永定河左堤泛区段险工设计方案比选

马静辉

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 工程概况

永定河左堤（泛区段）险工共有7处，分别是马家务险工、奶字房险工、顺民屯险工、于常甫险工、周园子险工、大王务险工和东张务险工。本次设计对泛区左堤险工共15.35km进行加固治理。堤坡采用浆砌石护坡防护，抗冲刷采用格宾网石笼水平护砌防护。

2 工程建设的必要性

根据国务院批复的《海河流域防洪规划》，永定河流域防洪体系按100年一遇洪水标准设防，永定河左堤属于1级堤防，由于历史的原因及受水势的影响，泛区左堤河北段险工较多，因受资金制约，目前只对其中的5.12km进行了防护，险工没有得到彻底的治理，加之泛区内的北小埝存在防洪标准不足，堤防破损严重、老化失修等问题，该堤溃决后洪水直冲泛区左堤，在险工处出现险情，危及左堤安全。此外，由于北前卫埝按800m3/s进行防护，北小埝按2000m3/s进行防护，超过标准的洪水将从口门漫溢，冲破防线直冲左堤；尽管有护险林的存在，水流在险工处的流速依然较大，无法彻底解决洪水对险工段的冲刷问题。基于永定河防洪体系安全及泛区左堤的重要程度，本工程对泛区左堤剩余险工15.35km进行加固治理。

3 险工设计方案比选

根据泛区左堤实际情况，结合险工段实施及运行情况，本文对险工段的迎水坡面防护和抗冲刷防护比较了3个治理方案。3个治理方案均以桩号20+000为标准断面，防护长度取100m，冲刷深度按2.5m计算。

3.1 全断面浆砌石护砌（方案1）

即对堤坡采用浆砌石护坡防护，下部护砌至地面以下2.5m，上部护砌至设计水位以上0.5m，坡脚高程处设0.6m宽平台，平台上下边坡坡度均为1∶3.0；浆砌石护砌厚30cm，下设10cm碎石垫层和300g/m2土工布；护坡以上采用六角框格护砌，框格内植草，坡顶采用混凝土护肩。该方案的优点是一次永久护砌到冲刷深度，能很好地解决险工冲刷问题；缺点是土方开挖量大，临时征地多，树木砍伐较多，总投资较高。防护结构如图1。

图1 浆砌石护砌形式（方案1）

3.2 浆砌石护坡形式（方案2）

冲深防护采用格宾网石笼水平护砌型式，为了不发生永久占地，格宾网石笼顶面以上覆土1.1m，满足耕种要求。上部护砌至设计水位以上0.5m，边坡坡度1∶3.0，浆砌石护砌厚30cm，下设10cm碎石垫层和300g/m2土工布；水平防护采用0.4m厚格宾网石笼，长6m。设计水位以上护砌方式与方案1相同。该方案的优点是施工简单，宾格网石笼水平护砌，适应河床变形能力强，临时征地较少，总投资较低，能有效的解决险工的冲刷问题； 缺点是复耕后宾格网石笼部位种植高大灌木较难。防护结构如图2。

图2 浆砌石护坡形式（方案2）

3.3 堤坡防护与方案2相同（方案3）

堤坡采用30cm浆砌石护坡形式，冲深防护采取100cm厚水泥土搅拌桩，根据冲刷计算成果，并考虑结构的稳定性，水泥搅拌桩桩长取6.0m。该方案的优点是临时征地较少，土方开挖量小，复耕后可恢复树木种植，能满足险工的冲刷问题；缺点是洪水过后坡脚部位形成较深的冲坑，对提防边坡稳定不利，形成理想的水泥土墙难度较大，且在树根较多的地方施工难度大，总投资较高。防护结构如图3。

图3 与方案2相同防护形式（方案3）

3.4 投资比较

本工程以桩号20+000为标准断面，防护长度取100m，经过计算3个方案防护所需要的工程量及建安投资如表1。

表1 险工治理方案比较 单位：元

续表1

通过表1可以看出，方案1投资最多，方案2投资最少，方案3投资适中，综合以上3个方案的优缺点，本工程最后推荐方案2。

4 永定河左堤泛区段险工防护设计

永定河左堤泛区段险工防护设计的主要内容为护坡厚度计算、水平防护厚度和宽度计算。

4.1 浆砌石护坡厚度计算

浆砌石护坡的块石质量及护面层厚度参照GB 50286—2013《堤防工程设计规范》分别按式（1）、（2）进行计算：

式中Q为主要护面层的护面块体、 块石个体质量（t）；rb为人工块体或块石的容重（kN/m3）；γ为水的容重，取10kN/m3；H为设计波高（m）；KD为稳定系数取5.5；t为块体或块石护面层厚度（m）；n为护面块体或块石的层数；m为斜坡坡率取3；c为系数，取1.4。

经计算，浆砌石护坡的块石个体质量为0.0184t，护面厚度为0.28m，本工程取0.3m。

4.2 格宾网石笼水平防护计算

险工段护脚采用格宾网石笼水平防护计算。

4.2.1 格宾网石笼水平防护厚度

参照GB 50286—2013《堤防工程设计规范》按式（3）进行计算：

式中d为折算粒径（m）按球型折算；v为水流速度（取1.45～1.7m/s）；g为重力加速度（9.81m/s2）；C为石块运动的稳定系数；水平底坡取1.2，倾斜底坡取0.9；γs为石块的容重（kN/m3）；γ 为水的容重，取10kN/m3。

经计算，抗冲粒径0.26～0.32m。水平护砌厚度取0.4m。

4.2.2 格宾网石笼护底宽度

参照JTJ062—91《公路桥位勘测设计规范》按式（4）进行计算：

式中L为格宾网石笼水平防护宽度 （m）；m为格宾网石笼入冲刷坑形成的边坡系数，近似取m=2.0；h为最大冲刷深度 （洪水冲深取1.5～2.5m）；ΔL为安全宽度（m），取2.0m。

根据冲刷深度计算成果，格宾网石笼水平护砌宽度5.4～6.5m，设计取6.0～7.0m。

根据以上计算，永定河左堤泛区段险工堤坡采用浆砌石护坡，护坡边坡坡度1∶3.0，护坡厚0.3m，下设10cm厚碎石垫层和300g/m2土工布，护砌高度设计水位以上0.5m，护坡以上至坡顶采用六角框格护砌，框格内植草，顶部设混凝土护肩。

冲深采用格宾网石笼水平护砌防护，格宾网石笼厚度0.4m，水平护砌宽度6.0～7.0m。为了满足复耕要求，格宾网石笼埋置堤脚高程以下0.9m。

5 结语

（1）堤防险工的防护形式，堤坡一般采取浆砌石或宾格网石笼防护，坡脚冲深防护采用宾格网石笼水平防护。此种防护型式施工简单，总投资较低。

（2）在堤坡不满足渗透稳定时采用垂直防护。由于宾格网石笼水平防护施工简单，适应河床变形能力强，节省投资，在不产生永久征地情况下尽量采用；为了满足绿化和耕种要求，可适当将水平防护向下设置。