堤防工程护坡护岸设计分析——以湘江河道治理一期工程为例

郑 昌

(湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007)

1 概 述

流经湖南省祁阳县城区的水系有湘水和支流祁水，其中湘江城区段长12.5 km，河宽一般为450～550 m，最大宽度800 m。湘江沿河两岸地势低洼，建有很多机关、学校、厂矿企业，人口密集，大部分地面高程84～87 m，与20年一遇设计洪水位88.02 m尚差0.93～3.93 m。城区目前尚未布设任何防洪治涝设施，仅靠河岸自然高地挡水，现有防洪治涝能力不足3～5年一遇；一旦洪水暴发，沿河大部分地区均被淹没，县城历年建设成就毁于一旦；这与祁阳县的经济地位和社会发展极不适应，极大地制约了当地经济的发展。

本次对祁阳县城北、城南、城东3个保护圈进行了设计。生态护坡护岸是指恢复后的自然河岸或具有自然河岸“可渗透性”的人工护岸，它拥有渗透性的河床与河岸基底，可以充分保证河岸与河流水体之间的水分交换和调节功能，能恢复被破坏的自然生态环境；同时又能满足对岸坡稳定的要求。生态护坡护岸应是“既满足河道体系的防护标准，又有利于河道系统恢复生态平衡”的系统工程，能充分体现“人与自然和环境协调发展”理念。

2 方案比选

祁阳县城一期堤防工程河段的堤段汛期一般水面较宽，风浪较大，对堤面淘刷较严重，对新建堤防堤身的冲刷问题突出。本次设计拟对新建堤防临水面进行护坡护岸。

2.1 护坡护岸型式比选

传统的河道护坡护岸形式主要有浆砌或干砌块石、现浇混凝土、预制混凝土块等，工程造价相对较低，它主要侧重于河道行洪、排涝基本功能，对环境、生态的影响考虑较少；而实际上这些工程建成后特别是全断面护砌的结构对环境和生态的负面影响较大。通过传统护坡护岸与生态护坡护岸比较，结合现有的一些工程实例，生态护坡虽能保护和建立丰富的生态系统，形成优美的风景，滞洪补枯效果好；但糙率大，行洪能力不及传统护坡，且造价比较高，在现有国情国力下，两类护坡的优缺点都比较突出。

祁阳县一期堤防工程的护坡工程仍然分三段，即城北Ⅰ0+000～城北Ⅰ1+282、城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115、城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890。由于篇幅有限，本文只针对城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115、城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890这两段进行分析。

2.2 城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115

本段为黄道门码头至祁水东江桥段，位于祁阳县城老城区，人口、房屋都比较密集；且在堤内还要预留10 m沿江路，工程用地范围极为紧张。本次临水侧岸坡防护拟选用生态拉筋挡墙和C25面板混凝土拉筋挡墙进行比选，背水坡采用坡比为1∶2的草皮护坡。

方案一：生态拉筋挡墙。由于堤防较高，采用上、下两级挡墙，下级挡墙采用C25混凝土基础，置于砂卵石地层上，墙高5.5 m，坡比为1∶0.17。一级平台宽5 m，上级挡墙坐落在下级挡墙的回填区，墙高5.57 m，坡比为1∶0.17。堤顶宽4 m，墙身采用自锚式预制混凝土块，预制块内可墙外设置2 m亲水平台以及下河踏步，背水侧采用草皮护坡，坡比为1∶2(见图1)。

图1 方案一比选断面(城北Ⅱ0+850)

方案二：C25面板混凝土拉筋挡墙。由于堤防较高，采用上、下两级挡墙，下级挡墙采用C25混凝土基础，置于砂卵石地层上，墙高5.5 m，坡比为1∶0.17。一级平台宽5 m，上级挡墙坐落在下级挡墙的回填区，墙高5.57 m，坡比为1∶0.17。堤顶宽4 m，墙身采用C25现浇钢筋混凝土面板，墙外设置2 m亲水平台以及下河踏步，背水侧采用草皮护坡，坡比为1∶2(见图2)。

图2 方案二比选断面(城北Ⅱ0+850)

根据实际情况，方案一与方案二的工程投资相差不大，但该保护圈位于祁阳县城老城区，人口较密集，沿江一带为老百姓主要休闲场所，对景观、生态等都有一定的要求；在对其治理的同时，应考虑生态与景观建设，在其发挥防洪保障水利工程功效的前提下，也要融入生态环保；所以，该段推荐生态挡墙方案。

2.3 城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890

本段为东江桥至污水处理厂段，位于城郊结合处，本段岸坡较陡，可用地资源不足以放坡至岸坡顶，故此段拟用浆砌石挡墙和C25混凝土挡墙进行比选。

方案一：浆砌石挡墙。从枯水位至83.00 m选用重力式浆砌石挡墙；挡墙外，从枯水位至78.00 m设置浆砌石护坡保护挡墙基础；83.00 m至堤顶采用生态护坡；堤顶设置1.2 m防浪墙，背水侧采用草皮护坡。

方案二：混凝土挡墙。从枯水位至83.00 m选用重力式C25混凝土挡墙，墙顶至堤顶采用生态护坡，坡比为1∶2；堤顶设置1.2 m防浪墙，背水侧采用草皮护坡。

C25混凝土挡墙相对浆砌石挡墙造价要高，且祁阳当地石材产量丰富，此段用M10浆砌石挡墙完全能满足岸坡稳定及防洪要求。因此，从节省投资方面来比较，此段推荐采用M10浆砌石挡墙。

生态护坡目前存在雷诺生态护坡及联锁式混凝土植草砖等多种形式，考虑到雷诺护坡在枯水期容易遭到破坏，在汛期容易挂上垃圾等情况，本工程中生态护坡主要采用联锁式混凝土植草砖。

3 护坡护岸设计

3.1 护坡护岸原则

本次设计护坡一般自设计枯水位或枯水位以上0.5 m护至设计洪水位以上，当有滩地时自滩地护至设计洪水位以上。

3.2 护坡护岸断面设计

(1)城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115

从枯水位至堤顶采用生态挡墙，挡墙分上下两级，在常水位以上0.41 m(77.50 m)处设置2 m宽亲水平台，由亲水平台往下设置踏步下水。77.50～83.00 m高程为下级挡墙，83.00 m高程处设置5 m宽二级平台，83.00 m高程至堤顶为上级挡墙，挡墙坡比为1∶0.17；堤顶宽4 m，设置1.2 m防浪墙，背水侧采用草皮护坡，坡比为1∶2。

(2)城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890

从枯水位至83.00 m高程选用重力式浆砌石挡墙，挡墙外侧坡比为1∶0.1，内侧为台阶形式。挡墙外，从枯水位至78.00 m高程设置浆砌石护坡保护挡墙基础，83.00 m高程至堤顶采用连锁生态砖护坡；堤顶宽4 m，设置1.2 m高防浪墙，背水侧采用草皮护坡；坡比为1∶2。

3.3 植草护坡构造要求

联锁式混凝土植草砖适用于中小水流情况下土壤水侵蚀控制的新型联锁式预制混凝土块铺面系统。由于采用独特的联锁设计，每块砖与周围的6块砖产生超强联锁，使得铺面系统在水流作用下具有良好的整体稳定性。同时，随着植被在砖孔和砖缝中生长，一方面铺面的耐久性和稳定性将进一步提高；另一方面起到增加植被、美化环境的作用。本次设计联锁式混凝土植草砖厚度取0.15 m。

(1)可种植当地适用草种，也可恢复自然植被。如生态混凝土内植草，要求绿化覆盖率不小于95%。表面客土不大于20 mm，要求植物根系必须穿透混凝土。

(2)护坡在堤顶采用0.50 m厚宽0.50 m的混凝土压实牢固封顶，在坡脚采用0.5 m宽、0.5 m高的混凝土基座。

3.4 护脚设计

(1)护脚形式的选择

参考湖南省的实际情况，护坡的护脚一般采用阻滑墙，本次设计同样考虑采用混凝土阻滑墙基座。

(2)冲刷深度计算

水流平行于岸坡产生的冲刷深度按下式计算：

式中：hB为局部冲刷深度，从水面算起(m)；hp为冲刷处的水深，以近似设计水位最大深度代替(m)；Vcp为平均流速(m/s)；V允为河床面上允许不冲流速(m/s)；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4。

分别在湘江和祁水选取1个典型断面，即城北Ⅰ1+225、城北Ⅱ0+850两个断面，带入相关数据进行计算，得出局部冲刷深度分别为0.4 m和0.5 m。

(3)护脚阻滑墙设计

根据《城市防洪工程设计规范》(GBT 50805—2012)，基础埋宜在冲刷线以下0.5～1.0 m，按上述计算的局部冲刷深度，本次设计采用混凝土阻滑墙进行防护，其断面尺寸为1.0 m×1.0 m(宽×高)。

3.5 生态拉筋挡墙稳定计算

(1)根据设计要求及勘测地质资料，通过反复试算调整断面结构形式，初拟断面结构形式，取城北Ⅱ0+850断面作为计算断面(见图3)。

图3 生态挡墙典型断面(城北Ⅱ0+850)

(2)计算、设计资料汇总

①堤顶附加荷载取汽车-10级。

②挡墙采用自锚式C25预制混凝土砌块。

③挡墙的筋带拟采用单向拉伸塑料土工格栅抗拉力Ts=100 kN/m，土工格栅与加筋土填料(粉质粘土)的界面摩擦系数f′=0.25，土工格栅在砌块中的总长度取常数0.4 m。

④筋带节点的水平间距SX=1 m。

⑤加筋土填料设计为粉质粘土，根据地质报告，其力学性能指标为：容重γ=19.86 kN/m3，内摩擦角φ=23.03°，C=20.9 kPa；按“土体抗剪强度相等的原则”计算得综合内摩擦角φ=30.96°，为便于计算和安全方面考虑设计取值φ=30°。

⑥设计上级挡墙基础为下级挡墙回填料(粉质粘土)，设计按粉质粘土工况进行计算，根据地质报告，其力学性能指标为：容重γ=19.86 kN/m3，内摩擦角φ=23.03°，C=20.9 kPa；承载力特征值[σ0]≥160 kPa，粉质粘土基底摩擦系数取0.25。

⑦墙体采用梯形断面计算。

⑧墙后回填土与加筋体填料相同。

(3)筋带抗拉强度、抗拔稳定计算

堤顶汽车-10级(单车道)荷载作用下的等代土层厚度计算：

按车带均摊法，设计布置1辆汽车-10级重车(150 kN)，1辆汽车分布宽度2.3 m，墙高H=6.02 m,墙后填土高a=0 m。

等代土层厚度：

=0.428 m

(4)筋带抗拉强度验算

根据以上结果分别计算不同深度的土压力系数、土压力及筋带拉力等参数，生态拉筋挡墙不分缝，筋带平铺，故计算按每延长米受力计算，公式如下：

JTG D30—2015公式H.0.7-8：Ti0=γQ1Ti，Ti=(ΣσEi)SxSy

JTG D30—2015公式H.0.7-5：ΣσEi=σzi+σai+σbi。

结果可知，筋带材料强度标准计算最大值fk为87.99 kN/m，选用的单向拉伸塑料土工格栅抗拉力Ts=100 kN/m，满足要求。

(5)建筑物稳定校核

在不同工况的条件下设计挡墙的抗滑、抗倾、地基承载力均可满足规范要求，说明下级生态挡墙的设计方案是可行的。

4 结 语

流经祁阳县城区的湘江基本没有防洪措施，经常出现各种水患，对该地区的安全构成了一定的威胁，亟需修建堤防工程以保障祁阳县城区的安全。堤防工程的设计质量会对其防护效果产生非常重要的影响，因此在护坡护岸设计阶段必须充分结合本地区实际情况进行设计，科学合理地对工程总体情况进行布置；同时也要对设计结果进行校核，保障设计的安全性。

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