護岸工程設計基本問題淺析

(1.長江勘測規劃設計研究院有限責任公司 江河整治公司，湖北 武漢 430010;2.宣州區城東防洪工程管理處, 安徽 宣城 242000)

護岸工程設計基本問題淺析

尚欽1汪繼承2周冬妮1鄭華康1

(1.長江勘測規劃設計研究院有限責任公司江河整治公司，湖北武漢430010;2.宣州區城東防洪工程管理處,安徽宣城242000)

由于河勢演變比較復雜、護岸理論研究相對落后，且護岸工程的設計仍停留在對20世紀中早期半經驗公式的應用上。通過對現行規范中基本經驗公式的研究，分析了公式的適用性和局限性；在此基礎上，明確了護岸工程范圍的劃分，闡釋了護岸工程范圍確定的基本原則及半定量方法，提出了工程結構(拋石粒徑、防沖備填石)的設計計算方法，為護岸工程設計提供了新思路。

護岸工程；沖刷坑；防沖填石

鑒于河勢演變比較復雜、護岸理論研究相對落后，且護岸設計仍停留在對20世紀中早期提出的半經驗公式的應用上，導致護岸工程作為一項動態工程往往滯后于險情，且長期處在加固維護中。本文針對護岸工程設計的幾個半經驗公式(沖刷坑計算公式、塊石抗沖粒徑和防沖備填石計算公式)進行了詳細研究，分析了其出處、原理和適用性，并結合當前河勢演變分析手段，提出了護岸工程設計新思路。

1 半經驗公式

1.1 沖刷坑計算

目前在護岸設計中廣泛采用的幾種沖刷坑計算公式大多引自國外有關規范標準。由于國內外水流和地質條件的不同，公式是否適用于國內河流有關問題的計算有待驗證。主要的沖刷深度計算公式的來源和對比詳見表1。表1中前3個公式均針對橋梁墩臺局部沖刷模型，考慮水流局部流速變化、河底抗沖流速、含沙率等影響因素，并根據大量的工程案例和試驗，擬合出半經驗公式；后3個公式則是針對橋下沖刷模型，主要考慮由于橋墩縮小了過流斷面，產生壅水，橋下河道水面比降增加，流速增大，進而導致沖刷，并根據大量工程案例擬合出半經驗公式。而平順護岸基本不改變河道過流斷面，不會造成水流流場的局部變化，其近乎河床自然演變沖刷。因此上述公式不適用于平順護岸，與丁壩的壩根沖刷也差異較大。對比各公式的計算結果，離散性較大，對于平順護岸工程設計基本不具有指導意義。

1.2 塊石抗沖粒徑計算

原《堤防工程設計規范》(GB 50286-98)和《河道整治設計規范》(GB50707-2011)中均采用公式:

(1)

式中，d為塊石穩定粒徑，m;V為水流流速，m/s;g為重力加速度，9.81 m/s2;C為塊石運動的穩定系數，水平底坡取 0.9，傾斜底坡取 1.2，《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)將其修訂為水平底坡取 1.2，傾斜底坡取 0.9;γs為塊石的重率， 2.65 kN/m3;γ為水的重率，1 kN/m3。經考證，上述公式引自前蘇聯時期的伊茲巴斯公式[5-6]，但是由于種種原因對穩定系數C值的引用出現筆誤。塊石在傾斜底坡上比在水平底坡上更易失穩，對塊石粒徑的要求更高，因此《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)的修訂是正確的。目前已實施的拋石護岸工程或多或少地出現了

表1 主要沖刷深度計算公式來源和對比

拋石被沖走的現象，除河勢變化、施工質量等因素外，是否存在由于錯用穩定系數C值而導致設計拋石粒徑偏小的情況需要作進一步探究。

伊茲巴斯公式從啟動流速出發，按平拋條件推導，還是比較適用于護岸工程的，但只是籠統的按抗滑和抗傾給了兩個綜合穩定系數，未與岸坡坡度緊密關聯，因此不夠精細。

1.3 防沖備填石計算

《長江中下游平順護岸工程設計技術要求》中對防沖石量考慮了2個方面的因素，即河道橫向變形被抑制后坡腳產生沖刷需要備填石量，工程興建后河床較長時間的調整也需要一定的加固石量，并推薦如下公式[7]。

備填石量:

(2)

加固石量計算：

Wc=KBt(∑ΔHmax-ΔHmax)/m2

(3)

式中，Wp為備填石量，m3/m;Bt為坡腳拋石厚度，m3/m；St為坡腳拋石寬度，m，重要工程取8 m，一般工程取4 m；m1為護岸前河床邊坡系數，一般取0.25，m2為穩定后河床邊坡系數，一般取 0.5；K1和K為安全系數，K1一般取1.1；重要工程K取1.3，一般工程取1.2；ΔHmax為從新護后第一年守護段內平均最大沖刷深度，m；據長江中下游實測資料，迎流頂沖段為5～8 m，其他守護段為3～5 m；∑ΔHmax為新護到工程基本穩定(一般為2～3 a)的累積最大沖刷深度，據長江中下游實測資料，迎流頂沖段為10～15 m，一般段為8～10 m。

根據長江中下游護岸工程經驗，重要工程段防沖石量取15～25 m3/m，一般工程段取10～15 m3/m。

防沖石護岸只是經驗性的工程措施，備填石量和加固石量按沖刷1 a的時間節點進行劃分更是缺乏理論依據，且依據的關鍵參數——最大沖刷深度和第一年平均最大深度，前者來源于包爾達可夫公式，后者需待工程竣工后1 a才能獲取，因此對工程設計都不具有指導意義。

2 護岸工程設計新思路

2.1 護岸工程范圍的劃分

傳統護岸工程設計僅考慮平灘水位以下的中枯水河槽，而河床地貌應包含洪水位以下的河漫灘、平灘河槽、堤防外坡或自然階地、山體岸坡，即整個洪水河槽，共同作用于河流的沖淤變化。考慮到洪水位以上的風浪作用區也與之存在密切關系，因此建議針對河床地貌的不同位置和作用機理，將護岸工程范圍劃分為護坡、護灘和護腳，分別對應洪水河床整治、中水河床整治和枯水河床整治，從而構成了護岸工程的完整體系。由于河勢演變與水文情勢的復雜性，實際工程難以與水位嚴格對應，設計中應根據具體情況靈活處理。

2.2 護岸范圍的確定

近年來，利用數學和物理模型對河勢演變的規律進行模擬分析取得了長足進步，因此護岸工程設計也應與時俱進，充分利用河勢演變數模、物模的成果，這是今后護岸工程設計的研究方向。

2.2.1 總體布置原則

護岸工程牽涉到排澇、灌溉、航運和岸線利用等多專業問題，以及干支流、上下游、左右岸、近遠期等多方面問題，極為復雜，因此如果缺少綜合考慮，就不能有效處理問題。建議結合工程具體情況，總體上按照以下原則，客觀、公正和科學地處理各方關系。

(1) 護岸工程布置應在防洪規劃、河道整治規劃(或河勢控制規劃)的指導下進行，統籌兼顧其他專業規劃，根據工程任務，正確處理整體與局部、干支流、上下游、左右岸的關系，應先重點后一般，遠近結合，分期實施。

(2) 在規劃方案確定后，護岸工程總體上要根據河勢演變的數模、物模成果確定。

(3) 護岸范圍應根據近岸流速分布、地質情況、歷史地形套繪定量分析確定。

(4) 應根據保護對象、工程影響等因素進行修正和優化。

(5) 需考慮工程實施后對上下游、對岸、河底的影響，并制定相應的處理方案。

(6) 要考慮未來一定時期內可能的河勢變化，護岸位置和范圍要留有一定的安全裕度。由于護岸工程的復雜性，建議有關主管單位在工程竣工后安排工程后評價，由相關單位針對(4)和(5)中的問題進行補充設計和工程處理，該部分費用應包含在整個工程投資中。

2.2.2 確定護岸范圍的半定量方法

以往護岸范圍確定主要依據險情調查、近年河道地形套繪、沖刷坑計算以及工程經驗，存在一定的不確定性和局限性：未出險的河段不表示在其他水流條件下就一定穩定，出險河段也可能從此穩定，甚至開始淤積；依據近年河道地形套繪，可發現河床地貌的變化，可信度相對較高，但由于河勢演變的復雜性，河床地貌年內年際發生較大變化也屬正常，當缺乏測量資料時也易作出誤判；沖刷坑計算公式本身存在局限性，工程設計人員的主觀判斷隨機性較大；因此，通過比較各種水流條件下(至少應包括代表性的枯水位、中水位和洪水位)近岸流速和岸坡土體不沖流速的分布情況，從泥沙起動條件著手，由定量確定可能沖刷范圍的結果更加可信，這相當于在定床條件下來判定沖刷可能。同時為了彌補定床模型的不足，仍需結合歷史地形資料套繪綜合確定。把歷史套繪資料、數模成果、流速比較成果統一在一個平臺上分析，將影響因素量化，盡可能消除工程設計中主觀因素的影響。

2.3 工程結構設計方法

2.3.1 拋石粒徑計算方法

1979年，Stephenson推導了與伊茲巴斯公式基本相同的公式[6]，并分別按平拋、立拋給出了考慮護岸材料水下天然休止角和岸坡坡角因素的綜合穩定系數K的計算公式：

(4)

(5)

式中，V為拋石穩定部位的垂線平均流速，m/s;K為綜合穩定系數；θ為邊坡坡度，φ為拋石休止角。按《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)推薦公式計算，斜坡上的塊石計算粒徑是水平底坡的1.78倍，這直接影響了拋石厚度和工程投資。未考慮岸坡坡度的設計過于粗糙，且很多設計人員并不了解規范公式的出處和原理，造成伊茲巴斯公式長期被錯用，因此推薦采用Stephenson公式。實際工程中，水下護岸大多采用塊石，通常天然休止角基本接近42.5°，岸坡坡比一般在1∶1.5～1∶10之間。該公式并不復雜，但由于缺乏塊石材料，其他護岸材料開始逐步推廣，因此有必要根據岸坡坡角和護岸材料水下天然休止角進行優化設計。按Stephenson公式計算K值的相關分析如表2所示。

表2 平拋護岸形式綜合穩定系數K值

平整、均勻的坡式平順護岸，護岸材料接觸面為自然岸坡，滑動比滾動容易，綜合穩定系數K可以采用平拋公式計算；丁壩等壩式護岸或起伏較大的坡式護岸，上部表面護岸材料與下部同類型材料互相嵌填、咬合，不易產生滑動，控制條件以抗傾穩定為主，因此可采用立拋公式計算。

工程實際中拋石護岸坡比一般不陡于1∶2，從表2可以查得K=0.86。拋石護岸一般護至岸坡坡比1∶4時，可以查得K=1.14，與《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)推薦公式水平K=1.2、傾斜K=0.9的成果范圍大致相當。

2.3.2 防沖備填石計算方法

防沖備填石的概念來自于工程經驗，如果可能受到沖刷部位已得到防護，或者已經對其采取全斷面防護，那么防沖備填石就失去了其存在的意義，實際工程經驗也表明以往工程護岸范圍的設定還需斟酌。

實際工程中，由于工程需要、投資限制、河勢變化等原因，護岸范圍難以完全覆蓋可能沖刷區域，此時設置一定的防沖備填，很有必要進一步觀察，尤其在一些允許枯水河槽適度沖刷的護灘工程中。由于備填石和加固石的劃分并不嚴格，對工程設計也沒有意義，建議不再細分，只需保留防沖備填石一個概念即可。

如假設K1=K，將公式(1)和(2)相加，得到下述公式：

W=KBt[∑ΔHmax-St(m2-m1)/m2

(6)

假設拋石滿布坡面，總防沖石量近似于沖刷前后坡面的護岸拋石量之差,見圖1。

圖1 防沖備填石計算

根據圖1，可推導出防沖備填石量計算公式如下

(7)

式中，K為綜合穩定系數，Bt為坡腳拋石厚度，m3/m;ΔS為坡腳沖刷前后拋石寬度，m;ΔHmax為新護后第一年守護段內平均最大沖刷深度，m;St為坡腳拋石寬度，m;m1、m2分別為護岸前和穩定后的河床邊坡系數。

按此公式計算，長江中下游護岸工程的重要工程段防沖石量為24～39 m3/m，一般工程段取19～24 m3/m，總體上大于公式(5)計算成果。影響較大的主要是ΔHmax的取值，該值不能簡單地由包爾達可夫公式計算求得，應由河勢演變和沖淤計算綜合確定，當防護范圍足夠大，河床不能再進一步淘刷，沖刷深度可取零。根據上述公式，當W計算值不大于零時，說明防護范圍已可抵抗可預見的坡腳沖刷。

3 結 語

由于河勢演變和水文情勢的復雜性，護岸工程是一項動態工程，不能沿用簡單經驗公式和照搬以往工程案例，隨著河勢演變模擬手段的進步，護岸工程設計理論也應與時俱進。同時，護岸工程的新技術、新材料、新工藝發展迅速，在工程實踐中取得了良好的效果，也亟需進行理論上的總結，以指導工程設計及工程實踐。

[1] GB50707-2011 . 河道整治設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2] GB 50286-2013. 堤防工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[3] JTG C30-2015. 公路工程水文勘測設計規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4] JTJ062-2002. 公路橋位勘測設計規范[S].北京：人民交通出版社，2002.

[5] 李煒.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[6] 黃國兵,李學海,程子兵,等.截流塊體穩定影響因素及實用計算公式[J].長江科學院院報，2013,30(8):25-30.

[7] 長江科學院.長江中下游平順護岸工程設計技術要求[R].武漢：長江科學院，2000.

(編輯：李曉濛)

2017-09-15

國家重點研發計劃(2016YFC0402108)

尚 欽，男，長江勘測規劃設計研究院有限責任公司江河整治公司，高級工程師.

1006-0081(2017)11-0060-04

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