清河河道护岸型式比选及结构设计

2023-03-11刘元锋

海河水利 2023年2期

刘元锋

（辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110003）

1 概况

清河是辽河左岸的较大支流。清河上游有南北两支，南支为干流，发源于辽宁清原县，在业民镇大高力屯汇入辽河。清河全长159 km，流域面积5150 km2，比降1.58‰。工程主要位于下游，为河道护岸工程。

河道护岸工程结构型式主要包括：①干流右岸R0+000—R2+415段在0.5 m处设固滨笼护脚，护坡顶设宽1.0 m绿滨垫水平压顶，其下铺设砂砾石垫层和反滤土工布。护脚以下采用软体柴排上抛石防护至稳定边坡。②重力式混凝土挡土墙护岸，顶部宽度0.5 m，迎水侧直立，地基深度1.5 m。墙前设绿滨垫水平护脚。③复式断面段，戗台宽2.5～6.0 m，戗台以下坡面按1∶2.5整形后采用绿滨垫防护，护坡顶设宽1.0 m绿滨垫水平压顶，其下铺设砂砾石垫层和反滤土工布。坡脚设固滨笼护脚；戗台及以上坡面铺设蜂巢土工格室后植灌木和撒草籽防护，灌木株行距为0.5 m。

挡土墙混凝土强度等级为C25F200，其素混凝土强度为C15，土工布单位治理面积≥400 g/m2，由坚硬的未风化的岩石制成，其强度不低于MU30。右岸清河水库坝下民桥至小清河汇入口、左岸清河水库坝下民桥至开原与清河区交界的防洪标准为50 a一遇，右岸小清河汇入口至开原与清河区交界的防洪标准为20 a一遇。清河干流小清河河口以上右岸护岸工程级别为2级，小清河河口以下右岸护岸工程级别为4级；支流小清河两岸护岸工程级别为4级。

2 河道演变特征

河道演变同“河床演变”。河床受自然因素或人工建筑物的影响而发生变化[1]。河床演变是水流与河床相互作用的结果。水流作用于河床使河床发生变化；变化了的河床又反过来作用于水流，影响水流的结构，这种相互作用表现为泥沙的冲刷、搬移和堆积，从而导致河床形态的不断变化[2]。

清河两岸多为砾石土和沙土，河道属于宽浅河道，河床由中细砂组成，抗冲刷能力较差[3，4]。清河在多年的运行过程中，由于支流的集中汇入、河床地质构造、植被覆盖以及人为采砂破坏河道等原因，造成此段清河主槽摆动较大。同时，河岸抗冲刷能力差、侧蚀强烈等原因致使河岸不稳定，河道弯道处冲刷严重，局部形成明显的凹岸。下游采砂严重，导致河道摆动较大、河槽较深，当汛期洪水较大时，造成岸坡陡立，威胁到堤防及岸后城区的安全，需做护岸工程来防止主流淘蚀滩地，以达到稳滩固堤的目的。

从整体上看，清河河道变化集中在主河道处，河床大部分为中细砂，抗冲刷能力较差，凹岸冲刷较严重，危及岸后的耕地[5]。护岸工程需要对清河左岸主城区段浅滩采取固岸措施，以保护沿岸的堤防以及部分耕地，另外结合城市规划，为沿岸居民打造亲水环境。

3 整治线布置

3.1 布置原则

（1）河流两岸均应兼顾，上游或下游应按照河流的自然流向进行布置，不宜改变其自然流向。

（2）河道整治线走向应与河道上下游走向相结合，使其尽可能贴近洪水主流方向[6]，同时考虑中、低水流方向，尽可能缩小交汇角，以减少洪水期间河道的冲淤。（3）整治线的起止点应高于设计洪水、河床稳定、河堤相对坚固或与人工建筑物相连的地方[6]。

3.2 整治线设计

按照清河区城市规划及整治线布设原则，为确保防洪堤的正常运行，设计护岸起始点为拟建2#橡胶坝下240 m处，终点与灰渣段已有护岸衔接，全长747 m。为使两岸防护高度一致，治理段岸顶高程与右岸在建岸顶高程一致。

4 护岸型式选择

为了避免河势变化及河道主流左右摆动，建议修建有利于河势发展的护岸型式，同时根据河流冲刷形式和流域内已建工程经验，从美观性和经济实用性两方面对护岸型式进行了比选[7]。

4.1 常用护岸型式

4.1.1 干砌石

干砌石护岸的优点是施工简单方便，对地基边坡不均匀沉降和塌陷具有很强的适应性[8]，但存在施工标准和质量控制较难等缺点。

4.1.2 浆砌石

虽然浆砌石抗侵蚀能力强，岸坡稳定美观，但由于其生态性能较差，对于生态河道及建设极为不利。

4.1.3 土工模袋混凝土面板

土工模袋混凝土面板是混凝土浇筑在模袋中经凝固后形成的刚性面板护岸[9]，具有抗冲刷能力强、成本相对低的优势。其无需模板，机械化程度较高，适用于各种地形的铺装，无需铺设反滤层，但不能满足河川美景和生态环境的要求。

4.1.4 生态格网石笼

生态格网石笼[10]有较强的抗冲刷性能，可以有效地发挥保护作用，对河流生态基本没有影响。生态格网石笼造价低，施工方便，耐腐蚀性强，使用寿命长，但对变形要求较高的承重结构和防渗要求较高的结构均不适用[11]。

4.1.5 混凝土挡土墙

混凝土挡土墙属于硬质护岸型式，稳定性能较好，抗冲击能力较强，外形美观大方，可有效利用河道宽度[12]，但建设投资和后续维护成本较高，在很大程度上受到基础的影响。

4.2 方案确定

工程建设需满足城市规划要求。现状河岸冲刷陡立，结合现有岸坎情况以及已建护岸型式，左岸主城区护岸采用与右岸在建杨木林子段护岸型式一致的混凝土挡土墙护岸型式。混凝土挡土墙属于硬性护岸型式，施工简单，使用寿命较长。

2#橡胶坝坝顶高程90.2 m，设计岸顶高程90.75 m。由于P=2%设计水位高于现状岸坎高程，本次设计挡土墙顶高程与右岸杨木林子段挡土墙顶高程一致，末端与灰渣堆段已有护岸顺接。2#橡胶坝以上段护岸岸顶高程按照河底平均比降0.7‰向上推求。2#橡胶坝以下段护岸岸顶高程按照P=2%设计水位比降向下推求。结合边坡现状，地面以上挡土墙高3.2 m，基础埋深1.9 m。挡土墙内设置PVC100 mm排水孔，孔距2 m，上下排交错布置，排水孔入口处填筑适量的碎石或卵石反滤料，以防止孔道淤塞。挡土墙每隔15 m设置宽20 mm的伸缩缝，内填油浸沥青板。在挡土墙下层铺设厚10 cm的C15素混凝土垫层。墙前铺设厚400 mm绿滨垫水平护脚，其下铺设厚100 mm碎石垫层和15 kN/m无纺布，护脚长5 m。挡土墙顶部设置防护栏杆。

5 护岸结构设计

5.1 护岸宽度及高程确定

护岸宽度根据材料特性而定，混凝土挡土墙顶宽度为0.5 m。护岸顶高程按照现状滩顶高程结合上下游及对岸在建工程综合考虑。

5.2 护脚宽度确定

根据水文站提供的各断面平均流速，路堤设计规范中河道局部冲刷深度及相关参数计算公式如下：

式中：h s为局部冲刷深度（m）；H0为冲刷水深（m）；U cp为近岸垂线流速（m/s）；n为岸坡形状，取n=1/4～1/6；η为流速不均匀系数；U c为泥沙起动流速（m/s）；U为行进水流流速（m/s）；γs、γ分别为泥沙与水的容重（kN/m3），取19、9.8 kN/m3；d50为床沙中值粒径（m）。河道局部冲刷深度及相关参数计算成果，详见表1—3。

表1 泥沙启动流速计算成果

根据计算的冲刷深度，结合已建工程施工经验，按护脚长度为3倍的冲刷深度要求，确定主城区段护脚铺设长度均采用5 m。固滨笼护脚在施工期低于洪水位时，遭受水蚀和冰挤压最为严重，整个护岸的破坏往往是从护脚开始的，所以护脚需要经受住水流的侵蚀，防止冲刷，适应河床变形，为此护脚的厚度应适当增大。参考本地区河流管理经验，水平面防护绿色护岸绿滨垫厚度为0.4 m。