和水流条件适宜采用软体沉排护脚。

依据河势演变分析、岸坡地质组成，桩号K0+000～K0+140.60设计枯水位以下采用干砌石护坡、护底，桩号K0+140.60～K3+329设计枯水位以下采用软体沉排，排首锚固采用铁丝石笼锚固槽法。槽宽1.0 m、槽深1.35 m，在锚固槽底部每隔2.0 m，楔入一根φ28，长2 m锚筋锚固。排体压载型式采用石笼网格充填砂土袋混合压载。石笼断面尺寸50 cm×35 cm（宽×高），框格为 4 m×5 m，框格内采用砂土袋压载。根据本工程的施工特点（冰上沉排）和施工设备及经验，本设计排体宽度定为200 m。根据河势分析，考虑本段近岸最大冲刷深为5.0 m，最陡稳定边坡为1∶3，分析确定排体长度为15 m。按现有1∶6～1∶10边坡进行铺设。其主要材料设计指标为：

块石：抗压强度30 MPa。

编制布排设计指标：上层针刺涤纶短丝无纺布，纵横向抗拉强度不小于225 N/5 cm，延伸率不小于25%，撕裂强度不小于120 N，CBR顶破强度不小于600 N；下层涤纶机织长丝土工布，纵向抗拉强度不小于2000 N/5 cm，横向抗拉强度不小于1500 N/5 cm，延伸率不小于25%，CBR顶破强度不小于4000 N。

8号镀锌铁线：抗拉强度T不小于380 N/mm2，伸展率12%，锌层量不小于30 g/m。

编织袋：聚乙烯编织袋，伸长率20%～25%，CBR顶破强度不小于1450 N，撕裂强度不小于190 N，抗拉强度不小于750 N/5 cm。

2）机织模袋混凝土护坡

为阻止白沙滩险工段受风浪、水流淘刷形成进一步退岸，堤岸岸坡采用工程措施进行防护。岸坡防护形式比较了贴坡式挡土墙、机织模袋混凝土及干砌石护坡三种型式，其中模袋混凝土与干砌石护坡工程造价相当，但从后期运行维护及结构可靠性上，模袋混凝土要优于干砌石护坡；贴坡式挡墙方案，虽然占地较少，但其施工难度较大，需修筑施工围堰，且工程造价较高。

模袋混凝土护坡方案具有结构简单、施工难度小、速度快、工程造价低等优点。因此，本着经济、合理的原则，本次设计采用模袋混凝土护坡方案。

虽然目前国家尚无有关模袋混凝土方面的规程规范，但在全国各地水利工程的应用已相当普及。实践验证，已达到其相应效果，在适应其相应的条件下更显现出它的优势。

根据计算结果，由细砂组成的白沙滩险工堤岸，稳定边坡采用1∶3，模袋混凝土护坡平均厚度经计算采用12 cm，模袋混凝土标号：C20F200，下铺400 g/m2长丝无纺布反滤。模袋混凝土护坡顶部设混凝土封顶，尺寸为50 cm×40 cm（宽×高），模袋底部埋入地面下80 cm，并对回填土进行夯实。

根据其它工程应用情况确定模袋规格及有关指标参考如下：

模袋布单层质量不小于240 g/m2，抗拉强度纵向不小于45 kN/m，横向不小于40 kN/m，伸长率纵向小于35%，横向小于30%，等效孔径φ90≤0.3，CBR顶破强度不小于4.5 kN，垂直渗透系数不小于0.005 cm/s；模袋布筋绳强度不小于0.6 kN，模袋布筋绳伸长率小于25%，铰链绳采用丙纶，直径12 mm，强度不小于8 kN，延伸率不小于35%，垂直水流方向间距1 m布置；成型模袋混凝土平均厚度15 cm。

3）设计洪水位以上植物护坡

根据工程需要，护坡上部设计水位以上部分陡坎需削成稳定边坡，依据计算结果，稳定边坡比为1∶2.0。由于岸坡土体主要为0.10～0.25 mm粉细颗粒，其抗冲刷能力极差，岸坡开挖完后在2003年雨季受到雨水的冲蚀，出现数条1.5～2.0 m深的冲沟。根据现场情况，边坡采用拱形混凝土护坡，岸坡顶部采用20 cm×20 cm封顶混凝土。由于该方案需预制大量混凝土块，工期不能满足要求，同时附近亦无较大预制场地，在不增加投资情况下，现场进行了现浇混凝土拱形护坡及拱形砖砌体护坡两种护坡形式的现场试验，根据试验效果从施工进度及施工难度两方面考虑岸坡上部护坡采用拱形砖砌体护坡。

通过现场试验，桩号K0+547～K2+873岸坡上部拱形砖砌体护坡根据结构需要，拱脚处平砌砖改为垂直坡面立砌砖，砖砌体圆弧顶部立面砂浆抹面取消，砂浆抹面立面高度原为20 cm现改为15 cm，砌体、抹面砂浆均采用M15F50。拱形砖砌体混凝土封边根据现场情况每3 m或5 m采用二毡分缝。拱形护坡结构形式的调整进一步优化了原设计方案，从而保证了施工进度及降低了施工难度。