河湖抛石护岸工程的设计与应用浅探
2015-12-12姚建忠朱智兵胡念凡
姚建忠 朱智兵 胡念凡
(1.金湖县河湖管理所,江苏 淮安 211600;2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223005;3.淮安市水利物资开发有限公司,江苏 淮安 223005)
0 引言
抛石防护法[1]是指通过机械或人工抛投块石、卵石等人工或者天然石料,在指定区域堆砌形成符合设计要求的结构,使之具备某种特定功能的施工方法。在各种类型的护岸中,水下抛石防护是一种古老的防护型式,由于其材料来源丰富,施工技术简单,施工进度快,便于维修养护,抗冲性较强,而且能较好地适应河床变形,同时,抛石岸面较为平顺,对水流、河床的自然形态影响较小,因此对一些堤外滩较窄、水流冲刷严重、深泓逼岸、岸线崩退严重的堤段进行水下防护时得到广泛应用,工程效果较好,但是缺乏系统的设计方法。笔者在金宝航道工程、淮安市白马湖堤防险工段应急处理工程等实践的基础上,通过查阅相关文献、规范,对水下抛石防护的设计与应用方法做了初步探讨,可为其它工程提供参考。
1 工程概述
(1)金宝航道工程。金宝航道位于扬州市宝应县和淮安市金湖县境内,是南水北调东线一期工程的重要组成部分,全长66.88 km(裁弯后64.4 km),是一条集输水、通航、灌溉、排涝为一体的综合性河道,设计流量为150 m3/s。金宝航道弯道较多,在设计输水规模下,水流流速较大,为减少水流对凹岸河坡的冲刷,需对凹岸顶冲段进行抛石防护。
(2)白马湖堤防险工段应急处理工程。为恢复白马湖调蓄功能,提高其抵御自然灾害的能力,淮安市实施了白马湖退圩还湖及清淤工程,随着工程的实施,白马湖水面开阔起来,风浪对堤防的影响逐渐表现出来,多处堤防受风浪冲刷,迎水面坡面呈陡立状,堤防安全受到影响,故需对白马湖迎湖面险工段堤防进行应急加固处理。
2 抛石防护设计
(1)块石材料要求。块石要求石质坚硬,遇水不易破碎、软化或水解,石头强度等级不低于MU80,湿抗压强度大于50 MPa,软化系数大于0.8,比重不小于26.5 kN/m3。不允许使用风化石、泥岩和薄片、条状、尖角等形状的块石。
(2)边坡。抛石护岸坡度宜缓于1∶1.5,一般情况下控制在1∶1.5~1∶4,冲刷比较严重处局部水下抛石可按缓坡抛投,以确保底坡稳定。
(3)块石粒径。块石粒径是关系到工程质量好坏的主要技术指标之一,块石粒径要便于抛投,并能抵卸水底最大流速的冲击,还要能在河坡上保持稳定。根据已建工程经验,抛石粒径宜在0.25~0.45 m,最下层抛石粒径宜适当加大,便于挤淤和稳定。
(4)块石的质量。根据工程经验,石料单块重量不小于10 kg,若采用人工抛石,单块石料的重量以不超过30 kg 为宜。采用人工块体或经过分选的块石作为斜坡的护坡面层且斜坡坡率为1.5~5.0 时,波浪作用下单个块体、块石的质量Q 按式(1)计算[2]:
式中:
Q—主要护面层的护面块体、块石个体质量(t),当护面由两层块石组成,则块石质量可在0.75Q~1.25Q 范围内,但应有50%以上的块石质量大于Q;
γb—人工块体或块石的容重,kN/m3;
KD—稳定系数,按规范表确定;
m—斜坡坡率。
在水流作用下,防护工程护坡、护脚保持稳定的抗冲石块重量W 按式(2)计算[2]:
式中:
W—石块重量,kN。
(5)粒径级配设计。抛石的级配影响护坡的稳定性。若粒径相差不大,石块之间空隙大,小粒径级配适宜的抛投块石可以增加覆盖层次,减少孔隙,改善内部连接,防止河床泥砂淘刷,增强对河床的防护效果。当抛石块体有级配时,大块石起到抗冲稳定作用,小块石起到保护床沙的作用,并且大块石对小块石起到隐蔽保护作用,减小了水流对小块石的冲击;小块石对大块石则起到增加摩阻作用,增强了大块石的稳定性。抛石级配料也可结合合成材料或其他纤维材料,加强反滤隔离功能,减少波浪对边坡的冲淘,增强护坡防护效果。一般抛石的粒径级配满足式(3)要求:
式中:
d—平均抛石粒径,m;
dmin—最小抛石粒径,m;
dmax—最大抛石粒径,m。
(6)抛石厚度设计。抛石厚度t 不宜小于抛石粒径的2 倍,水深流急处宜增大。抛石厚度可根据式(4)估算:
式中:
t—抛石厚度,cm;
γs—抛石容重,kN/m3;
dmax—最大抛石粒径,cm。
金宝航道工程全长1.3 km,抛石护岸防护上限至河底,下限至混凝土预制块护砌或浆砌块石护砌的下限。抛石护坡根据不同工情下流速情况,利用以上公式计算,弯曲段护岸抛石粒径采用0.3~0.45 m,抛石厚度为0.6~1.0 m,护岸坡度采用1∶3~1∶4。白马湖堤防险工段应急处理工程在迎湖面采用抛石护岸防护,全长1.5 km,设计顶高程为7.5 m,顶宽1.0 m,抛石粒径采用0.3~0.4 m,抛石厚度为0.6~0.8 m,坡比1∶2~1∶3,冲刷比较严重处局部水下抛石按坡比1∶4 抛投。
3 施工控制要求
3.1 抛石平面控制
平面控制就是控制抛石范围,既不能抛偏又不能漏抛。抛石范围较小时,可采用水上浮标加岸上标桩来控制抛投范围。水上浮标,即根据施工段的抛投宽度提前丈量好到岸边的距离,然后在相应水面放置浮标并固定。同时在岸边对应浮标的位置打一木桩并编号,作为标桩。标桩与浮标每15 m 设置一组,将水面浮标之间的连线作为抛投宽度的控制线,抛投时可以稍微过线一点,以保证不漏抛,但不能过线太多形成超抛。
块石在下抛过程中,因为水流的作用,块石会向下移动,因此,在投抛前要计算块石的冲距,以便算出抛石在水流作用下移动的距离,保证抛投位置的准确。抛石冲距可采用张瑞瑾阻力平方区块石流速公式计算:
式中:
L—块石水平落距,m;
V—抛石部位水面流速,m/s;
H—水深,m;
W—块石重量,kg。
3.2 抛石高程控制
抛石高程控制,即抛石面的标高控制。控制标高措施主要有:
(1)抛前测量。抛石水域的河床高程是变化的,所以各点的抛石量也不尽相同,若各点只是均匀抛投则不能保证设计标高。故抛投前要测量清楚抛投区河床的情况,再根据水下地形,制定具体详细的抛投方案。
(2)均匀抛石。对局部高程较低的区域作填平处理后,使抛石区河床地面大致平整,正式抛石时要做到均匀抛投。均匀抛投在现场主要根据抛石方量来控制,块石在下水前由专人现场测量方量并记录。
(3)随时测量。抛石过程中要随时测量抛石面的高程。在一段抛石结束后,立即派专人下水摸探,以检查抛石范围和均匀度是否符合要求,发现问题及时补救。
(4)质量检查与修补。在每个施工段抛石结束后,应由专人配合监理人员对抛石质量进行复查。主要检查抛石的范围、高程和平整度是否符合设计要求,检查石料是否分离,块石是否稳固。若有漏抛或少抛的地方,应及时使用浮标做标记并立即补抛,做好现场记录。
3.3 施工准备
施工前要进行生产性试验,通过试验,找出控制参数,作为指导施工作业的控制依据。水下抛石施工前及完工后,要委托有专业资质的测量单位进行水下测量。
3.4 施工技术要点
一是提前做好断面和内侧湖堤堤脚外的测量工作,做好石方调配工作;二是抛石棱体定线放样,在水域需插设浮标杆,若相邻断面尺寸不同,应加密插设标杆,以保证断面间平顺连接;三是抛石棱体达到预定断面,并经沉降初步稳定后,立即按设计轮廓将抛石体整理成型。
3.5 施工安全要点
在施工期间,要精确地将抛石的堤脚线放样出来,施工过程及施工结束后,要密切观察抛石棱体的稳定性。在抛石棱体稳定前,避免机械和人员在抛石平台上作业。在通航河道上实施抛石工程,应在抛石区域增加安全标志,保证通航安全。
4 结语
经过几年的运行,金宝航道工程、淮安市白马湖堤防险工段应急处理工程的河岸及堤防边坡稳定,抛石护岸防护效果明显。实践证明,抛石护岸防护具有施工技术简单,施工进度快,工程效果好等优点,工程实施后可有效抗风浪冲刷,减小风浪爬高,且适应变形能力强,在堤外滩较窄、水流冲刷严重、深泓逼岸、岸线崩退严重的堤段具有广泛的应用前景。
[1]陶亦寿,谭界雄,董建军,等.中国堤防工程施工丛书3——抛石法[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部,GB50286-2013 堤防工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2013.