生态护岸在大四家子河治理工程的应用研究

2021-10-24张海波

黑龙江水利科技 2021年10期

张海波

(朝阳市水务工程技术审查中心，辽宁朝阳 122000)

1 工程概况

1.1 防洪现状

大四家子河属小凌河一级支流，河长26km，平均比降为6.7‰，流域面积为279km2。大四家子河集水面大，河床上窄下宽。由于上游沟壑和支流较多，洪水暴涨暴落、源短流急，防洪标准低且防洪工程少，稳定性差、多弯曲，下游虽然有小部分护岸，但局部已严重破坏，长期以往势必会引起较大的洪涝灾害。防洪基础设施薄弱、洪水灾害严重以及防洪标准低，对沿河居民安全和经济可持续发展已构成潜在的威胁。此外，村屯离河较近，地势较平坦，河道弯道凹岸冲刷严重，近年来未发生较大洪水，河势暂时稳定，但未从根本上消除河道险情，一旦遭遇较大降雨，将危及两岸居民、工矿企业和交通干线的安全。河道上游两岸有部分矿厂以及河道内的废弃沙场，堆积严重侵占河道，应按统一规划予以清除。

大四家子河全部属于农村河流，堤防工程少且河道弯道较多，没有防洪控制工程，经常出现险情，河道两岸岸坎受冲刷现象较频繁，河道内原有的护岸工程损坏严重，而且原有干砌石使用年限较长，片石的硬度不足，基础埋深不足等问题。因此，迫切的需要对该流域河道进行治理，改善当地的生活环境及投资环境。

1.2 工程布置

工程起点位于朝阳县北四家子乡唐杖子桥上游430m处，终点位于大四家子河入小凌河河口处，均为农村段，治理段为K0+000至终点K20+616断面。建设范围内河道长度20.62km，通过采用生态护岸工程、清淤疏浚工程等方式，以消除险情隐患，减少河岸冲兑和水土流失，稳定局部河势，美化两岸环境，保护农田及公路等。

1)护岸工程。对部分冲刷严重，无工程的河段，采用防护措施，以及原有护岸工程损坏以及不达标段进行石笼护岸防护，保护耕地及岸坎，以达到设计防冲标准要求。护岸总长为15.22km，其中左岸总长为6.38km，右岸总长为8.84km。

2)河道疏浚工程。治理河段多年淤积，未曾清淤，缩窄了行洪断面，造成河道弯曲，河床不稳定，影响行洪，本工程对河道淤积段进行清淤疏浚，恢复河道泄洪能力，以确保河道的行洪安全。拟对其河道按照天然坡降进行清淤，河道清淤疏浚工程长8.71km。

3)绿化工程。在护岸迎水侧布置护滩林带工程，种植耐涝的乔木，洪水时绿化工程地可防风防浪，降低洪水流速，抢险时又可就地取材。可将一定宽度的护岸带补植于主行洪区边界，以灌木作为主要树种。

2 生态护岸设计

2.1 设计原则

生态护岸设计要合理布局、统筹兼顾，全面考虑应用要求、施工条件、地形地质、波浪和水流特性等，选择墙式、直立式、坡式或者其它护岸形式；同时，应因地制宜的选用当地材料，在满足防冲和结构安全性要求的情况下选取能够符合美化环境、提高水体自净能力、促进生物多样性要求的护岸型式[1]。护岸设计应遵循以下原则：①护岸线应与河势相适应，两岸护岸间距不宜突然放大或缩小；②护岸县要尽量平顺，各段护岸不得选用急弯或折线，要平缓连接；③护岸线布置应尽量少占耕地，减少动迁，同时要有利于防洪抢险和工程管理；④设计方案不得侵占河道和束窄行洪断面，科学设计工程措施和护岸线位置，最大程度的保持河流自然形态，恢复河道生态功能，避免“硬化、白化、渠化”河道。

2.2 防护形式比选

根据河道岸坎现状和宽度情况，拟对阶梯型格宾石笼生态护岸、浆砌石护岸、毛石混凝土护岸、直立式石笼护岸四种方案，从经济条件及技术可能性的角度加以比较，具体如下：

1)毛石混凝土护岸。其缺点为工程投资高，需要水泥量大，对基础要求严格，通水性差，不利于生态及地下水补给。优点是占用土地少，开挖量小，施工工序少，所需劳力也少。

2)浆砌石护岸。优点是占用土地少，开挖量小。缺点为工程投资相对较高，需要水泥量较大，对基础要求严格，施工工序较多，所需劳力也多，相应工期长，施工质量不易控制，不利于河道生态，其优点是占用土地少，开挖量小。

3)直立式护岸：其优点是工程投资相对较低，耐久性好，使用寿命长，不利于生态及地下水补给；占用土地少，开挖量小，施工工序少，使用寿命长，抗震性能好，可变更性强，易于维护。缺点是不能实施生态绿化。

4)阶梯式格宾石笼生态护岸。该护岸的优点有工程投资相对低，基础亲水性好，可实施植被绿化，利于生态；稳定性、整体性佳，施工便捷、工期短；耐久性好，使用寿命长；抗震性能好，可变更性强，易于维护。缺点为开挖量大，占地面积大[2]。

综上所述，对于河道较窄、流速较大且岸坎陡坎明显的情况，宜选取直立式护岸。考虑到治理河道为农村河段，两岸耕地较多，河道宽度较窄，设计选取直立式格宾石笼护岸符合当地实情，经济、合理。护岸工程总长15.22km，其断面形式如图1。

图1 石笼护岸断面形式

2.3 格宾石笼设计

依据《河道整治设计规范》有关规定，结合河道宽度较窄实际情况，局部临河侧无滩，已有护岸工程形式，以及结合朝阳县当地其他广泛应用的护岸工程形式，拟采用直立式石笼护岸。

在设计河底一下埋深1.2m，石笼网箱尺寸采用1.25m×1.2m×1m的两个，基础以上高度为2m，石笼网箱尺寸采用1.5m×1m×1m，1m×1m×1m。石笼网箱采用生态网格工艺，每1m一分石笼网箱，所用生态网格为机编五铰六边形，材质是热镀锌丝，网孔为150mm×150mm，丝径为φ3.75mm。格宾石笼钢丝抗拉强度应为350-500MPa，采用三铰工艺，双线铰合部分长度：格宾石笼≥55mm，网体绑扎间隔为200mm。填充材料可采用天然块石或卵石，要求填筑材料具有耐久性好、不易碎、无风化迹象，填料的粒径为1.5-2倍网孔尺寸(不在外表面填料粒径可有15%的超出该范围)，填充料级配应合理，填充后空隙率应<30%，抗压强度≤30MPa，填充材料容重>20kN/m3。

2.4 护岸绿化带设计

在不影响防洪安全的前提下，根据大四家子河上下游不同河段河道实际情况，在主行洪区因地制宜的补植绿化工程带，并以灌木为主，绿化工程宽度1.2m。设计林带距护脚线1m，株距3m×2m，树种为杨树，胸径4-6cm，大四家子河拟种植杨树1.07万棵。在现状桥梁上、下游种植垂柳，胸径6-8cm，拟种植柳树600棵。在护岸左右岸坡栽种灌木，灌木选择棉槐，两年生，丛高50cm，每丛3株，棉槐间距0.3m×0.3m，典型断面形式如图2所示。

图2 绿化带典型断面形式

绿化工程不仅能够减少水土流失、抵制洪水侵蚀耕地、稳固河滩，而且有利于美化环境和改善生态。在绿化工程缓冲作用下，能够明显降低洪水流速，从而减少水流冲刷破坏以及洪水灾害损失。此外，绿化工程也是明确主行洪区范围及其外沿控制线的根本依据，为后期管理提供有利条件。

3 护岸结构复核

3.1 护岸顶高程计算

依照《河道整治设计规范》、《生态格网结构技术规程》要求，结合该流域10a一遇洪水计算成果，按照实际情况，拟采用直立式石笼结构形式。护岸工程护至现状岸顶高程，无明显岸坎段护至平滩水位1m以上，格宾石笼地面以下埋深根据分段计算处的冲刷深度确定，护岸顶高程计算结果如表1所示。

表1 护岸岸顶高程计算

续表1 护岸岸顶高程计算

3.2 护岸稳定计算

根据《堤防工程设计规范》对运行条件的规定，选取正常运用设计水位和常水位条件、非常运用施工期条件两种工况。采用《生态格网结构技术规程》中6.3.1、6.3.2、6.3.3公式进行石笼抗滑稳定、抗倾稳定计算和石笼基地压应力验算，具体如下：

(1)

(2)

(3)

式中：K0为抗倾安全系数；∑MV、∑MH为对石笼基底前趾的抗倾覆力矩和倾覆力矩，kN·m；Ks为抗滑安全系数；c0为基地黏聚力，kPa；f为基础摩擦系数；∑G、∑H为作用在石笼上全部垂直于和平行于水平面的荷载，kN；B为水面宽度，m；e0为偏心距，并且符合条件e0≤B/6；σminmax为基础底面最大、最小应力。

计算结果如表2所示，经计算石笼挡墻护岸设计断面在正常运用和非常运用条件下，均满足各项稳定要求。

表2 石笼稳定计算

3.3 冲刷深度计算

冲刷深度可以利用设计水位时的冲刷高程控制，采用《堤防工程设计规范》中的计算公式，具体如下：

(4)

(5)

(6)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙起动流速，m/s；U为行进流速，m/s；n为反映岸坡形状的参数，一般取1/4-1/6；η为水流流速不均匀系数，结合岸坡与水流流向交角α查《堤防工程设计规范》确定；γs、γ为泥沙与水的容重，kN/m3；d50为床沙的中值粒径，m，d50取0.4mm。

通过计算各河段护岸工程冲刷深度如表3。结合表3计算结果冲刷深度可达0.84-1.26m，为保障护岸工程的安全性该地区冻深，护岸基础埋深采用1.2m。