新開西河生態護岸工程設計探析

曹 崢

(遼寧石佛寺供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110001)

1 概述

新開西河位于大洼區北部，南北走向，下游河口與南河沿河相連，是區內主要的排澇和灌溉蓄水河道。旱季可通過沿線抽水站抽水灌溉；汛期可通過開啟擋潮閘進行澇水自排，當遼河水位相對較高時，可通過南沿河和南沿河排灌站進行機排。河道全長約17.65km，現狀河底寬8～23m，河口寬14～30m，邊坡1∶1～1∶2.0，比降1/20000。兩岸多為農田及村莊，部分段河道已種植楊樹，河道交叉建筑物較多。

2 岸坡工程現狀

項目區河道屬于平原地區，地勢較為平坦，岸坡基本為自然土坡，未做任何防護，迎流頂沖部位經過多年雨水沖刷，現狀岸坡不整，水土流失嚴重，威脅到河堤的安全。

岸坡整治工程本著全面規劃、綜合治理的原則，根據工程區內現有護坡、護岸布置，協調上下游、左右岸關系，確定防沖保護區域。據工程區保護范圍，考慮地形、河勢發展、洪水流向、流速、基礎土質、規劃要求、周邊環境等因素，通過經濟技術比較，河道按護岸工程盡可能利用現有地形，修筑在較穩定的灘岸上，并盡可能避開軟弱地基、深水地帶、古河道、強透水地基。在滿足防洪前提下合理確定河寬，盡量減少占地、房屋拆遷，并利于防汛搶險和管理的情況下布置。

3 護岸結構設計

3.1 護岸型式比選

針對上述存在問題擬溝河兩側迎流頂沖部位岸坡進行護砌，以保證河道順暢、岸坡安全穩定。溝河的護岸，主要以安全、穩定、景觀、生態、自然親水性的完美結合，選擇適當的生態型護岸結構和護岸材料，對著力構建親水型防洪減災、自然型生態修復、景觀型岸線利用為重點的生態護岸型式具有重要意義。常見的護岸型式主要有坡式護岸、壩式護岸、墻式護岸、樁式護岸、生物護岸等，根據上述設計原則結合實際情況，本次設計擬選擇坡式護岸、墻式護岸進行比選。

方案一：河底至設計水位+0.5m采用1∶2的聯鎖式生態砌塊護坡，坡腳設C20素混凝土鎮腳，0.4m×0.6m(深×寬)，坡頂設C20素混凝土壓頂，0.3m×0.5m(深×寬)，設計水位+0.5以上至地面采用1∶2的三維植被網護坡，地面布置景觀帶，斷面結構布置型式見圖1。

方案二：設置親水平臺，親水平臺上布置仿木欄桿，平臺下采用1∶2的聯鎖式生態砌塊護坡，坡腳設C20素混凝土鎮腳，0.4m×0.6m(深×寬)，坡頂設C20素混凝土壓頂，0.3m×0.5m(深×寬)，平臺至地面采用1∶2的三維植被網護坡，地面布置景觀帶，斷面結構布置型式見圖2。

方案三：河底至地面采用直立式擋墻，墻頂設0.5m×0.2m(寬×高)的C20素混凝土壓頂，墻身為M10漿砌石，背水側坡度為1∶0.5，底部為厚0.5m的C20素混凝土底板，底板向臨水側、背水側各延伸0.5m，底板下做0.1m厚的碎石墊層，地面布置景觀帶，斷面結構布置型式見圖3。

圖2 方案二斷面結構布置型式

圖1 方案一斷面結構布置型式

圖3 方案三斷面結構布置型式

三種方案優缺點見表1。

三種方案(每延米)工程量及投資比選見表2。

根據方案比選結果，從生態、景觀效果及施工、技術實用和工程投資等方面綜合考慮，并結合治理河道多、范圍廣的特點，本次河道護岸型式主要采用方案一。

表1 護岸型式優缺點比選

表2 三種方案(每延米)工程量及投資比選表

3.2 護坡材料選擇

常見的護坡材料有草皮、三維植被網、砌石、現澆混凝土、生態混凝土預制塊、生態袋、模袋混凝土等。綜合考慮河道地形、地質、水流、工程造價、施工條件和河道總體布置等因素，結合近年來河道整治工程中取得的成功經驗，迎水側斜式護坡結構選擇草皮護坡、砌石護坡、生態砌塊護坡、混凝土預制塊護坡、生態袋護坡等幾種常見的護坡結構進行比較。

(1)草皮護坡：造價最低，但易受人畜破壞，且抗沖刷能力差，不宜用于存在急流的岸坡迎水面。

(2)三維植被網護坡：三維植被網護坡對邊坡的穩定極為有利，防護效果非常好。近年來出現的三維植被網護坡技術不僅顯著提高了邊坡的整體和局部穩定性，而且有利于邊坡植被的生長，同時工程造價較低?？梢员３植葑丫鶆虻姆植荚谄旅嫔希馐茱L吹雨淋而散失。網墊能大量吸收熱能、增強地溫、促進草籽發芽、延長植物的生長期。植物生長起來形成的復合保護層可經受高水位、大流速的水流沖刷。

(3)砌石護坡：包括干砌石護坡、漿砌石護坡等。砌石護坡一般能就地取材，充分利用當地資源，由于塊石表面粗糙不平，與水體之間摩擦大，能夠起到一定的消浪作用，同時砌石護坡本身能很好的經受風浪水流沖刷，其中干砌石適應變形能力強，漿砌石較差。但不能機械化操作，受當地材質、石料尺寸影響大，護砌厚度難以保證，且漿砌石將坡面完全封閉，隔絕了坡面與水體間的聯系，生態和景觀效果較差。

(4)六菱塊護坡：造價略高，但整體性好，強度高，本身受風浪水流的影響小，能機械化施工，工期短；因其表面平滑，消浪作用小，對堤坡變形適應性較差，如開孔種植草皮，需在護坡下設置反濾層和土工布防止邊坡土體的掏空，草皮覆蓋率也較低。

(5)生態袋護坡：整體受力，穩定性好，對沖擊力有很好的緩沖作用，抗震效果好，適應地基變形性好，施工方便，生態及景觀效果好；但造價較高，且抗沖刷能力稍差。

(6)聯鎖式生態砌塊護坡：聯鎖式生態砌塊是由干硬性細石混凝土經全自動混凝土成型機高速振動加高壓制成，每個砌塊與周圍砌塊共同聯鎖咬合固定，形成整體性護坡，聯鎖式生態砌塊通常采用開孔型護坡磚，并在混凝土中添加了醋酸纖維等高分子物質，有助于種植植被，綠化護坡，增強水體的自凈能力，改善河道水質，聯鎖式生態砌塊將水、河道、岸坡植被連成一體，在自然地形、地貌的基礎上，建立陽光、水、植物、生物、土體、護坡之間的河道生態系統。

(7)模袋混凝土護坡：模袋混凝土護坡技術由于具有施工簡單、效率高且可直接在水上或水下進行施工等特點，其主要作用為防風浪、抗沖刷。采用模袋混凝土護坡結構，不僅可以加快施工進度，減少施工期干擾，而且減少護坡維修工程量，且有利于工程日常管理，護坡外觀整齊美觀。但生態和景觀效果較差。

以上7種護坡型式工程造價對比見表3。

表3 護坡型式工程造價對比表 單位：元/m2

綜合以上對生態及投資影響，本工程設計河道護坡主要采用三維植被網護坡，考慮河道存在多處迎流頂沖段，為減少水流對河道兩岸的沖刷，擬在河道迎流頂沖段及居民區段采用生態砌塊護坡。

3.3 護坡設計

3.3.1 護坡結構設計

護坡：C20混凝土自鎖式混凝土預制塊護坡，厚0.12m；護坡頂至設計水位+0.5m。

壓頂：坡頂設C20現澆混凝土壓頂，橫斷面尺寸0.3m×0.5m(寬×高)；框格隔?。貉仄戮€每隔20m設置一道C20現澆混凝土框格，橫斷面尺寸0.3m×0.4m(寬×高)。

固腳：坡底設C20現澆混凝土固腳，橫斷面尺寸0.4m×0.6m(寬×高)。

3.3.2 護坡厚度復核

護坡厚度計算參照GB50286- 2013《堤防工程設計規范》附錄D.3.3，計算在波浪作用下護坡的護面厚度，計算結果t=0.03m，根據工程經驗和方便施工要求，設計取護坡厚度為0.12m。

3.4 護坡工程布置

岸坡整治工程本著全面規劃、綜合治理的原則，結合河道現狀，本項目區西開西河和螃蟹溝需要岸坡整治的工程河段主要為迎流頂沖段部位及居民區，護岸總長11.95km，型式為生態砌塊護坡。

3.4.1 岸坡穩定現狀

項目區河道屬于平原地區，地勢較為平坦，岸坡為自然土坡，基本未做任何防護，部分岸坡崩塌，坡面不規則，水土流失嚴重。但從堤防多年運行情況來看，大堤歷經多次洪水考驗，絕大多數堤防基本處于穩定狀態，滑坡現象并不多見。

3.4.2斷面選取

根據工程地質勘察報告，結合地形條件、堤身高度及堤基、堤身填土條件、歷年汛期出險情況等因素，選取5個具有代表性的斷面進行分析。

3.4.2 計算方法

根據GB50286- 2013《堤防工程設計規范》，計算工況選取以下工況：水位驟降期(設計洪水位)和施工期。其中水位驟降期工況水位為洪水位驟降0.5m，施工期為墻前后無水，采用瑞典圓弧滑動計算法中的有效應力簡化法計算，公式如下：

(1)

式中，b—條塊寬度，m；W1—在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2—在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；β—條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，度；γω—水的重度，kN/m3；C′、φ′—土的抗剪強度指標，kN/m2、度。

各土層的C′、φ′取值詳見工程地質設計值。由于大堤形成年代久遠，堤防基本固結，堤坡穩定計算中C′、φ′值取值如下：堤身土質取飽快小值均值，堤基各土層取自快小值均值，砂層C′=0、φ′=300。

計算成果見表4。

4 結語

計算結果表明，現狀堤身大部分堤段是穩定的，故本次設計河道護坡主要采用三維植被網護坡，但考慮到河道存在多處迎流頂沖段，為減少水流對河道兩岸的沖刷，對河道順直段，設計水位以上0.5m至河岸采用三維土工植被網草皮護坡，設計河底至設計水位以上0.5m進行岸坡平整，并在水位變動區種植水生植物；局部易沖刷段村鎮等居民密集區(總長11.95km)，設計河底至設計水位以上0.5m采用多孔生態砌塊進行護砌，設計水位以上0.5m至河岸仍采用三維土工植被網草皮護坡。

表4 現狀岸坡穩定計算成果表