生态格宾挡墙在小流域河道岸坡整治中的应用

2021-05-17何雪花

水利科学与寒区工程 2021年2期

何雪花

(泉州水务工程建设集团有限公司，福建泉州 362000)

邵武市大竹溪小流域河道整治项目位于该市大竹镇境内，流域两岸大部分河道为天然岸段，遇洪水灾害时稳定性差；少量河段虽经当地村民自筹建设了干砌块石重力式挡墙，但未经正规设计施工，挡墙基础缺少有效的防冲刷措施，洪水已造成多处掏空，严重影响到挡墙结构稳定性，面临失稳的潜在风险。此外，多处岸段淤积严重，时常发生洪涝灾害，容易淹没岸边两侧农作物，造成大量财产经济损失。因此，为改善流域生态环境，提高河道行洪能力，加强岸段稳定性，减小经济损失，该流域岸坡需进行生态综合整治。

1 工程概况

1.1 地形地貌

该工程地貌以中低山地为主，境内山岭分布较多，地形起伏不平，山间偶见小面积盆地。各地海拔差异较大；沿大竹溪小流域多见沟谷，为河流冲刷形成，沟谷底部块石分布，少见棱角状；地面植被密集，由高大树木、竹林和灌木等组成。

1.2 地层岩性

对河道两岸的岩土体进行现场踏勘以及少量岩土工程钻探，在岸坡两侧的岩土体自上至下主要为：素填土、粉质黏土、砂卵石、砂岩。①素填土，局部分布，呈灰褐色和红褐色，松散，潮湿，局部含有植物根系和小卵石。②粉质黏土，黄褐色，松散-稍密，稍湿-潮湿，可塑。③砂卵石，浅黄色、灰褐色，以稍密状态为主，饱和。④砂岩，多为强风化，砂岩呈浅黄色，强度较高。

1.3 岩土体物理力学性质

经过对场地的岩土体性质测试，各岩土层典型的物理力学参数建议值如表1所示。

表1 物理力学参数建议值

2 岸坡整治方案比选

为了经济合理地对本工程进行整治，在整治前需对采用的方案，即护岸形式进行确定。选择过程中要综合考虑到护岸的地形地貌、地质条件、施工设备、环境保护、工程成本等因素，并尽量遵循因地制宜、就地取材的建设原则。本工程中，可以采用的护岸形式有生态格宾挡墙(方案一)、普通生态挡墙(方案二)、生态格网护坡(方案三)等三种主要形式。下面就这三种整治方案进行比选。

(1)造价方面比较。对于方案一、方案二和方案三，其造价分别为2064.79元/m、1477.60元/m和1045.99元/m，可见方案一投资最高，方案三投资最低，方案二介于两者之间。

(2)工程占地方面比较。方案一永久及临时占地最少，方案二永久占地较少，但临时占地很多，方案三永久及临时占地最多。项目区河道现状护岸两侧基本为农田，为避免征用农田，宜选用占地少的护岸型式。

(3)施工方面比较。方案一施工开挖扰动范围少，且施工速度快；方案二施工开挖扰动范围大，施工工序较繁琐；方案三施工开挖扰动范围大，施工工艺简单。

(4)功能方面比较。方案一耐久性和稳定性好，抗冲刷能力强；方案二、方案三耐久性和抗冲刷能力一般。项目河道属于典型山区河道，坡降陡急，洪水暴涨暴落，河流流速大，宜选用抗冲刷能力强的护岸型式。

(5)河道生态方面比较。三种方案均属于生态型护岸，透水性较好，不会改变河道原始生态。方案一格宾挡墙采用台阶式叠砌，错落有致，景观效果较佳，方案二、方案三均为斜坡式，景观效果较单调。

综上所述，由于项目区域河道坡降陡急，洪水暴涨暴落，河流流速大，对护岸抗冲刷能力要求高，且河道两岸占地限制，综合考虑后本次河道护岸采用方案一，即重力式生态格宾挡墙进行护岸。

3 断面结构形式

本工程护岸均采用生态格宾挡墙型式，主要依靠其自身重量维护墙后土体的稳定性，根据现状地面高程控制格宾挡墙高度。根据实际地形地貌条件和防护要求，格宾挡墙墙高分为1.15 m、1.65 m、2.15 m、2.65 m、3.15 m、3.65 m、4.15 m 7种规格。

以4.15m墙高格宾挡墙为例，墙身采用格宾石笼，墙背垂直，分四层台阶式叠砌，每层格宾笼厚度均为1.0 m，墙顶宽1.0 m，设置150 mm厚C15混凝土压顶，墙身高度2.65 m(不含基础)，每层格宾笼错距0.5 m，墙趾、墙背设置反滤土工布(规格400 g/m2)，格宾石笼内填石直径大于网孔直径的2倍，墙后回填土压实度不小于0.90。挡墙基础采用C15埋石混凝土，基础埋置深度根据抗冲刷计算成果，宽度3.0 m。纵向上每隔 15 m 设置一道沉降缝，贯穿于基础底部，缝宽 2 cm，内嵌沥青杉木板。墙顶后方设置1.0～1.5 m 宽生态缓冲带，生态缓冲带种植蟛蜞菊。结构设计如图1所示。

对于其他高度的格宾挡墙，整体结构形式基本类似，设置的层数以及每层高度有所不同，对于1.15 m高的挡墙，设置1层；1.65 m高的挡墙，设置2层，上下两层高度分别为1.0 m和0.5 m；2.15 m高的挡墙，上下两层高度均为1.0 m；2.65 m高的挡墙，设置三层，自上而下高度分别为1.0 m、1.0 m、0.5 m；3.15 m高的挡墙，也设置三层，自上而下均为1.0 m；3.65 m高的挡墙，设置四层，自上而下分别为1.0 m、1.0 m、1.0 m、0.5 m。

该工程中，左岸NZ3+135.31～NZ4+020.48现状为土质护岸，本次左岸新建生态格宾挡墙长度885.17 m；右岸NY3+133.60～NY4+011.83也为土质护岸，新建生态格宾挡墙长度878.23 m。

4 冲刷深度与稳定性计算

4.1 生态格宾挡墙基础冲刷深度计算

在该防护工程中，采用《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[1]中建议的冲刷深度计算公式，对生态格宾挡墙基础的冲刷深度进行确定，水流平行于岸坡产生的冲刷深度按式(1)～式(3)计算。

(1)

图1 生态格宾挡墙典型断面(墙高4.15 m)(单位：mm)

(2)

(3)

式中:hs为河道局部冲刷深度，m；H0为河道冲刷位置在冲刷前的河水水深，m；Ucp为河水平均流速，m/s；Uc为河床面上允许不冲流速，m/s，对于卵石层，可取1.5 m/s；n为防护岸坡的几何平面形状系数，可取n=1/5；U为行近流速，m/s；η为河道水流流速的不均匀系数；g为重力加速度，m/s2；d50为河床土体的中值粒径，m；γs为泥沙颗粒的重度，kN/m3；γ为泥沙与水的重度，kN/m3。

经计算，左岸和右岸的冲刷深度基本上位于0.5～0.8 m之间，均小于基础埋深。

4.2 生态格宾挡墙稳定性计算

护岸稳定验算包括生态格宾挡墙稳定验算及护岸整体抗滑稳定验算，其中前者与重力式挡墙的计算类似，后者考虑挡墙整体稳定，基于圆弧滑动法进行计算。

①挡土墙抗滑稳定按式(4)验算。

(4)

式中：KC为抗滑稳定安全系数；f为挡墙底部与河床之间的摩擦系数；∑W为作用于格宾墙体上的所有竖向垂直力之和，kN；∑P为作用于格宾墙体上的所有水平力之和，kN。

②基底应力按式(5)计算。

(5)

式中：σmax(min)为基底压应力的最大值或最小值，kPa；∑M为作用在挡土墙的全部荷载对挡土墙基底面中心力矩之和，kN·m；∑W为底板的截面系数，m3；A为底板面积，m2；∑G为垂直荷载，kN。

③抗倾覆稳定按式(6)验算。

(6)

式中：K0为挡墙抗倾覆的安全系数；∑MV为挡墙抗倾覆的力矩，kN·m；∑MH为倾覆力矩，kN·m。

本次针对大竹溪小流域选取一个最不利断面进行稳定复核，以墙身高4.15 m为例，由标准GB 50286—2013中规定墙式堤防各个稳定性的计算要求，采用三种工况进行分析，工况1：墙外遭遇设计洪水情况；工况2：工程完工期，墙背已填土，外江侧无水；工况3：设计洪水位骤降。计算结果如表2所示。

表2 大竹溪小流域格宾挡墙稳定计算结果

根据以上计算成果，该生态格宾挡墙的各个稳定性安全系数均大于规范要求值。

4.3 护岸整体稳定计算

堤防整体抗滑稳定的计算软件采用河海大学编制的SLOPE软件，计算方法采用瑞典圆弧法。通过输入堤防内侧、外侧不同的水位，考虑渗流的影响，从而进行土堤在渗流过程中的整体抗滑稳定计算。采用瑞典圆弧法进行计算，该法不用考虑各个条块间的相互作用力。施工期土料的抗剪强度采用直接快剪指标进行计算，运行期采用固结快剪指标进行计算。

瑞典圆弧法按式(7)计算[2]。

(7)

式中:W为划分的土条重量，kN；Q、V分别为考虑地震时水平向和垂直向上的地震惯性力(向上为正，向下为负)，kN；u为由于渗流原因产生在土条底面处(滑动面)的孔隙水压力，kPa；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,(°)；b为土条宽度，m；φ′、c′为土条滑动面处的有效应力抗剪强度指标，单位分别为kPa和(°)[3];MC为水平地震惯性力对圆心的力矩，按公式(8)计算。

MC/R=∑Dh·cosα-∑Dh·∑h/2R

(8)

式中:R为滑弧半径，m；∑h为某一土条的总高度，m；∑Dh为某一土条的水平地震力总和，kN。

分别计算两种工况下的整体稳定性，工况1：正常运用，设计洪水位骤降期的临水坡；工况2：非常运用，施工期的临水坡。同样以墙身高4.15 m为例，工况1和工况2的抗滑稳定安全系数分别为1.30和1.24，均大于规范允许安全系数1.10和1.05，根据以上计算成果，护岸整体抗滑稳定安全系数均大于规范要求值，满足设计要求[4-5]。