堤防工程設(shè)計(jì)中確定護(hù)底石籠尺寸方法的探討

徐進(jìn)漢

(陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院，陜西 西安 710003)

堤防工程設(shè)計(jì)中確定護(hù)底石籠尺寸方法的探討

徐進(jìn)漢

(陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院，陜西 西安 710003)

護(hù)底布置在緊靠岸坡堤腳的灘面，是護(hù)岸的延續(xù)，可減輕沖刷深度，且能填補(bǔ)沖坑，以免堤腳基礎(chǔ)沉降危及堤防安全。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)河道設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不同，護(hù)底寬度常按經(jīng)驗(yàn)數(shù)字確定，為沖刷深度的1.5～2倍或河底寬度的1/10～1/5，常取10～20 m，沒(méi)有進(jìn)行量化，容易造成防護(hù)體設(shè)置的不當(dāng)，防護(hù)體不足則影響工程安全，過(guò)量則造成投資加大。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286－98)及《堤防工程手冊(cè)》歸納總結(jié)堤腳護(hù)底的寬度計(jì)算方法，并用伊士巴許公式對(duì)石籠體重量、抗滑及抗懸浮所需厚度進(jìn)行復(fù)核，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)結(jié)論進(jìn)行評(píng)價(jià)。

堤防工程;堤腳護(hù)底;防護(hù)寬度;尺寸確定

堤防是保護(hù)沿江濱海生命財(cái)產(chǎn)的主要防洪工程，大堤的安全，必先固岸護(hù)坡、穩(wěn)定河勢(shì)以防止堤岸發(fā)生崩坍、急流逼近堤腳。

對(duì)于土堤來(lái)說(shuō)，堤防工程的安全性或穩(wěn)定性，主要是要考慮滲流和防沖。尤其在河灣地段，由于存在彎道環(huán)流，水流不斷沖蝕凹岸，會(huì)引起凹岸淘刷凸岸淤積，深泓線緊貼凹岸并向凹岸移動(dòng)，主流逼近凹岸堤腳，流速加大，導(dǎo)致灘腳更進(jìn)一步?jīng)_刷，河床下切引起坡腳塊石基礎(chǔ)外延下滑，如果坡腳處沒(méi)有預(yù)留充足的塊石補(bǔ)給，岸坡將失穩(wěn)，危及堤防安全，所以彎道凹岸不僅要考慮護(hù)岸，一定要做護(hù)底工程，護(hù)底工程是護(hù)岸的延續(xù)，是岸坡穩(wěn)定的保證。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286－98)及《堤防工程手冊(cè)》，本文歸納總結(jié)了堤腳護(hù)底的寬度計(jì)算方法，并用伊士巴許公式對(duì)石籠體重量、抗滑及抗懸浮所需厚度進(jìn)行復(fù)核，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)結(jié)論進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 設(shè)計(jì)中現(xiàn)存的問(wèn)題

護(hù)底布置在緊靠岸坡堤腳的灘面，使水流不能直接淘刷坡腳河床，減輕沖刷深度，且能填補(bǔ)沖坑，以免堤腳基礎(chǔ)沉降危及堤防安全。

在考慮岸坡堤腳的抗滑穩(wěn)定時(shí)，必須使緊靠坡腳的沖刷坑底與岸坡連線保持較緩的坡度，保證坡腳不會(huì)被直接沖刷而失穩(wěn)，因此需要在坡腳灘面設(shè)置防護(hù)層，防止水流吸出塊石底部細(xì)顆粒砂礫石層形成沖坑，并延伸至河床一定寬度。

對(duì)于護(hù)底工程的寬度，主要考慮主流逼近凹岸的河勢(shì)和最大沖刷深度，要求護(hù)底寬度越過(guò)這些最有危害的水力紊動(dòng)區(qū)間，達(dá)到最大的防護(hù)效果，一般為河底寬度的1/10～1/5，常采用10～20 m，或2倍水深的距離。護(hù)底越寬，防沖效果越好，也有專業(yè)書籍提出，防護(hù)寬度為沖刷深度的1.5～2倍。

但是，上述數(shù)值為經(jīng)驗(yàn)數(shù)字，沒(méi)有相關(guān)的規(guī)程規(guī)范及專業(yè)書籍，給出一個(gè)計(jì)算方法，來(lái)量化護(hù)底防護(hù)體的寬度，這樣，對(duì)于不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的河道堤防，在坡腳防護(hù)設(shè)計(jì)中，不能量化，容易造成防護(hù)體設(shè)置的不當(dāng);防護(hù)體不足會(huì)影響工程安全，設(shè)置過(guò)大會(huì)增加工程投資。

2 設(shè)計(jì)及工程實(shí)例驗(yàn)算

在設(shè)防洪水情況下，無(wú)論是根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D中的沖刷深度公式計(jì)算出的結(jié)果，還是河工模型試驗(yàn)成果，堤腳沖刷深度均較大，如果將基礎(chǔ)放置在沖刷深度以下，工程投資勢(shì)必很大，通常是將基礎(chǔ)相應(yīng)抬高，坡腳處采取護(hù)底鋪墊，以免水流淘刷堤腳基礎(chǔ)引起失穩(wěn)，危及堤防安全。

常用的護(hù)底防護(hù)材料一般有拋石、石籠及沉排防護(hù)。拋石體及沉排表面不平整，會(huì)阻礙水流增加紊動(dòng)，引起流速變化對(duì)工程不利，所以石籠護(hù)底為工程常用材料。

2.1 防護(hù)寬度的確定

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.6條規(guī)定:在水流平順河段，可護(hù)至坡度為1:3～1:4的緩坡河床處。可知，防護(hù)體設(shè)置后，需使岸坡坡腳形成一個(gè)緩坡，不能有影響坡腳基礎(chǔ)失穩(wěn)的沖坑存在，這樣才能使坡腳基礎(chǔ)穩(wěn)固。

在設(shè)計(jì)中，因?yàn)榈棠_沖刷深度均較大，如果基礎(chǔ)放置在沖刷深度以下，則埋深很大，需水下大開挖，施工費(fèi)用加大;故將基礎(chǔ)抬高，將基礎(chǔ)底部高程與該斷面沖刷高程的差值，乘以水下砂礫石穩(wěn)定坡比1:3的斜長(zhǎng)，即為防護(hù)體寬度。

寬度確定后，對(duì)防護(hù)體的厚度及重量，結(jié)合工程實(shí)例，分別用公式進(jìn)行驗(yàn)算，看是否能滿足防沖要求。

2.2 工程實(shí)例

2009年3月，安康中心城市建設(shè)投資開發(fā)有限公司委托水利部西北水利科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)中心，對(duì)漢江安康城區(qū)江北防洪三期工程進(jìn)行河工模型試驗(yàn)，《試驗(yàn)報(bào)告》提出了不同堤段沖刷高程特征值，以SW11(丁壩)斷面為例，平面位置在1+140 m，該處灘面高程為233.94 m，沖刷深度為227.20 m，高差6.74 m，如將基礎(chǔ)埋置在沖刷深度以下，則水下開挖量和施工抽水量巨大，實(shí)際施工時(shí)，將堤腳基礎(chǔ)高程放置在230.94 m，比最大沖刷深度高3.74 m，外側(cè)采用石籠護(hù)底。

依據(jù)前述公式進(jìn)行計(jì)算，確定石籠護(hù)底的寬度為11.8 m。

1)石籠體重量驗(yàn)算

籠體材料采用格柵，相對(duì)于鉛絲籠體和格賓材料，格柵為柔性材料，承擔(dān)變形能力強(qiáng)，與河床面接合緊密，利于防沖;材料便宜，價(jià)格比鉛絲籠體能節(jié)省百分之六十以上;施工簡(jiǎn)單，易于綁扎。

考慮格柵產(chǎn)品幅面寬度為4 m，故確定格柵籠體斷面為矩形，寬度1 m，高度0.8 m，單個(gè)籠體垂直河道擺放，在防護(hù)區(qū)內(nèi)滿布，籠體間牢固聯(lián)接。

根據(jù)《堤壩防浪護(hù)坡設(shè)計(jì)》中介紹，對(duì)于護(hù)底塊石所需重量，采用伊士巴許公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:W為塊石穩(wěn)定所需最小重量;V為作用在塊石上的水流速度，根據(jù)水模試驗(yàn)，取3.6 m/s;γM為塊石容重，2.6 t/m3;γ為水容重，1t/m3;α為石籠護(hù)底與水平面交角，根據(jù)水下砂卵石層所能形成的穩(wěn)定坡比為1:3～1:4，取最不利值1:3，為18.4°;g為重力加速度;K為伊士巴許常數(shù)，對(duì)于嵌固塊石 K=1.2，對(duì)于非嵌固塊石，K=0.86;

可得 W=0.85t。

單個(gè)籠體所形成的重量，大于此值，滿足要求。

2)抗滑所需要的厚度，用下式計(jì)算:

式中:t1為抗滑所需要的框籠填石厚度;H為該處最大的波高，取0.8 m;P為塊石孔隙率，要求孔隙率不大于20%;▽為塊石在水中的比重，天然比重減去水容重，1.6t/m3;α為石籠護(hù)底與水平面交角，18.4°;

可得 t1=0.07 m，實(shí)際為 0.8 m。

3)抗懸浮所需要的厚度，用下式計(jì)算:

式中:t2為抗滑所需要的框籠填石厚度;H為該處最大的波高，取0.8 m;P為塊石孔隙率，要求孔隙率不大于20%;▽為塊石在水中的比重，取1.6t/m3;α石籠護(hù)底與水平面交角，取 18.4°;

可得 t2=0.06 m，實(shí)際為 0.8 m。

可見，籠體尺寸均大于計(jì)算值，滿足水流防沖要求。

工程施工過(guò)程中，經(jīng)歷了2009年及2010年兩次超標(biāo)準(zhǔn)洪水考驗(yàn)，洪水消退后，對(duì)堤防基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)，籠體下層的河床面沖刷微弱，對(duì)堤腳基礎(chǔ)的防護(hù)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，運(yùn)行安全，效果良好。

3 結(jié)論

深泓線緊貼的岸坡堤腳，沖刷深度較大，如果將基礎(chǔ)放置在沖刷深度以下，工程投資勢(shì)必很大，通常是將基礎(chǔ)相應(yīng)抬高，坡腳處采取護(hù)底鋪墊，以免水流淘刷堤腳基礎(chǔ)引起失穩(wěn)，危及堤防安全。

對(duì)于護(hù)底的寬度，在設(shè)計(jì)中，常按經(jīng)驗(yàn)數(shù)字確定，為沖刷深度的1.5～2倍或河底寬度的1/10～1/5，常取 10～20 m，沒(méi)有進(jìn)行量化，容易造成防護(hù)體設(shè)置的不當(dāng)，防護(hù)體不足則影響工程安全，過(guò)量則造成投資加大，本文根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，進(jìn)行了總結(jié)歸納，并用伊士巴許公式對(duì)石籠體重量、抗滑及抗懸浮所需厚度進(jìn)行復(fù)核，對(duì)堤防工程石籠護(hù)底尺寸的確定，提供了一個(gè)計(jì)算方法，供設(shè)計(jì)人員在類似工程中參考。

［1］包承綱.堤防工程合成材料應(yīng)用技術(shù).中國(guó)水利水電出版社.1999.

［2］余廣明.堤壩防浪護(hù)坡設(shè)計(jì).中國(guó)水利電力出版社.1987.

［3］毛昶熙等.堤防滲流與防沖.中國(guó)水利電力出版社.2003.

［4］毛昶熙主編.堤防工程手冊(cè).中國(guó)水利電力出版社.2009.

TV871.1

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1004－1184(2012)05－0209－01

2012－05－25

徐進(jìn)漢(1972－)，男，陜西安康人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。