嘉蔭縣寶安村護岸工程建設內容及結構設計計算

王吉貴，李志堅，吳銘達

(1.通河縣澇區管理站，黑龍江通河150900;2.黑龍江省哈爾濱水文局，哈爾濱150001)

1 工程建設必要性

寶安村護岸工程所在江段為黑龍江干流中游段，江岸及河床土質多為細砂及壤土，結構松散，抗沖性差，在高水大流頂沖以及彎道產生橫向環流沖刷作用下，或在流冰期的冰排撞擊作用下，江岸坍塌嚴重，尤其是近10 a塌岸速度發展較快，使岸線不斷后退，大量土地流失，人民財產受到損失，影響邊貿經濟發展，因此，修建護岸是十分必要的。

2 治理標準及工程設計

2.1 治理標準

根據松遼委關于國境河流防護工程設計文件編制提綱的要求，以及省邊境河護岸辦公室有關邊境河流護岸工程設計的要求，護岸的洪水標準按20 a一遇洪水設計。

護岸頂高程按20 a一遇洪水位設計。當岸頂地面高程高于20 a一遇洪水位時，以20 a一遇洪水位為設計護岸頂高程，當岸頂地面高程低于20 a一遇洪水位時，以岸頂地面高程為設計護岸頂高程。護腳工程底部高程一般護到坡度為1∶3～1∶4的緩坡河床處，但深泓靠岸的應護至深泓。

2.2 工程設計

根據《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)中“修建防護工程應盡量不過多縮窄過洪斷面，不造成汛期洪水位較大拉高，凡適宜修平順護岸的則不修丁壩的原則，本次護岸工程的總體布置根據地形，并符合水流的演變規律，將護岸工程沿江岸布置，盡量不改變河流的走向。

對于護岸結構型式，本次設計選用干砌石、預制混凝土板、拋石、雷諾護墊四種護坡材料進行比較，單位面積造價比較見表1。

方案比較結果表明:拋石結構造價最高，依次為雷諾護墊造價、干砌石結構、預制混凝土板造價最低。由于混凝土板外表美觀，價格最低，并縣該護岸臨村屯較近，考慮美觀性，經濟等綜合因素，確定護岸全部采用預制混凝土板護坡結構型式［1］。

2.3 護岸長度、高程及邊坡的確定

2.3.1 護岸長度的確定

通過現場調查了解、實測橫斷面及地形圖的分析，既考慮了岸邊坍塌部位，又考慮沖刷的趨勢，綜合確定了寶安村護岸長度為2 500 m。

2.3.2 護岸頂高程的確定

由于護岸所在位置江段20 a一遇洪水位較高，而江岸的岸頂高程(80.63～86.52 m)又均較低，且低于20 a一遇洪水位(87.01～87.15 m)，所以寶安村護岸設計岸頂高程基本上與原有岸頂高程一致，護岸設計岸頂高程在81.50～85.70 m。

2.3.3 固腳高程的確定

固腳頂高程位于穩定河床以下，為了防止護坡下滑，穩定河床，將寶安村護岸設計固腳頂高程在78.4 ～81.5 m［2］。

2.3.4 坡比的確定

根據工程位置、地形、地質組成情況進行穩定分析以及已建護岸工程的經驗，并考慮到工程施工等方面的需要，確定護岸坡比為1∶3.0。護島護坡結構方案比較表見表1。

表1 護島護坡結構方案比較表

3 結構設計

3.1 混凝土板護坡結構設計

3.1.1 基本資料

根據嘉蔭縣氣象局提供的實測風速資料，計算歷年4—10月份各風向最大風速平均值，護岸計算風向采用東風(E)，對應最大風速平均值為8.71 m/s，設計情況采用風速為平均風速的1.5倍，即13.07 m/s。

最大吹程在1/25000地形圖上量得1.5 km。

3.1.2 風浪計算

根據《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)附錄C，波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式為:

式中:H平均波高，m;T平均波周期，s;V為計算風速，m/s，V=13.07 m/s;F 為風區長度，m，F=1 500 m;d為水域的平均水深，m，d=5 m;g為重力加速度，9.81 m/s2。

按平均波周期計算的波長計算公式為:

式中:L為平均波長，m。

將各值代入公式求得:H=0.223 m，T=2.096 s，L=6.858 m。

3.1.3 混凝土板厚度計算

根據《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)附錄D計算公式:

式中:t為混凝土護面厚度，m;η為系數，對開縫板可取0.075;對上部為開縫板，下部為閉縫板可取0.10;rb為混凝土板重度，KN/m3，rb=24 kN/m3;r為水的重度，kN/m3，r=10 kN/m3;H為計算波高，m;取H1%;根據《堤防工程設計規范》附表C.1.3-1計算:計算波高H1%=0.223×2.34=0.522 m;L為波長，m;B為沿斜坡方向(垂直于水邊線)的護面板長度，m;B=60 cm;m為斜坡坡率。m=3.0。

經計算:t=0.06 m。

參照已建護岸工程的厚度，考慮冰推力的影響，所以混凝土板厚度取15 cm。

設計混凝土板尺寸為0.4×0.6 m，其長邊沿垂直于水邊線方向鋪設。

3.2 護頂、固腳、封邊設計

3.2.1 護頂

護頂工程是為了防止雨水沖刷，人類及牲畜活動的破壞。護岸頂部采用寬1.0 m，厚度0.15 m的混凝土板封頂，下設10 cm厚砂礫石墊層及一層400 g/m2無紡布反濾［3］。

3.2.2 固腳

本工程中河灘坡度平緩，穩定河槽高程大部分高于多年平均枯水位，因此，確定固腳工程采用干砌石結構，干砌石固腳頂寬1m、底寬2m，高1m，固腳下設10cm厚砂礫石墊層及一層無紡布。

3.2.3 封邊

由于各護岸工程相對獨立，為防止河勢及水流變化對護岸工程的首尾端沖刷破壞，本次設計在每段護岸工程的首尾兩端均采用封邊設計，對于預制混凝土板護坡封邊結構采用單塊混凝土預制板插入地面，插入深度為混凝土板長邊長度［4］。

3.3 穩定計算

3.3.1 穩定計算采用滑動圓弧法進行

圓弧法穩定計算公式為:

式中:FS為安全系數;Ci為第i個土條中滑動面所在土層的凝聚力，kN/m2;Li為第i個土條中滑動面所在土層的長度，m;b為土條的寬度，m;rn為第N層土體的容重，kN/m3;hni為第i條土體中第N層土的高度，m;θi為第i條土體底面中點的法線與豎直線的交角，°;φ為第N層土體的內摩擦角，°。

計算結果見表2。

表2 邊坡穩定計算結果表

3.3.2 護腳塊石抗沖穩定計算

根據《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)附錄D.3.4，在水流作用下，防護工程護坡、護腳塊石保持穩定的抗沖粒徑(折算粒徑)可按下式計算:

式中:d為折算直徑，m，按球型折算;S為石塊體積，m3;V為水流流速，2m/s;g為重力加速度，9.81m/s2;C為石塊運動的穩定系數;水平底坡c=0.9，傾斜底坡 c=1.2;rs為石塊的重率，可取 rs=20.58 kN/m3;r為水的重率，r=9.8 kN/m3。

計算結果:d=12.87 cm。

［1］王翯，許健疆.察哈彥護岸工程設計與施工［J］.黑龍江水利科技，2009，37(05):86-87.

［2］王黑鐵，王成才.黑龍江干流國境界河國土防護護岸工程結構型式選擇［J］.黑龍江水利科技，2003(03):44.

［3］卜漢臣.黑龍江干流界河段已建防護工程存在問題分析［J］.水利科技與經濟，2006(09):55-56.