尼洋河堤防工程护脚结构选择分析

曹如意，扎西达瓦，张奕泽，黄胜波，张风江

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122;2.林芝市水利局,西藏 林芝 860000)

1 概述

尼洋河为雅鲁藏布江五大支流之一，属高原游荡性河道。林芝城区河段水面比降、河道流速及冲淤变化幅度均较大，河势并不稳定[1]。水流改道、顶冲和淘刷点的变动对城区堤防护脚构成安全威胁[2]，易导致堤防工程失稳破坏，岸线崩退，对城区两岸的生产生活造成巨大安全隐患[3]。为巩固完善城市防洪体系，保证堤防稳定和防洪安全，促进林芝市经济社会发展，选择适应此类河道特性的堤防护脚结构和加固措施[4]，显得尤为重要(尼洋河林芝城区段如图1所示)。

图1 尼洋河林芝城区段现状示意

2 堤脚防护设计

本文以林芝八一镇防洪工程为例，对堤防护脚结构和加固措施选择进行分析。

2.1 冲刷及抗冲粒径计算

城区河段流速较大，最大流速约为6.34 m/s，沿岸堤防均采用斜坡式堤形，临水侧采用混凝土面板护坡，堤基主要为深厚的砂砾石层。

1)冲刷计算。参考GB-50286-2013《堤防工程设计规范》[5]，根据堤线布置情况，结合水流对岸坡的冲刷情况，新建堤防选择迎流顶冲部位以及流速较大部位断面进行冲刷计算，同时对堤防进行斜冲计算。按最大流速6.34 m/s,计算最大冲坑深度为3.5 m，防冲设计时应结合计算深度并考虑一定的安全余度进行设置。

2)抗冲粒径计算。根据河演分析成果，本次计算按流速4～6 m/s进行复核，在水流作用下，护脚块石保持稳定的抗冲粒径(折算粒径)按GB-50286—2013《堤防工程设计规范》[5]计算，护脚块粒径设计时应大于计算最大值。

2.2 护脚形式选择

新建堤防段设计中，将根据堤基冲刷情况及其他计算成果在脚槽外侧设水下护脚进行防护，水下护脚形式主要有抛石、钢筋混凝土铰链排、土工织物砂枕(排)、钢丝石笼等，各形式特点见表1所示。

尼洋河八一城区河段河滩汊流多，水流紊乱，冲淤变化频繁，河道具有明显的游荡性，水下护脚要求对河床变形的适应性好[7]，从表1中可以看出，抛石护脚和钢筋石笼护脚属于较为典型的柔性护脚，对河床变形的适应能力强。

表1 水下护脚形式特点分析

2.3 堤身失稳分析

尼洋河八一镇河段具有明显的游荡特征，河道主流频繁发生摆动，部分堤段主流已经逼近堤岸，堤脚附近水流流速为4～5 m/s，局部最高达6.3 m/s[8]。以往已建堤脚采用混凝土脚槽，结构尺寸为1.8 m×2.5 m(宽×高)，埋深为2.5 m，顶部与河床地面齐平。堤脚外侧布设钢丝石笼，厚度为0.6 m，宽度2.5 m。此段河床床质砂卵石抗冲性能弱，钢丝石笼埋深小，设置防护宽度短，堤脚外侧的受保护范围较小。河床及河滩受急流持续冲刷作用，堤脚外侧砂卵石逐渐被水流冲刷带走，脚槽失去外部屏障面临失稳垮塌的局面，堤防主体及护坡也随之失去堤脚的支撑和保护最终发生失稳破坏。以往水毁工程记录情况也清楚表明，水毁段堤防发生垮塌前堤脚前部河床基本已被水流淘空，现场发现局部段堤脚前沿冲刷深度达到3～4 m，在水流的持续底部冲刷作用下，脚槽悬空失稳(如图2所示)，护坡随之失去支撑变形塌滑，面临水流的直接冲击，最终堤防主体将会发生彻底破坏变形。

图2 脚槽失稳破坏示意

2.4 护脚加固方案分析

选择合理有效护脚加固方案关键在于分析其防护工程是否有效，防护所用的材料抗冲性能需明显能够抵抗水流的持续冲刷作用，只有防护材料的抗冲性能优于水流的冲刷能力，防护材料才能作为稳定可靠的防护体，在水流的冲刷下不会变形失稳，可抵挡水流进一步冲击淘刷堤岸，保护堤防稳定安全。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[5]堤脚边坡的保护范围，在深泓近岸段应延伸至深泓线，并满足河床冲刷深度的要求；在水流平顺、岸坡较缓堤段，护脚宜护至坡段1:3～1:4的缓坡河床处。所以，一般通过在紧临堤脚的外侧河床准备足量防冲体使水流不能直接淘刷堤脚河床，保证脚槽稳定，降低河床冲刷深度，而且防冲体能够及时自动填补过程中形成的冲坑，大大降低冲坑发展的速度，堤脚河床始终与前沿冲坑形成一种动态平衡的缓坡，不会产生较大冲坑影响脚槽底部基础的稳定，此种情况下堤脚才能长久稳定安全。另外需要考虑堤脚前沿一般水流较急，冲刷作用强烈，河床冲坑变化较为频繁，若要求脚槽埋置冲刷深度以下，则堤脚埋置开挖工程量加大较多，同时会涉及涉水施工，施工难度及投资将会增加很多；因此，经常参照枯水位高程，在此位置适当预留安全富余度，同时在紧邻堤脚上部设置足量的防冲备填料。堤脚前沿河床受水流冲刷底部形成冲坑后备填料将滑落填补冲坑，从而使整个冲坑河床斜坡面保持动态稳定不再继续发展扩大，建议防冲备填料的方量计算，采用冲刷深度乘以水下稳定坡比的斜长和安全富余系数(如图3所示)。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[5]和《堤防工程手册》备填料粒径大小首先应满足规范中对抗冲粒径的要求，而且变形后沿冲坑坡面的填料厚度不宜小于抗冲粒径的2倍，一般防冲备填料持续发挥保护作用的水下稳定坡比为1:1～1:2，可选择抛石、石笼及沉排等材料作为防冲备填料[9]。

图3 防冲备填料保护坡脚示意

一般备填料层内空隙较大，同时还有岸坡地下水流的冲蚀，紊流作用强烈，下部河床细颗粒易被水流淘刷带走，导致备填料底部极易失稳沉落塌陷，所以,需考虑设置垫层、滤层或土工织物保护下部细颗粒不被带走[10]。

参考上述护脚防冲设计思路，本次选择防冲备填石护脚方式与钢筋及钢丝石笼护脚方式进行方案比选。

2.4.1方案一：防冲备填块石护脚方案

本方案保留原混凝土脚槽，脚槽外侧设防冲备填块石。根据计算，冲坑深度为3～4 m，另外根据前期地勘地质成果，河床冲刷坑的稳定边坡约为1:1。考虑脚槽以外的冲坑深3.5 m左右，防冲备填石淘刷变形后的稳定坡比约为1:2.0，块石保护厚度取2倍块石稳定粒径1.2 m，可保护冲坑不再继续发展，同时考虑一定的安全储备，估算防冲备填石的每延米填筑量不小于16 m3。综合考虑防冲备填块石护脚底宽6 m，外侧开挖坡比为1:1，开挖深度为2.0 m，顶部设置1:6的缓坡与原地面线衔接，其中上部为1.0 m厚采用平铺大块石砌筑，下部采用抛石[11]。本方案典型断面示意见图4。

图4 防冲备填块石护脚方案示意(单位：高程m，尺寸mm)

2.4.2方案二：钢筋及钢丝石笼护脚方案

此方案是在堤脚上部区域放置防冲块石料。根据经验脚槽外沿形成的冲坑一般深为3～4 m左右，遭受水流淘刷变形后的防冲体水下稳定坡比一般在1:2.0左右，为保证一定的安全富余，在前沿冲坑的斜坡长度8 m的情况下，堤脚外侧10 m范围内全部覆盖设置防冲料，使脚槽外侧冲坑不在继续发展扩大，保护堤防护脚基础的稳定与安全。考虑此段河流推移质含量高，且在高速水流的夹带下极易撞击冲坏外部钢丝笼；借鉴此河段其他护脚工程做法，护脚分上下两层叠放，上层护脚为钢筋骨架装块石料，下层护脚块石为钢丝笼装，从实际情况观察来看，上层护脚结构完整性较好，石笼破坏和块石流失现象较少，防护效果较佳。基于上述情况经综合分析，护脚钢筋石笼层顶高程设置与堤脚顶部齐平，然后自上而下分别设0.6 m厚钢筋石笼、0.6 m厚钢丝石笼及反滤土工布[12]。两层石笼垂直流向宽度不小于10 m。本方案典型断面示意见图5。

图5 钢筋及钢丝石笼护脚方案示意(单位：高程m，尺寸mm)

2.4.3方案比选

1)抗冲能力比较

防冲备填石护脚随冲坑发展的变形过程见图6。块石备填料的变形适应性较强，但块石不具备整体性，变形后无法保证整个冲坑边坡的块石厚度均满足大于2倍抗冲粒径的要求；块石自身抗冲能力与粒径有关，当流速超出设计值时，粒径较小的块石宜被冲走导致块石坍塌，冲坑继续发展；此外块石变形后下部反滤层易随之破坏。因此，一般采用防冲备填石护脚需每年进行补抛块石，直至多次补抛形成稳定边坡[12]。

图6 方案一防冲备填块石料变形过程示意

钢筋及钢丝石笼护脚随冲坑发展的变形过程见图7。石笼具有较强的变形适应性，能随冲坑发展而变形，石笼相互连接形成整体能保护整个冲坑的边坡[13]，为确保石笼的整体性设计时又采取了以下几项加强措施：① 石笼网格材料采用钢丝表面镀高尔凡+覆塑材料，其抗冲、抗磨损能力较普通镀锌钢丝提高数倍，表层0.6 m厚的钢筋笼是在钢丝笼的基础上设置钢筋框体进行保护，抗冲、抗磨的耐久性更强；② 石笼之间除采用钢丝牢固绑扎外，表层钢筋笼增加无粘结钢绞线并采用夹具与钢筋笼连接，有效保证石笼形成整体，尤其在易变形脱开的外端部顺流向设置钢绞线，保证端部整体变形而不脱开；③ 石笼与脚槽间采用锚筋连接，可保证石笼与脚槽紧密衔接；④ 石笼每个单元的体积为设计抗冲粒径的3～4倍，其抵抗超设计流速的能力大大增强；石笼与下部反滤层同步变形，石笼始终为反滤层提供保护，有效保证土工布不破损。

图7 方案二钢筋及钢丝石笼变形过程示意

因此从适应变形性、整体性、自身抗冲能力等多方面进行综合比较，方案二较方案一的抗冲能力及耐久性强。

3 结论与建议

本文以尼洋河八一镇河段防洪工程为例，针对性地开展工程防护措施的设计和分析，得出以下结论：

1)尼洋河八一镇河段具有十分典型的游荡性河道特征，主流摆动不定，滩槽密布，水流极为分散，河道宽深比大，主流顶冲堤防，危害防洪工程[14]。对于此类山区河道水流剧烈淘刷护岸的特性，应加大防护力度，重点做好堤防防护措施，尤其确保防洪大堤在高速水流冲刷下的堤脚安全，避免堤身失稳。

2)结合尼洋河水流对堤防堤脚的淘刷过程分析情况，选择合适的护脚形式，叙述了防冲备填块石和钢筋及钢丝石笼不同护脚形式所采取的堤脚加固措施，同时为进一步保证石笼的整体性和抗冲性也提出了具体加强措施。通过对护脚的变形性、整体性、自身抗冲能力等多方面进行综合比较，分析认为钢筋及钢丝石笼方案的护脚抗冲能力及耐久性更强。