丰溪河鸡公石崽段岸坡坍塌成因分析及对策研究

戴 霖 简鸿福 邓 伟

(江西省水利科学院，江西 南昌 330031)

自然弯曲河流迎流顶冲段受水流冲刷、水位暴涨暴落和不良人为活动影响，河岸坡脚掏空和崩岸现象频发，严重威胁堤防稳定和两岸居民安全。多数崩岸是河道自然演变形成的，由水动力条件、水位变化、河岸形态及河岸地质条件等自然因素驱动；同时人为荷载、采砂、兴建建筑物等人为因素也会对河岸稳定性产生影响[1]。稳固而生态的护岸工程是沿河区域社会发展的安全保障[2]。针对不同险工险段，在选取工程措施时，需要从不同衬护结构的抗冲刷能力、适应变形能力、生态性、经济性和施工难易程度等方面考虑，优选河岸固脚和护坡技术。

长期以来，国内外学者在岸坡崩岸、坍塌等失稳成因和采取对策方面做了大量的研究。陈景[3]、黄河[4]结合各种典型崩岸工程实际，在理论上分析了河道岸坡破坏机理；刘小平等[5]、简鸿福等[6]、江辉等[7]根据河流治理工程实例，开展了中小河流岸坡整治生态固岸技术集成及典型模式研究。

为进一步理清丰溪河鸡公石崽段岸坡失稳的原因和优选治理方案，有必要进行相关技术研究。本文从水流、地质、地形地貌和上下游建筑物等因素分析了河岸坍塌的原因，优选了岸坡固脚和护岸工程方案，计算了雷诺护垫的厚度，对类似工程问题的处理具有一定的参考价值。

1 工程概况

丰溪河位于江西省东北部，是信江流域第二大支流。主河道长117km，坡降1.8‰。流域面积2258km2。鸡公石崽段位于丰溪河中游段右岸，丰溪河支流十都港(集雨面积190km2，河长29.50km)汇入口处，在广丰区五都镇境内(见图1)。该段现状为土质岸坡(见图2)，植被覆盖少，水土流失较严重，未进行衬护处理。该段长约300m，现状岸坡顶高程为110.0～113.0m，岸坡高4.8～7.5m，迎水坡坡比一般为1 ∶1.0～1 ∶2.5，近年来因冲刷能力较低，导致堤段堤脚淘空、岸坡坍塌等问题(见图3)，给沿岸居民的生命财产安全构成威胁。

图1 丰溪河流域图

图2 鸡公石崽段现状

图3 鸡公石崽段岸坡局部坍塌

2 岸坡坍塌成因分析

该河道岸坡坍塌的主要原因如下：

a.地质条件。据钻探成果及现场调查，丰溪河鸡公石崽段岸坡局部段较陡，漫滩一般发育，现状为土质岸坡，未护坡。该段河岸从上至下分布的土层为人工填土、第四系残坡积含砾粉质黏土、卵石，下伏基岩为强风化砂砾岩。其中，人工填土主要以壤土、砂卵石为主，呈松散状，填筑质量较差，具中等透水性，抗冲性能及防渗性较差，岸坡类型属稳定性较差的岸坡。由于不良土质的影响，岸坡土体黏聚性较差，强度偏低，受水流的冲刷侵蚀影响较大。岸坡在水流侵蚀过程中，松散土质易被水流带走，导致坡脚快速后退，特别是河流弯道凹岸处作用更为明显。

b.水流条件。丰溪河历年来常有因暴雨产生的洪水灾害，具有典型的山溪性洪水特点，暴雨次数多，且强度大，大多发生在4—7月，汇流时间短，洪水来水快，流速较大。水流因素作为导致岸坡坍塌的重要因素之一，多发生于受水流纵向冲刷河段，即河道凹岸，因其流速大，冲刷程度相应变大，极易对河道弯曲段冲刷形成险段；并且随着洪水流量增大，河道在高水位时，岸坡土体受水浸泡，孔隙水压力变高，抗剪强度下降；当洪峰过后，河道水位迅速降低，在岸坡内形成非恒定渗流，使得岸坡稳定性下降[8]。

c.地形条件(见图4)。该河段岸坡多位于凹岸段，正对丰溪河主干段迎流顶冲，导致岸坡及基础冲刷严重；其次，由于十都港支流汇合丰溪河主流后，纵向水流及横向水流汇合在一起，形成涡旋水流直接对河堤堤脚进行掏蚀，在堤脚下易冲成深坑。最后，该河段上游约500m处建有下忠良坝，该坝坝高6～7m，在汛期洪水通过陂坝下泄过程中，加剧了鸡公石崽段的坝坡冲刷及基础掏刷，从而导致堤岸坍塌事件的发生。

图4 丰溪河鸡公石崽段位置平面图

3 措施对策

3.1 现状断面

根据近年来地质勘察及测量成果(见图5)，该段坡脚冲刷、掏空严重，已基本出露基岩面，与上述该险段分析基本一致。由于基岩面高程约为101.86m，距历年枯水位105.16m相差3.3m左右，河水较深，且位于迎流顶冲段，存在较大的施工难度。

图5 丰溪河鸡公石崽段典型断面

3.2 方案比选

根据该河段地质、地形、水流河势特征，分别对固基工程及岸坡衬护工程进行方案比选；在满足结构安全、生态、投资等条件下选出最优方案。

3.2.1 固基工程

为保证该段坡脚安全，基础应具有较强的抗冲及稳定能力。本次比选了3种基础加固方案：

方案一：浆砌石固基。浆砌石作为传统加固结构型式之一，其施工工艺简单，结构强度较高，抗冲性能好，在水利工程中大量被使用。多用于河流原岸坡结构不稳、冲刷较严重的河岸，以提高护岸的防洪功能。

方案二：传统抛石固基。抛石是为防止河岸坡脚受水流冲刷而抛填较大石块的一种防护措施，传统抛石由于其施工工艺简单，单价较低，在水利工程基础加固中较为常用[9]。

方案三：网兜抛石固基。网兜抛石利用钢丝立体网格，将块石料填充后，再用机械将其吊装至指定位置，达到防护效果。相较于传统抛石，网箱将块石包裹，使其整体性更好，抗冲性更强。在长江河段整治中应用较为广泛[10]。

综合上述三种基础加固方案对比，方案一采用浆砌石情况下，由于施工期水位较高导致出现如围堰填筑断面较大、填筑困难等问题，施工存在一定难度；其次该河段无开挖利用料，围堰填筑及开挖均需外运导致投资较大。方案二传统抛石由于在施工中块石抛投的散落范围较大，且在水流冲击下，块石容易发生流失，导致损耗较大，影响投资及效果。方案三网兜抛石相较于传统抛石，在面对复杂地形、不同河势下，由于网箱强度高且对填空块石存在一定的约束，使得网兜抛石具有整体性更好、稳定性更高、抗冲能力更强等特点。其受水流影响较小，块石到位率较高，施工质量更容易得到控制。

因此，本次采用网兜抛石对该段岸坡坡脚基础进行加固。

3.2.2 护岸工程

本次共比选了3种岸坡衬护方案：

方案一：浆砌石护坡。浆砌石护坡是对砌石之间使用胶结材料(如水泥砂浆)进行填充，对河道岸坡进行防护的砌体结构。石块依靠胶结材料的黏聚力、摩擦力和石块本身重量，保持坡面的稳定。由于石块间空隙被充塞密实，因而具有更好的整体性、密实性和强度，可以防止渗水漏水，增加抵抗侵蚀的能力。

方案二：干砌石护坡。干砌石护坡是将块石砌筑规整对河道岸坡进行防护。它依靠石块自身重量及石块接触面间的摩擦力在外力作用下保持稳定，常用来固定土质坡式河岸，防止水流直接冲刷坡面土体。无须胶凝材料，块石之间存在的大量空隙有利于水生、两栖类动植物的生长。施工方法相对简单，易操作，工程造价相对较低。

方案三：雷诺护垫。雷诺护垫是将符合要求的石料填充到经过特殊加工的机编的高伸张率低碳钢丝扎成的柔性立体网笼中，使整体具有一定的孔隙率，然后绑扎盖网，形成的石垫整体岸坡护面。因其造价低、生态性好、适用性强、具有一定的柔韧性等特点得到了越来越多的应用。是目前水利工程生态护坡中运用较多的一种型式[11]。

结合河段地形的特点，对各方案从抗冲刷能力、适应变形能力、施工难易程度、生态性以及经济性等影响因素方面进行综合对比分析：

a.抗冲刷能力。雷诺护垫及浆砌石护坡相比干砌石护坡均具有较强的抗冲刷能力，但雷诺护垫由于笼内填块石存在一定空隙，减小了风浪的冲击力，风浪、浪峰退下时，箱笼有空隙，破坏了风浪的真空吸力，减小了对防护工程的破坏力度，整体结构可在风浪力作用时进行微调，避免了如浆砌石护坡墙身出现裂缝的缺陷。

b.适应变形能力。浆砌石护坡因其为刚性防护，适应变形能力较弱；干砌石护坡可以适应局部变形，但由于其整体性较差，若局部发生破坏或块石丢失则会导致坡面整体出现坍塌或失稳。雷诺护垫中所用柔韧性较好的低碳钢丝可以将全部箱体连成整体，即使在坡面土体局部沉陷或发生小的变形影响时，结构也能根据自身良好的延展性和柔韧性进行适应性微调，适应变形能力较强。

c.施工难易程度。干砌石护坡需要由人工进行堆砌，施工过程中还应保证表面块石咬扣紧密，不能出现局部空洞等现象；浆砌石护坡在干砌石护坡工艺的基础上，必须控制好砌筑砂浆的质量及缝内充分灌浆，对施工有一定的要求。雷诺护垫则操作简便、工序少、无须特殊的技术工人，整体施工效率颇高且效果易于保证。在有机械进行配合的时候，更能加快施工进度。

d.生态性。相较于浆砌石护坡，雷诺护垫及干砌石护坡的块石间隙可自然生长出当地水陆生植物，可以起到恢复植被、绿化河岸的作用，此外，结构的渗透性有利于增强河岸带的潜流交换作用，提高河流生态环境和水质净化能力。

e.经济性。根据类似工程经验，考虑当地材料价格水平，以上三种护坡对比方案工程造价对照见表1。

表1 三种护坡工程造价对照

综合上述三种护坡方案对比，雷诺护垫在各方面均较突出，本次选择方案三即雷诺护垫对该段岸坡进行衬护。

3.3 断面设计

根据丰溪河该险段地质、地形条件，结合现状情况，确定本次治理方案为：坝脚采用网兜抛石固基，雷诺护垫进行护岸。典型断面设计见图6。

图6 丰溪河鸡公石崽段典型断面设计图

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[12]，结合施工实际情况，网兜抛石固基顶高程为105.40m，顶宽3.0m，坡比1 ∶2.0；其上设置0.4m厚浆砌石压顶，稳固抛石的同时可作为护坡固脚，雷诺护垫厚度0.3m，边坡1.75～1 ∶2.0，护垫下设置聚酯长纤无纺布。

3.4 设计计算

雷诺护垫设计主要对护垫坡脚长度、填石粒径及护垫厚度进行计算[13-14]。护垫坡脚长度可根据坡脚最大冲刷深度及护垫抗滑稳定性综合确定。由于本次计算所需护垫坡脚长度较大，与实际施工情况不符，且对于其他固脚形式而言，投资较大，本次采用浆砌石固脚设计。

雷诺护垫的厚度可参照《生态格网结构技术规程》(CECS 353—2013)[15]中相关公式进行计算，该方法可适用于厚度为150～500mm的雷诺护垫计算，用于河道坡降小于2%的缓流河段。公式为

T=2.0Dm

(1)

(2)

Cv=1.283-0.21lg(R/b)

(3)

式中：T为护垫最小厚度，m；Dm为护垫中填石的平均粒径，m；So为粒径安全系数；Cs为填石稳定系数；Cv为流速分布系数；d为流速v处的局部水深度，m；rw、rs分别为水及填石的重度，kN/m3；V为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，9.81m/s2；K1为边坡修正因子，坡度1 ∶1、1 ∶1.15、1 ∶2、1 ∶3分别取0.46、0.71、0.88、0.98，坡度1 ∶4以上取1.0；R为水力半径，m；b为水面宽度，m。

根据式(2)，计算出丰溪河该险段雷诺护垫填石的平均粒径Dm为0.14m，由式(1)得到护垫最小厚度T为0.28m，结合雷诺护垫一般生产规格，确定本次选取0.3m厚雷诺护垫。

4 结 论

以丰溪河鸡公石崽段堤防加固工程为例，针对险段存在的问题，进行成因分析，并提出了相应的治理方案措施。

a.鸡公石崽段的坝坡冲刷及基础掏刷的主要原因是丰溪河属山溪性洪水，具有暴涨暴落的特点，河段处于河道拐弯的凹岸、十都港支流汇入口下游，长年迎流顶冲，岸坡地质属松散冲积物，且其上游不远的上忠良坝下泄洪水也是主要原因。

b.相较于建造围堰浆砌石固脚和传统抛石固脚，网兜抛石可在有水条件下填筑，整体性更好，抗冲性更强，对石料的要求更低，可减少工程量。

c.相较于干砌石和浆砌石护坡，雷诺护垫护坡的抗冲刷能力、适应变性能力较强，施工较容易，生态性较好，经济性相当。