后窯于家險段石籠護坡及軟體沉排拋石護腳設計探析

孫世軍

（遼寧省大連水文局，遼寧 大連116023）

0 引言

昌圖縣遼河干流后窯于家險工段洪水期主河道受洪水沖蝕、淘刷作業向凹岸發展，改變河道平面走勢，該段險工段現狀沖淘嚴重，彎段岸坎多有水流兌岸后形成的陡坎，不但對凹岸的灘地造成生態破壞，如不加以人為干預則很容易發展至威脅防洪堤的安全。

為了控制河勢，減少河岸沖刷，確保防洪安全，在施工期間，危險段護岸加固采取石籠護坡及軟體沉排拋石護腳相結合的措施方案，本文對該險工段石籠護坡及軟體沉排拋石護腳的設計進行分析。

1 石籠護坡設計

1.1 岸坡設計

河段采用格賓石籠護坡，主要防止波浪抬升和岸坡陡峭形成滑坡。根據以往施工經驗，結合河道整治恢復河流自然生態的理念[1]，綜合確定石籠護坡坡比為1∶3.0。

1.2 石籠網規格

所需的籠網是格賓石籠，網格大小可以根據設計要求完成[2]，網籠規格是按照生態網格結構的技術規范來實施的。

1.3 坡面厚度設計

干石砌體護坡t 的厚度按下式計算：

式中：K1為系數，干砌石取0.266；rb為塊石的重度，取27 kN/m3；r 為水的重度，取10 kN/m3；H 為計算波高，當d/L 大于等于0.125 時，取 H4%，當 d/L 小于 0.125 時，取 H13%。

將各參數代入上式中，計算得t=0.24 m。

根據危險工程護岸工程的實際經驗，護坡厚度取0.40 m。

塊石粒徑按下式確定：

式中：d 為塊石粒徑，m；V 為流速；g 為重力加速度，取 9.81 m/s2；rs為塊石重率，取 27 kN/m3；r 為水的重率，取 10 kN/m3；C 為石塊運動的穩定系數，取0.9。

經計算得，d=0.19 m。

根據以往護岸工程的實際經驗，填石平均粒徑應比網孔大1.5～2 倍，填石粒徑不應小于0.20 m。

1.4 塊石護坡穩定計算

采用400 g/m2聚酯長纖土工布，土工織物與砂土之間的摩擦角為25.2°，最陡處的斜率為1∶3.0，斜率為17.6°，其安全系數采用下式計算。

K=（W1×cosα×tgφ+W2×tgφ）/（W1×sinα）

式中：K 為穩定安全系數；W1、W2為土體重量；α 為迎水坡坡角，取17.6°；φ 為土工布與土的摩擦角，取25.2°。

代入上式：K=1.20，石籠與土工布滿足堤坡抗滑要求。

2 軟體沉排拋石護腳設計

2.1 排體材料

護腳工程要求抗沖耐磨、富有彈性、易于修復補充，以適應河床變形，而且要求便于水下施工[3]。傳統的工程形式有拋石、沉枕、石籠及沉排等。相比之下，土工織物軟體沉排護腳造價低、施工方便、整體性好、有柔性、抗沖能力強。根據遼寧省近幾年的險工治理經驗，水下部分采用聚丙烯布軟體沉排護腳[3]，丙烯布為雙層，單位重量為110 g/m2。

護腳防護工程要求具有抗沖刷、耐磨、彈性、易于修復和補充、適應河床變形、便于水下施工等優點[3]。傳統的工程形式有拋石、石籠和沉排，相比之下，土工織物軟下沉護腳具有成本低、施工方便、整體性好、柔性好、抗沖擊能力強等優點。詳細指標見表1。

表1 聚丙烯紡織布性能指標表

2.2 結構型式

軟下沉排用雙層聚丙烯布保護，采用φ10 mm 乙烯繩拉成1.0 m×1.0 m 網格，垂直流動方向為φ10 mm。平行流動方向為φ8 mm[3]，側繩用φ14 mm 左右的乙烯繩繩加固，范圍為2 m 左右，距離是1 m，在兩層丙烯布之間縫上乙烯繩索，然后縫上聚丙烯布，用土工織物覆蓋和縫合。丙烯布用1.0 m×1.0 m方形柞把，柞把直徑10 cm，每25 cm 用鋼絲捆一道，上下柞把交界處用14#根鋼絲綁扎，作為骨架，格子均勻鋪設10 cm 厚的柞條墊層，并用8 根鋼絲捆扎，塊體厚度不小于0.5 m。

2.3 沖刷深度計算

根據《遼河流域防洪規劃》，石佛寺水庫以上河段兩岸堤防的防洪標準為30 年一遇。為確保護岸工程的安全，按30 年一遇洪水標準對坡腳的沖刷深度進行復核。

水流平行于岸坡產生的沖刷深度計算：

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動流速，m/s；U 為行進流速，取1.14 m/s；n 為岸坡形狀系數，n=1/4～1/6，取 1/5；η 為水流流速不均勻系數，取 3.0；γs、γ 為泥沙與水的容重，取 19.71 kN/m3、10.0 kN/m3；d50為床沙的種植粒徑，0.00006 m。

按照以上公式計算沖刷深度3.07 m。

水平護腳沉排長度設計，依據規范規定結合施工經驗，沉排長度取深泓線外1～3 倍沖刷深度。

2.4 排長設計

在排體斜坡和水平部分的設計中，排體長度應分別計算，坡面部分由坡面切割后的實際地形決定，而水平段的長度由沖刷深度、溝道深度和水下地形決定[4]，當下沉線靠近岸邊，水下地形具有明顯的坡度時，下沉線的長度不應小于沖刷深度的3倍，相反，下沉線的長度應控制在坡腳外沖刷深度的3 倍以上。

在滿足軟沉排穩定性的前提下，考慮到施工要求，可以適當地調整排長，使上下行連接良好，整體性強[5]。

通過計算得出排長10 m。

2.5 排體寬度設計

根據實際經驗，考慮相鄰行重疊長度和收縮系數，將每行的寬度設計成20 m。采用下式計算生產線的寬度：

式中：B 為每塊排保護區域寬度，m；B0為排體制作寬度，m，B0=20；B1為相鄰排體搭接長度，B1=1.0；B2為收縮減小長度，m；ξ 為收縮系數，取 0.04。

經計算，B=21.76 m，取排體制作寬度為22 m。

2.6 軟體排壓載設計

除了保持排體的穩定性外，排體表面壓力也應當足夠大，以避免在水流和風浪下的不穩定性。排出體上的壓力與局部流型速度有關[5]。根據水利水電工程土工合成材料應用技術規范對軟件壓力排水的重要要求，當流速小于或等于3 m/s 時，可采用1 kPa。該危險區段汛期流速大于3 m/s，軟件鎮流器流量為1 kPa，壓重為 100 kg/m2。

軟體壓載采用拋投塊石拋擲厚度為0.5 m，為了確保排體上壓石不會被水流沖走，必須通過計算巖石的起動速度來確定巖石的粒度。排體壓石粒徑計算見下式：

式中：Vh為流速，m/s；Vh' 為石塊斜坡上的起動流速，m/s；m為斜坡的邊坡系數，m=3.0）；m0為石塊的自然邊坡系數，取m0=1.0；θ 為水流方向與水邊線的角，取θ=30°；d 為排體壓石的最小粒徑，m；g 為重力加速度，m/s2；h 為水深，m。

經計算，d=0.15 m。

結合以往護岸工程實踐經驗，排體壓石最小粒徑應不小于30 cm。

2.7 排體筋繩設計

該布置用聚乙烯加筋以加強該排體的張力，并且聚乙烯繩被放置在雙層聚乙烯布的中間[5]。在排布周圍和水面岸邊必須有側繩，這是保證排體結構牢固的關鍵，一方面要考慮排本身的安全，另一方面要考慮施工的安全，肋繩的設計如下：

采用聚丙烯布保護軟排的底部，聚丙烯布為雙層，聚乙烯繩用于拉制1.0 m×1.0 m 網格，垂直方向為φ10 mm，平行方向為φ8 mm，在2 m 范圍內用φ14 mm 乙烯繩加固側繩，距離1 m，在雙層丙綸布的中間縫上乙烯繩，不使用丙綸布。

2.8 排體的固定

為了確保水下排放物不被沖刷或滑坡，排放物的頂部需要固定，由于邊坡防護為石籠段，排水體需要由平臺段石籠固定。石籠尺寸為1 m（厚）×1 m（寬）×5.0 m（長）。排筋繩牢牢地系在石籠上。水下排體底部采用拋石壓邊法對排體進行保護，拋石為排體以外1 m。

3 結語

對昌圖縣遼河干流后窯于家險工段進行治理，受洪水影響原有險工段險情加重并拓展，部分護岸工程被沖毀，河岸產生脫坡，為消除現有的險情隱患，減少河岸沖刷，確保岸線平順、清晰，穩定局部河勢是治理工程的關鍵。對現有險工進行整治加固，消除險情隱患，減少河岸沖兌，確保岸線平順、清晰，穩定局部河勢[6]，有效保護當地人民群眾的生命財產安全，為今后的河道綜合治理工作奠定基礎。