古水河干流岸坡支挡防护及稳定性分析

陈权浩

(广东河海工程咨询有限公司，广东 广州 510000)

1 河堤岸工程地质问题分析

(1)堤基渗透与渗透变形。治理河段堤基岩土层渗透及低洼地带堤基渗透变形是主要的工程地质问题，建议堤岸做好堤身防渗、抗冲措施，并对堤内近堤分布坑、塘及原始地形低洼地带的堤段进行渗透稳定计算，对不满足渗透稳定要求的堤段进行压渗回填及堤内反滤排水处理措施[1]。

(2)堤基稳定。依据堤基岩土层物理力学性质，结合建基面高程要求及堤基开挖，北市水大部分基础可置于砂砾卵石、含砾粉质黏土(残坡积层)及基岩(全风化花岗岩、强风化花岗岩、弱风化花岗岩)上，地基承载力、抗滑稳定均能满足要求，整体来看，在满足地基抗冲刷要求下，地基的稳定性较好[1]。

(3)特殊土的工程地质。勘探深度范围内，沿线堤基大部分地段由人工填土、砂质黏土、粉质黏土(冲积层)、卵砾质粉质黏土、粉砂、中粗砂和砂砾卵石及粉质黏土(坡残积层)及含砾粉质黏土(坡残积层)岩土体组成[1]，未发现有淤泥土等特殊土层，因此，沿线堤基无特殊土层引起的不均匀沉降变形和抗滑稳定的问题。

(4)堤基抗冲刷。本工程堤基地质结构主要为人人工填土、砂质黏土、粉质黏土(冲积层)、卵砾质粉质黏土、粉砂、中粗砂和砂砾卵石及粉质黏土(坡残积层)及含砾粉质黏土(坡残积层)组成的多层结构及双层结构，作为持力层的粉质黏土(坡残积层)、含砾粉质黏土(坡残积层)及砂砾卵石岩土体抗冲能力较差[1]，所以需抗冲设防才能满足抗冲刷要求。

2 治理方案

2.1 护岸形式选择原则

北市镇主干流治理工程主要通过工程措施改善行洪条件，仅对河道进行本清淤疏浚和护岸，不改变现状防洪标准，河道两侧大部分为农田、林地，因此本次河道护岸顶高程的确定原则为与现状地面高程基本上保持一致，河道护脚防护高程的确定原则为根据本次所计算的河床最大冲刷深度来确定

2.2 岸坡整治形式的比选

河道护岸主要分为墙式护岸和坡式护岸。

(1)墙式护岸。 墙式护岸是指顺堤岸修筑竖直陡坡式挡墙，这种形式多用于城区河流或海岸防护。在河道狭窄，堤外无滩且易受水冲刷，受地形条件或已建建筑物限制的重要堤段，常采用墙式护岸[2-3]。

堤防护岸应根据每段护岸所处河道位置，河道沿岸分布的农田、村庄等情况，结合上下游护坡形式，逐段分析，尽量采用生态护岸和利用当地材料为原则，综合考虑投资造价，通过比选确定各段堤坡护岸型式[3]。墙式护岸多适用于抗冲刷要求较高，并且岸坡较陡的河段。

(2)坡式护岸。坡式护岸是采用抗冲材料直接铺设在堤坡，对河床边界形态改变较小，坡式护岸型式种类较多，各有优缺点，坡式护岸大样图如图1所示。

图1 坡式护岸比选(单位：mm)

砌块石及石笼护坡整体性好，强度高，抗冲流速大，但无法生长植被，投资造价较高；草皮护坡对生态景观有利，投资造价较低，但抗冲刷性差。

坡式护岸多适用于有一定抗冲刷要求较高，并且岸坡较缓的河段[3]。

北市镇主干流治理工程范围大部分位于村庄及农田附近，部分河道相对较窄，且岸顶附近布置有村道(砼路面)，根据现场实际地形同时考虑尽量减少工程占地和节省工程投资等因素。

经过比选，本次北市镇主干流治理工程护岸长度为5.36 km，治理分布如表1所示。

表1 北市镇主干流护岸固脚布置情况

2.3 护岸设计

(1)阶梯型生态框挡土墙+草皮护坡段。

对左岸桩号BSS0+000～BSS1+405、BSS2+600～BSS2+975；右岸桩号BSS0+252～2+600进行护岸固脚，此段桩号范围内的河道两岸居民点分布较密集，且岸坡较陡，考虑到工程建设后的景观视觉效果，因此，本次设计采用阶梯型生态框挡土墙+草皮护坡的形式对该段进行护岸固脚，长度为2128 m。

生态框的规格为2000 mm×1000 mm×500 mm，考虑北市水干流的水深情况及施工后的景观效果，本次设计生态框采用2层，共铺设2128个；框体背后依次铺设反滤土工布和300 mm厚的碎石反滤层(布置于框跟框之间间隙墙后，长度1.0 m)，基础采用500 mm厚C20混凝土基础；生态框内部分层回填土料，每块框格内填筑块石方量为0.56 m3，顶层框格在表面覆10 cm种植土并铺种草皮。

护坡的放坡段均采用草皮护坡，坡比为1∶1.5。

(2)混凝土预制仿木桩+草皮护坡段。

对左岸桩号BSS4+166～4+256、BSS5+485～5+576，右岸桩号BSS0+941～1+405、BSS1+750～2+200、BSS7+656～7+818进行护岸固脚，此段桩号范围内的河道两岸居民点分布较密集，岸边靠近乡道且岸坡较陡，考虑到工程征地困难以及建设后的景观视觉效果，因此，本次设计采用混凝土预制仿木桩+草皮护坡的形式对该段进行护岸固脚，长度1257 m。

仿木桩的规格为φ300×70A，混凝土强度等级为C60，桩顶填芯段长100 mm。结合该段的现场地形情况，本次设计的仿木桩地面以上部分为1.5 m，地面以下部分为3.0 m，桩顶未达原地面高程的，向堤顶方向放坡至原地面高程，坡比为1∶1.5。

(3)生态自锁砌块护坡+草皮护坡段。

对左岸桩号BSS3+252～3+490、BSS3+600～3+700、BSS5+000～5+300，右岸桩号BSS2+975～3+352、BSS4+327～5+000、BSS5+300～5+485、BSS7+452～7+656进行护岸固脚，这些桩号范围内的河道两岸居民点分布较密集，且岸坡较缓，考虑到工程建设后的景观视觉效果，因此，本次设计采用生态自锁砌块护坡+草皮护坡的形式对该段进行护岸固脚，长度为1977 m。

生态自锁砌块护坡单块尺寸为390 mm×300 mm×100 mm(长×宽×厚)，砌块内回填土后进行植草，考虑水深情况及施工后的景观效果，设计铺设砌块的坡面宽度为2200 mm，范围为自清淤后的堤角向上铺设，坡比为1∶1.5，生态自锁砌块底部铺设100 mm厚碎石垫层和一层反滤土工布，砌块上下侧分别采用100 mm厚C20混凝土作为压顶、压脚，堤角处设置20 mm0×500 mm的C20混凝土护脚。

草皮护坡的范围为自砌块压顶上部向堤顶方向的全段护坡，坡比为1∶1.5。

3 护坡稳定性影响分析

3.1 护岸工程冲刷深度分析

新建护岸护脚应满足河床最大冲刷深度的要求。采用《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)中D.2.2及《水力计算手册》中的有关公式，对河岸平顺护岸的局部冲刷深度进行计算。如式(1)～式(2)：

(1)

(2)

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1/5；Uc为泥沙起动流速，m/s；U为行近流速，m/s；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表D.2.2采用。

对于黏性与砂质河床的泥沙起动流速比可采用张瑞瑾公式计算，见式(3)：

Uc=

(3)

式中：d50为床沙的中值粒径，m；γs为泥沙的容重，kN/m3；γ为水的容重，kN/m3。

冲刷计算的水位采用各计算断面相应的5年一遇设计洪水位，计算数据及成果见下表2。

表2 北市镇主干流冲刷深度计算

经计算，北市镇主干流设计护岸护脚埋深满足计算冲刷深度的要求。

3.2 岸坡稳定分析

本工程渗流稳定计算采用渗流计算有限元法，本次计算采用的软件为AutoBank7.7软件中的渗流分析程序。整体抗滑稳定计算参考规范GB 50286—2013的计算公式，采用圆弧滑动法中的毕肖普法。

本次北市镇主干流治理工程的护岸措施主要为生态自锁砌块护坡、阶梯型生态框护岸、仿木桩护岸，具体措施范围见表3。渗流与抗滑稳定计算结果如表4。

表3 北市镇主干流岸坡稳定计算工况

表4 北市镇主干流岸坡渗流与抗滑稳定计算成果

根据计算结果显示，北市镇主干流新建护岸的岸坡在各工况下的渗流出口水力坡降均满足规范要求，岸坡不会出现渗流破坏；新建护岸的岸坡在各工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

3.3 护岸工程挡墙稳定分析

本次北市镇主干流治理工程的护岸措施工程中新建墙式护岸的范围为左岸桩号BSS0+000～BSS1+405、BSS2+600～BSS2+975，右岸桩号BSS0+252～2+600。根据护岸设计情况，此段护岸采用阶梯型生态框挡土墙+草皮护坡的形式，以下选取相关断面对挡墙稳定进行计算，本次北市水干流挡墙稳定计算采用南京库伦软件GEO5中的“加筋土式挡土墙设计”计算程序[4-5]。

(1)计算断面选取。 在北市水干流新建的墙式护岸中选取断面桩号BSS0+700左岸进行挡墙稳定计算。

(2)计算工况如表5、结果如表6所示。

表6 干流护岸工程挡墙稳定计算工况

表7 干流护岸工程挡墙稳定计算成果

由计算结果可知，在完建期、正常运行情况、骤降工况三种工况下，新建挡土墙抗滑、抗倾稳定安全系数及基底应力均满足规范要求[6]。

3.4 护岸工程抗滑桩稳定分析

土的抗剪强度指标结合规范GB 50286—2013规定进行选用。堤基材料物理力学参数采用本阶段的工程地质勘察报告提供的资料[7]。

本次治理工程的护岸措施工程中，本次抗滑桩计算采用南京库伦软件GEO5中的“抗滑桩设计”计算程序[8]。

计算范围北市水干流：左岸桩号BSS4+166～4+256、BSS5+485～5+576，右岸桩号BSS0+941～1+405、BSS1+750～2+200、BSS7+656～7+818拟采用仿木桩的护岸形式。

(1)计算参数、断面选取。 在北市水干流新建的仿木桩护岸中选取断面桩号BSS1+200右岸进行仿木桩设计计算。

本次设计仿木桩采用φ300×70A，桩身混凝土强度等级为C60，桩长4.5 m，地面以上桩长1.5 m，地面以下桩长3.0 m。

(2)计算成果。 根据相关计算结果显示，本次抗滑桩的计算所得桩截面配筋率ρ>最小配筋率ρmin(0.333%>0.254%)，抗弯截面配筋情况为6×φ10@200，保护层厚度取40 mm，桩截面配筋满足要求。截面受剪承载力设计值Vu>V(101.15 kN>8.06 kN)，截面抗剪强度满足要求。

综合上述验算情况可知，本次设计的仿木桩截面满足要求。

4 结 论

本项目是一项公益性的社会系统工程，规划实施后将会取得较好的防洪效益、社会效益、生态环境效益。实施方案确定的治理项目实施后，提高河流沿岸城镇、村庄及农田行洪过流能力，重要防护区防洪能力有较大提高，保障人民生命财产安全。可减少洪涝灾害造成的不稳定因素和不利的政治影响，维持正常的生活与生产秩序，支撑地区经济社会健康可持续地发展。