河道護岸岸坡穩定計算工況的擬定分析

曹 錕

(九江市河道湖泊和水利工程管理中心,江西 九江 332001)

0 引 言

現行《堤防工程設計規范》及《河道整治設計規范》中的護岸工程岸坡穩定均以提防工程為參照,并未單獨列明計算工況及對應的安全系數。當前,設計人員也主要參照提防工程并根據經驗展開岸坡處理,存在較大的主觀隨意性。基于此,文章依托復雜的河道岸坡水土邊界條件,排除規范中缺乏針對性和適用性的計算工況,增補專門針對護岸工程的特殊工況,并明確了控制工況擬定技術,以期為河道護岸岸坡穩定計算提供參考。

1 工程概況

九江市城西港區排澇(水系治理)工程位于九江市西部,該治理港區外圍防洪保護堤防包括沿江永安堤和沿湖的賽城湖東堤、西堤。治理河道段底坡平緩,水面坡度小,河道流速在0.5～1.0m/s之間,本次設計以草皮生態護坡為主,對治理河道與其它河道交匯口處(流態變化區)、泵站進水口處常水位以下河岸干砌石硬性護岸,護岸長1.22km。沿河常水位風浪區岸坡易被淘刷,港口河以北常水位為12.74m,本次設計在高程12.4～13.2m岸坡設置10cm厚的混凝土連鎖塊生態護坡防護,下設土工布反濾層,孔內填種植土草籽綠化。

參照《堤防工程設計規范》展開護岸工程設計時,應分成正常運用和非正常運用兩類,但由于該治理河道護岸工程分布于淺灘前沿,灘面高程低出設計洪水位,無背水側穩定問題,設計洪水位驟降對岸坡受力條件也無較大影響;岸坡坡腳發生沖刷后會改變邊界條件,但設計規范中并未予以考慮。故設計規范中提出的參照工況對該河道治理護岸工程缺乏適用性[1]。為此,必須結合河道治理工程實際,擬定出更加合理的計算工況。

2 護岸計算工況的擬定

2.1 正常運用工況

在臨水側岸坡水位驟降情況下,必須從淺灘到設計枯水位間選取相應水位和時段內水位驟降的高度,并以兩者間最危險情形為計算條件。將枯水位穩定滲流期內臨水側堤坡穩定視為特殊組合。

2.2 非正常運用工況

工況1:河道治理施工期間臨水側岸坡工況。對岸坡側土體無較大擾動的挖方護岸或無填方任務的區段,該工況相當于設計枯水位滲流穩定期臨水側岸坡工況。

工況2:多年平均水位臨水側堤坡工況。

工況3:坡腳遭受沖刷,水位驟降下的臨水側堤坡工況。河道岸坡遭受沖刷后通常根據最大沖坑深度推測地形,但最大沖刷出現的可能性存在評估難度,現有預測手段也缺乏準確性,故提出該工況對河道護岸岸坡穩定分析較為適用。

工況4:降雨頻繁的情況下,充分考慮枯水期降雨影響的臨水側堤坡工況。即在淺灘到設計枯水位間選取水位及時段均因頻繁降雨而提升的最不利情況,該工況計算條件類似于治理河道水位驟降工況,但形成原因及機理不盡相同。

以上兩類設計工況中,正常運用工況及非正常運用工況中的3和4最為復雜,故主要對上述工況展開分析。

3 正常運用工況分析

3.1 確定方法

九江市城西港區排澇(水系治理)工程所在長江流域具體河段水文氣象、地質條件等復雜多變,對于水位現狀、驟降高度最不利情況均有待進一步分析。長江中下游河道岸坡地質結構主要有單層、雙層、多層等,并以雙層結構最為常見,水位驟降期內降幅度較小,且滲流并不明顯,故文章在水位驟降幅度內選取單一土層展開研究[2]。

3.2 分析結果

1)港區一期河道。在淺灘水位到設計枯水位間3d、7d、15d的河道水位驟降分別為3.1m、3.9m、4.8m;與設計枯水位越接近,最大驟降也越小。此外,該河道岸坡土體上層為滲透系數位于1.0×10-4～9.0×10-5cm/s之間的砂壤土和粉質黏土互層,下層為粉質壤土和砂壤土,表現出典型的二元結構特征[3]。結合典型斷面(圖1)不同水位及驟降高度下抗滑穩定計算結果,可大體將設計枯水位下從6m驟降至4m為最危險工況;對于黏性土岸坡,則應將設計枯水位下從7m驟降至5m為最危險工況。

圖1 港區一期河道典型斷面

2)港區二期河道。在淺灘水位到設計枯水位間3d、7d、15d的河道水位驟降分別為1.0m、2.8m、3.4m;與設計枯水位越接近,最大驟降也越小。該二期河道岸坡土體上層為滲透系數在1.0×10-5～9.0×10-6cm/s之間的砂壤土、粉質壤土、粉質黏土互層,下層為粉質壤土和砂壤土,同樣表現出二元結構特征。結合典型斷面(圖2)不同水位及驟降高度下抗滑穩定計算結果,可將設計枯水位下從4m驟降至3m為最危險工況;對于粉質黏土岸坡,則將設計枯水位下從4.5m驟降至3.5m設定為最危險工況。

圖2 港區二期河道典型斷面

3)港區三期河道。在淺灘水位到設計枯水位間3d、7d、15d的河道水位驟降分別為1.0m、2.0m、3.5m;與設計枯水位越接近,最大驟降越小。該三期河道岸坡土體上層為滲透系數在1.0×10-5～9.0×10-6cm/s間的粉質黏土或粉土層,下層為粉質黏土或粉細砂層。結合典型斷面不同水位及驟降高度下抗滑穩定結果,應將粉土從設計枯水位下的3.5m驟降至2.0m確定為最危險工況;對于黏性土岸坡,則將設計枯水位下4.5m驟降至3.5m確定為最危險工況。

結合以上分析,對于該河道治理工程所在長江流域段而言,最危險水位驟降工況對應的水位降幅從上游開始向下游逐漸減小,降后水位也與設計枯水位愈加接近[4]。

4 非正常運用工況3分析

4.1 河勢穩定河段

此類河段斷面在長期沖淤過程中已基本穩定,即使深泓處也較難形成大規模沖坑。進行護岸工程設計時應以維持性加固為主,應對沖淤變化引發的護岸沖刷及材料流失。為增強護岸抗沖刷性能,可增設5～10m3的防沖備填石等加固材料,具體使用方量根據斷面位置最大沖深歷史數據進行確定。

4.2 河勢持續沖刷河段

對于河勢整體無重大調整,僅局部岸坡表現出持續沖刷的情況,應根據包爾達可夫沖刷公式展開最大沖坑深度計算,并與綜合考慮河道演變成果的最大沖坑深度進行比較,取較小值[5]。

5 非正常運用工況4分析

5.1 降雨特征

該河道治理工程所在長江流域雨熱同期,初夏梅雨,盛夏高溫。年內降水分配不均衡,3～10月的降雨量在年降雨總量中占比70%以上;中下游暴雨出現時間通常早于上游。5月份暴雨帶主要出現在湘、贛等水系,6～7月暴雨帶則主要徘徊在長江干流兩岸,7～8月暴雨帶轉移至漢江流域,8月下旬～9月暴雨帶轉移至淮河流域及長江中上游地區。

賽城湖原名“賽湖”,位于江西省北部,屬長江干流中游下段右岸水系,屬河跡洼地型淡水湖泊,由賽湖、長港湖、大城門湖等子湖組成,各子湖間多有低矮堤壩相隔,冬季枯水期各子湖形成獨立水域。水深0.5～1.0m,夏季豐水期各子湖彼此通成形成統一大湖。湖泊形態不規則,湖底淤泥深厚,平均水位約17.5m,長14.0km,最大寬度6.5km,平均寬4.38km。該水系南岸在2～3月便出現暴雨,一直持續到8月。

5.2 水位特征

長江干流中游下段右岸水系逐月水位均值以12月～翌年2月為最枯,進入3～4月后水位不斷升高,5月則進入汛期,11月迅速回落。所以,3～4月將面臨枯水期水位和長期降雨綜合作用下高水位危險。

通過對長江干流中游下段右岸水系3～4月水文資料的分析,年平均水位比設計枯水位高出2～3m。結合沿線已建水利工程地勘資料,岸灘周圍地下水位比同期江水位高出0～2m,所以,枯水期長期降雨工況發生原因雖然與水位驟降工況不同,但計算條件組合基本重合[6]。

6 結 論

綜上所述,河道護岸工程應以岸坡抗滑穩定為控制性工況。在非常運用條件下,對于岸坡坡腳沖刷較為嚴重的情況,則應以坡腳沖刷后地形變化引發的水位驟降為最危險工況。岸坡穩定計算工況的確定必須綜合考慮水文氣象、地形地質,文章選取代表性斷面所得出的結果僅適用于該河道工程,對于類似工程設計,必須結合實際情況詳細分析,不能簡單套用文章結論。此外,為增強河道岸坡沖刷穩定,必須注重岸坡反濾排水設計。對于黏性土挖方岸坡必須加強貼坡排水,增設排水溝和導濾溝等;對于黏性土填方岸坡,必須設置褥墊排水結構,回填土料也應選用排水性好的砂性土;對于砂性土岸坡,應加強腳槽處反濾保土。