新开西河生态护岸工程设计探析

曹 峥

(辽宁石佛寺供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110001)

1 概述

新开西河位于大洼区北部，南北走向，下游河口与南河沿河相连，是区内主要的排涝和灌溉蓄水河道。旱季可通过沿线抽水站抽水灌溉；汛期可通过开启挡潮闸进行涝水自排，当辽河水位相对较高时，可通过南沿河和南沿河排灌站进行机排。河道全长约17.65km，现状河底宽8～23m，河口宽14～30m，边坡1∶1～1∶2.0，比降1/20000。两岸多为农田及村庄，部分段河道已种植杨树，河道交叉建筑物较多。

2 岸坡工程现状

项目区河道属于平原地区，地势较为平坦，岸坡基本为自然土坡，未做任何防护，迎流顶冲部位经过多年雨水冲刷，现状岸坡不整，水土流失严重，威胁到河堤的安全。

岸坡整治工程本着全面规划、综合治理的原则，根据工程区内现有护坡、护岸布置，协调上下游、左右岸关系，确定防冲保护区域。据工程区保护范围，考虑地形、河势发展、洪水流向、流速、基础土质、规划要求、周边环境等因素，通过经济技术比较，河道按护岸工程尽可能利用现有地形，修筑在较稳定的滩岸上，并尽可能避开软弱地基、深水地带、古河道、强透水地基。在满足防洪前提下合理确定河宽，尽量减少占地、房屋拆迁，并利于防汛抢险和管理的情况下布置。

3 护岸结构设计

3.1 护岸型式比选

针对上述存在问题拟沟河两侧迎流顶冲部位岸坡进行护砌，以保证河道顺畅、岸坡安全稳定。沟河的护岸，主要以安全、稳定、景观、生态、自然亲水性的完美结合，选择适当的生态型护岸结构和护岸材料，对着力构建亲水型防洪减灾、自然型生态修复、景观型岸线利用为重点的生态护岸型式具有重要意义。常见的护岸型式主要有坡式护岸、坝式护岸、墙式护岸、桩式护岸、生物护岸等，根据上述设计原则结合实际情况，本次设计拟选择坡式护岸、墙式护岸进行比选。

方案一：河底至设计水位+0.5m采用1∶2的联锁式生态砌块护坡，坡脚设C20素混凝土镇脚，0.4m×0.6m(深×宽)，坡顶设C20素混凝土压顶，0.3m×0.5m(深×宽)，设计水位+0.5以上至地面采用1∶2的三维植被网护坡，地面布置景观带，断面结构布置型式见图1。

方案二：设置亲水平台，亲水平台上布置仿木栏杆，平台下采用1∶2的联锁式生态砌块护坡，坡脚设C20素混凝土镇脚，0.4m×0.6m(深×宽)，坡顶设C20素混凝土压顶，0.3m×0.5m(深×宽)，平台至地面采用1∶2的三维植被网护坡，地面布置景观带，断面结构布置型式见图2。

方案三：河底至地面采用直立式挡墙，墙顶设0.5m×0.2m(宽×高)的C20素混凝土压顶，墙身为M10浆砌石，背水侧坡度为1∶0.5，底部为厚0.5m的C20素混凝土底板，底板向临水侧、背水侧各延伸0.5m，底板下做0.1m厚的碎石垫层，地面布置景观带，断面结构布置型式见图3。

图2 方案二断面结构布置型式

图1 方案一断面结构布置型式

图3 方案三断面结构布置型式

三种方案优缺点见表1。

三种方案(每延米)工程量及投资比选见表2。

根据方案比选结果，从生态、景观效果及施工、技术实用和工程投资等方面综合考虑，并结合治理河道多、范围广的特点，本次河道护岸型式主要采用方案一。

表1 护岸型式优缺点比选

表2 三种方案(每延米)工程量及投资比选表

3.2 护坡材料选择

常见的护坡材料有草皮、三维植被网、砌石、现浇混凝土、生态混凝土预制块、生态袋、模袋混凝土等。综合考虑河道地形、地质、水流、工程造价、施工条件和河道总体布置等因素，结合近年来河道整治工程中取得的成功经验，迎水侧斜式护坡结构选择草皮护坡、砌石护坡、生态砌块护坡、混凝土预制块护坡、生态袋护坡等几种常见的护坡结构进行比较。

(1)草皮护坡：造价最低，但易受人畜破坏，且抗冲刷能力差，不宜用于存在急流的岸坡迎水面。

(2)三维植被网护坡：三维植被网护坡对边坡的稳定极为有利，防护效果非常好。近年来出现的三维植被网护坡技术不仅显著提高了边坡的整体和局部稳定性，而且有利于边坡植被的生长，同时工程造价较低。可以保持草籽均匀的分布在坡面上，免受风吹雨淋而散失。网垫能大量吸收热能、增强地温、促进草籽发芽、延长植物的生长期。植物生长起来形成的复合保护层可经受高水位、大流速的水流冲刷。

(3)砌石护坡：包括干砌石护坡、浆砌石护坡等。砌石护坡一般能就地取材，充分利用当地资源，由于块石表面粗糙不平，与水体之间摩擦大，能够起到一定的消浪作用，同时砌石护坡本身能很好的经受风浪水流冲刷，其中干砌石适应变形能力强，浆砌石较差。但不能机械化操作，受当地材质、石料尺寸影响大，护砌厚度难以保证，且浆砌石将坡面完全封闭，隔绝了坡面与水体间的联系，生态和景观效果较差。

(4)六菱块护坡：造价略高，但整体性好，强度高，本身受风浪水流的影响小，能机械化施工，工期短；因其表面平滑，消浪作用小，对堤坡变形适应性较差，如开孔种植草皮，需在护坡下设置反滤层和土工布防止边坡土体的掏空，草皮覆盖率也较低。

(5)生态袋护坡：整体受力，稳定性好，对冲击力有很好的缓冲作用，抗震效果好，适应地基变形性好，施工方便，生态及景观效果好；但造价较高，且抗冲刷能力稍差。

(6)联锁式生态砌块护坡：联锁式生态砌块是由干硬性细石混凝土经全自动混凝土成型机高速振动加高压制成，每个砌块与周围砌块共同联锁咬合固定，形成整体性护坡，联锁式生态砌块通常采用开孔型护坡砖，并在混凝土中添加了醋酸纤维等高分子物质，有助于种植植被，绿化护坡，增强水体的自净能力，改善河道水质，联锁式生态砌块将水、河道、岸坡植被连成一体，在自然地形、地貌的基础上，建立阳光、水、植物、生物、土体、护坡之间的河道生态系统。

(7)模袋混凝土护坡：模袋混凝土护坡技术由于具有施工简单、效率高且可直接在水上或水下进行施工等特点，其主要作用为防风浪、抗冲刷。采用模袋混凝土护坡结构，不仅可以加快施工进度，减少施工期干扰，而且减少护坡维修工程量，且有利于工程日常管理，护坡外观整齐美观。但生态和景观效果较差。

以上7种护坡型式工程造价对比见表3。

表3 护坡型式工程造价对比表 单位：元/m2

综合以上对生态及投资影响，本工程设计河道护坡主要采用三维植被网护坡，考虑河道存在多处迎流顶冲段，为减少水流对河道两岸的冲刷，拟在河道迎流顶冲段及居民区段采用生态砌块护坡。

3.3 护坡设计

3.3.1 护坡结构设计

护坡：C20混凝土自锁式混凝土预制块护坡，厚0.12m；护坡顶至设计水位+0.5m。

压顶：坡顶设C20现浇混凝土压顶，横断面尺寸0.3m×0.5m(宽×高)；框格隔埂：沿坡线每隔20m设置一道C20现浇混凝土框格，横断面尺寸0.3m×0.4m(宽×高)。

固脚：坡底设C20现浇混凝土固脚，横断面尺寸0.4m×0.6m(宽×高)。

3.3.2 护坡厚度复核

护坡厚度计算参照GB50286- 2013《堤防工程设计规范》附录D.3.3，计算在波浪作用下护坡的护面厚度，计算结果t=0.03m，根据工程经验和方便施工要求，设计取护坡厚度为0.12m。

3.4 护坡工程布置

岸坡整治工程本着全面规划、综合治理的原则，结合河道现状，本项目区西开西河和螃蟹沟需要岸坡整治的工程河段主要为迎流顶冲段部位及居民区，护岸总长11.95km，型式为生态砌块护坡。

3.4.1 岸坡稳定现状

项目区河道属于平原地区，地势较为平坦，岸坡为自然土坡，基本未做任何防护，部分岸坡崩塌，坡面不规则，水土流失严重。但从堤防多年运行情况来看，大堤历经多次洪水考验，绝大多数堤防基本处于稳定状态，滑坡现象并不多见。

3.4.2断面选取

根据工程地质勘察报告，结合地形条件、堤身高度及堤基、堤身填土条件、历年汛期出险情况等因素，选取5个具有代表性的断面进行分析。

3.4.2 计算方法

根据GB50286- 2013《堤防工程设计规范》，计算工况选取以下工况：水位骤降期(设计洪水位)和施工期。其中水位骤降期工况水位为洪水位骤降0.5m，施工期为墙前后无水，采用瑞典圆弧滑动计算法中的有效应力简化法计算，公式如下：

(1)

式中，b—条块宽度，m；W1—在堤坡外水位以上的条块重力，kN；W2—在堤坡外水位以下的条块重力，kN；β—条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，度；γω—水的重度，kN/m3；C′、φ′—土的抗剪强度指标，kN/m2、度。

各土层的C′、φ′取值详见工程地质设计值。由于大堤形成年代久远，堤防基本固结，堤坡稳定计算中C′、φ′值取值如下：堤身土质取饱快小值均值，堤基各土层取自快小值均值，砂层C′=0、φ′=300。

计算成果见表4。

4 结语

计算结果表明，现状堤身大部分堤段是稳定的，故本次设计河道护坡主要采用三维植被网护坡，但考虑到河道存在多处迎流顶冲段，为减少水流对河道两岸的冲刷，对河道顺直段，设计水位以上0.5m至河岸采用三维土工植被网草皮护坡，设计河底至设计水位以上0.5m进行岸坡平整，并在水位变动区种植水生植物；局部易冲刷段村镇等居民密集区(总长11.95km)，设计河底至设计水位以上0.5m采用多孔生态砌块进行护砌，设计水位以上0.5m至河岸仍采用三维土工植被网草皮护坡。

表4 现状岸坡稳定计算成果表