某大型河流浸水路基边坡防护设计方法探讨

王明利

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300251）

某大型河流浸水路基边坡防护设计方法探讨

王明利

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300251）

结合山西某大型河流浸水路基边坡防护设计实例，分析浸水路基设计的重点和难点，探讨浸水路基边坡防护设计原则和方法，详细介绍浸水路基边坡坡脚冲刷深度计算过程和方法。临河侧浸水路基边坡采用合金石笼结构防护处理，为浸水路基边坡防护设计提供设计思路和参考。

浸水路基；冲刷深度；边坡防护；石笼

0 引言

为满足我国经济的快速发展，基础设施的建设必不可少，而对于公路、铁路等交通基础设施的建设需求则更为突出。随着中东部平原微丘地区基础设施的日益完善，我国基础设施的建设重心已经向山岭重丘区、西部地区转移。山岭重丘区的公路建设为减少路基边坡支挡防护工程、开挖土石方数量、桥隧设置比例、降低工程投资，一般线位会选取沿河、沿沟设计，因而不可避免地产生浸水路基防护问题。本文根据设计实例详细讲述了某大型河流沿河浸水路基的水文计算和边坡防护设计。

1 工程概况

本项目位于山西省境内，项目的位置关系如图1所示。由于山脚处修建煤炭储运装系统的受煤区占压既有公路，因此需将既有公路向临河一侧改移，改移后的公路不仅要满足车辆通行要求，而且更为重要的是作为受煤场外侧的防护工程，要保护受煤场洪水期的安全，故必须保证改移后公路的安全、稳定。

改移公路采用二级公路，路基宽度12 m。

地质概况：项目区地质情况较为复杂，钻孔揭示存在粗砂、砂砾、中砂、卵石土、粗圆砾土、细圆砾土、粉砂、细砂、粉土、粉质黏土、泥岩、砂岩等多种地层，且除起点处基岩埋深较浅，其余段落基岩埋深较深，最大埋深超过25 m。

图1 项目位置关系图

2 反冲刷深度计算

本项目设计的关键点是项目路堤坡面和坡脚的冲刷掏蚀作用的防治，其中坡脚冲刷深度的确定是难点。

2.1 水文模型试验

由于项目区域并无完整的水文观测资料可以利用，为取得计算所需基础数据，采用平面二维水流-泥沙数学模型和物理模型两种方法进行研究。

物理模型主要通过控制几何相似、水流运动相似、泥沙运动相似等比尺指标，可以做到模型与原型的基本相似。通过清水定床整体模型和清水动床整体模型的设计和计算，确定模型主槽及滩地糙率、底沙粒径比尺、冲淤时间比尺、含沙量、起动流速等比尺关系，见表1。整体模型的模型沙系大颗粒粒径范围为 2～8 mm，模型的糙率在0.017～0.021，与要求的糙率比较接近。

2.1.1 模型率定与验证

清水定床条件下，二维水动力学模型和物理模型分别通过2012年和2013年枯水流量率定主槽糙率，通过2003年大洪水率定滩地糙率，最后采用1977年大洪水对率定糙率进行验证。清水动床条件下，物理模型对河床冲刷历时进行验证。

表1 模型比尺计算

2.1.2 清水定床率定与验证

在清水定床条件下，通过2012年和2013年枯水流量率定主槽糙率，通过2003年大洪水率定滩地糙率，最后采用1977年大洪水对率定糙率进行验证。

率定和验证结果显示数学模型和物理模型水面线与实测水位、洪痕水位基本一致，且数学模型和物理模型结果相差不大，误差在合理范围内，由此确定主槽糙率为0.02，滩地糙率为0.03。

2.1.3 清水动床验证

根据整体动床模型预备试验资料，模型进口施放恒定流量Q=20 000 m3/s，试验历时1 h，相当于原型历时20h，公路路基坡脚处河床冲刷深度基本达到稳定，因此，正式试验时，原型历时取20 h。

根据该段河流水文站1977年和2003年实测洪水流量过程，原型一次洪水过程历时约为5～10 h，本次试验原型历时取20 h，远大于一次洪水过程历时，且试验流量按恒定流控制，洪量远大于一次洪水过程洪量，因此，模型试验路基坡脚处河床冲刷深度成果是偏于安全的。

数学模型模拟流场分布如图2所示，物理水文模型试验照片如图3～图5所示。

图2 项目流场模拟图

图3 水文模型试验前

图4 水文模型试验过程中

图5 水文模型试验后

2.2 理论计算

理论计算采用《公路设计手册（路基）》[1]中公式计算，本工程防护工程的冲刷深度包括河床自然演变冲刷、一般冲刷、局部冲刷三部分[2]。

2.2.1 河床自然演变冲刷深度

根据参考资料[3-4]，该河段60年间年均冲刷厚度为0.037m。从未来50年安全性考虑，河道50年最大平均冲刷深度累计为1.85 m。

2.2.2 一般冲刷深度

一般冲刷深度计算公式：

式中：hpm为一般冲刷深度，m；h为冲刷建筑物前的水深，m；λ为冲刷系数。

根据各断面的冲刷系数和各断面坡脚前水深可计算各断面位置的一般冲刷深度为0.44～1.83 m。

2.2.3 局部冲刷深度

局部冲刷深度计算公式：

式中：hpj为建筑前局部冲刷深度，m；V为行进水流的平均流速，m/s；g为重力加速度；m为建筑的边坡坡率；d为冲刷过程中裸露出来的河床表层土颗粒筛分达到15%以上重量的粗颗粒直径；α为水流方向与防护建筑迎水面切线的交角。

采用二维数学模型模拟和物模试验中得到的路基坡脚处流速和水流冲刷夹角最不利数据进行取值计算，得到不同里程位置的局部冲刷深度为3.23～5.75 m。

2.2.4 工点处总冲刷深度

按里程位置汇总以上资料及计算结果，得到不同里程位置的冲刷深度为5.6～9.08 m。

2.3 冲刷深度分析

根据水文模型试验和理论计算两种不同的方法得到计算不同里程位置的冲刷深度，见表2。

表2 冲刷深度值

根据结果对比两种方法得到各个位置的冲刷深度，采用水文模型试验得到的最大冲刷位置在K0+550处，最大冲刷深度9.04 m，采用理论计算得到的最大冲刷位置在K0+600处，最大冲刷深度9.08 m，采用两种方法得到的冲刷深度具有相同的规律性，即冲刷最不利位置在K0+550～K0+600，最大冲刷深度值9 m左右。

3 路堤坡脚外侧平面防护

为保证路堤坡脚被水流冲刷后的安全，临河侧路堤坡脚外侧设置平面防护，平面防护长度（垂直于路线前进方向）按《铁路工程设计技术手册（路基）》[5]中的公式计算：

计算所需平面防护长度为12.1～19.54 m。

4 路堤边坡坡面防护

路堤迎水面边坡冲刷防护设计参照类似工程的实际经验，采用双绞合六边形钢丝加筋格宾填石结构（石笼结构）。石笼结构的稳定性设计参照水利工程堆石坝设计经验，对石笼护坡层进行稳定性计算。

石笼护坡层在堆石推力下的稳定计算如下。

在水平堆石面深度h处的单位面积推力p为

高度为h的石笼护坡层承受力为

如果按式（5）求得总推力P小于石笼层重W，则认为石笼层在堆石推力作用下是稳定的，反之则需要通过加大石笼层厚来增加石笼层重W，以达到稳定[6]。

本项目迎水面路堤边坡坡率初拟采用1∶3，综合考虑搭接长度，石笼结构尺寸宽×长×高为2 m×4 m×0.6 m，如图6所示，经计算满足稳定性要求。

图6 石笼结构图

5 路堤防护横断面设计

综上所述，本项目路基临河侧典型防护断面形式如图7所示，设计水位以上边坡采用浆砌片石护坡防护，设计水位以下边坡采用石笼结构，坡脚外侧设置石笼平面防护，并在坡脚处设置反压石笼。

图7 典型防护断面图

6 结语

本文结合山西某浸水路基边坡防护设计实例，通过采用水文模型试验和理论计算两种方法求得了浸水路基设计的重要计算参数冲刷深度值，经过对比分析验证了两种方法求得的冲刷深度值的可靠性。防护设计中选用了较为经济合理的石笼结构，随着新材料合金石笼的应用，弥补了以往铅丝石笼强度低、耐腐蚀性差、使用寿命短等缺点，而且石笼结构在国外应用较为普遍，已经成为生态工程的重要组成部分，石笼结构在浸水路基防护中将会得到更广泛的应用。

[1]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册（路基）[M].2版.北京：人民交通出版社，2001.

[2]JTG C30—2015，公路工程水文勘测设计规范[S].

[3]程龙渊，弓增喜，和瑞莉，李静，宋海松.沙量平衡法计算冲淤量的不确定度——兰州到花园口河段 [J].泥沙研究，2001(2)：70-76.

[4]黄河中游水文水资源局.黄河中游水文（河口镇至龙门区间）[M].郑州：黄河水利出版社，2005.

[5]铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册（路基）[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[6]凌天清，汤东，郑智能.石笼在填石路堤边坡防护中的应用[J].西部交通科技，2007(1):10-13.

U417.1+2

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1009-7716（2017）04-0051-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.015

2016-12-12

王明利（1984-），男，河北承德人，工程师，从事道路设计工作。