抛石护岸在大型河道治理工程中的应用

2022-09-22甄云侠

黑龙江水利科技 2022年8期

甄云侠

(黑龙江省龙腾建设监理有限公司齐齐哈尔分公司，黑龙江齐齐哈尔 161000)

0 引言

随着黑龙江省河道整治工程的增多，抛石护岸在河道整治水利工程中广泛应用。抛石护岸施工工艺简单、取材方便、适应性强又便于后期的管理和修复。

近些年来抛石护岸在黑龙江省河道治理中广泛应用，特别是黑龙江省的三大江治理。抛石护岸适用于崩岸治理，无论是预防或抢险，大多采用水下抛石护岸措施。它不仅防护水流的冲刷，也有压载坡脚的抗滑作用。比较其它护岸工程，在施工、维修、使用等方面，具有以下优点：①容易抛投于水下；②可变形，适应不平整坡面；③高糙率，消浪好；④便于修补，维修要求低；⑤耐久性好。

1 抛石护岸的应用

2020年黑龙江省某大型河道治理工程中应用了抛石护岸。该工程靠近主江道，距离深泓线较近，由于该地区寒冷，封冻期冰层较厚，开江冰块大，流冰期冰排强烈撞击江岸造成坍塌，防护工程既要坚固耐久、抗冲刷及抗磨损性能强、抗冰推力强、适应河床变形能力强，又要适当注重美观、就地取材，经济合理，便于施工、修复、加固，与周边环境相适宜，尽量使实体工程和生物措施结合起来，降低造价保护生态环境等，因此选用了抛石护岸。经过2021年的春汛、大汛考验，抛石护岸防护效果良好。

根据水利工程的不同地形条件、水流条件、水文条件、工程地质条件、防护任务及工程重要性等多方面因素考虑相关设计参数的取值。相关参数包括抛石护岸的抛石范围、抛石厚度、抛石的粒径、反滤层设计、稳定性分析等。下面结合实际工程中的取值逐步分析[1]。

1.1 抛石范围

该工程采用抛石护岸形式，抛石范围为：护岸顶宽1m，迎水侧坡比1∶2放至缓坡处，缓坡通常要缓于1∶3.0-1∶4.0，进入缓坡后水平方向设置抛石护脚。

1.2 抛石厚度

参照《河道整治设计规范》(GB50707-2011)附录B.3.2公式，当采用人工块体或经过分选的块石作为斜坡堤的护面层时，波浪作用下的单个块体、块石的质量Q及护面层厚度t可按下式计算：

(1)

(2)

式中：Q为主要护面层的护面块体、块石质量，t；当护面由两层块石组成，则块石质量可在0.75Q-1.25Q范围内，但应有50%以上块石质量>Q；rb为—块石重度，考虑空隙取20kN/m3；r为水的重度取9.8kN/m3；H为设计波高，m，采用H5%=0.31*1.94=0.60m；KD为稳定系数，块石抛填二层取4.0，立放一层取5.5；n为护面块体或块石层数，n=2；c为系数，块石抛填二层取1，立放一层取1.3-1.4；t为块体或块石护坡面层厚度，m；m为斜坡坡率[2]。

经计算：Q=0.025t，t=0.45m。

由于抛石护岸距离主河道较近，受冰凌作用概率较大，同时结合以往实际工程经验，偏安全考虑其采用的抛石厚度取不≥60cm。

2 抗冲粒径计算

在水流作用下，防护工程抛石护坡、护脚块石保持稳定的抗冲粒径(折算粒径)，可按下列公式计算：

(3)

式中：d为折算粒径，m，按球形折算；V为水流流速，m/s；取1.8m/s；g为重力加速度，m/s2；C为石块运动的稳定系数；水平底坡C=1.2，倾斜底坡C=0.9；γs为石块的容重，kN/m3；取25kN/m3；γ为水的容重，kN/m3。

经计算：d=0.13m。

抛石护岸的块石粒径应≥0.13m，抛石≥两层。

3 反滤层设计

为防止退水期渗出水将岸坡土体颗粒带出和波浪淘刷造成护岸塌陷而破坏，在抛石及格宾石笼下面铺一层500g/m2复合土工布。

反滤材料的保土性应符合下式要求：

(O95≤Bd85)

(4)

式中：O95为土工织物的等效孔径，mm；d85为土的特征粒径，mm，按土中<该粒径的土粒质量占总土粒质量的85%确定；B为系数，按工程经验确定，宜采用1-2，当土中细粒含量大及为往复水流时取小值。

反滤材料的透水性应符合下式要求：

Kg≥AKs

(5)

式中：A为系数，按工程经验确定，≥10；Kg为土工织物渗透系数，cm/s，应按其垂直渗透系数kv确定；Ks为土的透水性系数，cm/s。

反滤材料的防堵性应符合下式要求：

以现场土料制成的试样和拟选土工织物在进行淤堵试验后，所得梯度比GR应符合下式要求：GR≤3[3]。

4 冲刷深度计算

依据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)D.2，泥沙起动流速为：

(6)

式中：H0为行近水流水深，m；d50为床沙的中值粒径，m；γs、γ为泥沙与水的容重，kN/m3。

平顺护岸的冲刷深度可按下式计算：

(6)

(7)

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；n为与防护岸坡在平面上的形状有关一般取n=1/4；η为水流流速不均匀系数，本工程取1；U为行近流速，m/s，取1.1。

根据工程地质勘探和土工试验结果，结合地形条件和地质情况，选取代表性较好的断面，共4个典型断面进行计算，计算起动流速及冲刷深度计算成果见表1[4]。

表1 起动流速及冲刷深度计算表

根据表1计算结果，在护岸坡脚处设置护脚，长度以2-3倍冲刷深度为原则，护脚长度取5-7m。

5 边坡稳定分析

坡式护岸边坡稳定包括整体稳定和边坡内部稳定2种。

5.1 整体稳定计算

整体稳定包括护岸及岸坡基础土的滑动和沿护坡底面的滑动两种，本次采用瑞典圆弧法对护岸及岸坡基础土的滑动进行计算。

计算公式如下：

(8)

式中：W为土条重量，kN；Q、V为水平和垂直地震惯性力(V向上为负，向下为正)，kN；u为作用于土条底面的孔隙压力，kN/m2；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；c′、φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标，kN/m2；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。