多功能河道的駁岸墻設計與優化

丁長圍，裴習軍

(儀征市水利工程總隊，江蘇 揚州 211400)

0 概 述

泗源溝是以行洪為主，結合排澇、引水、航運的綜合性河道。沿線河坡土質主要為砂壤土夾粉砂或與粉砂互層，黏率含量較低，抗剪強度低，抗沖刷能力差，河坡極易被洗塌。且該河道現狀為Ⅵ級限制性航道(揚州市政府已批復為Ⅴ級航道標準)，船行波沖刷強度大。從減輕行洪、船行波對堤坡沖刷、長期浸蝕影響的角度考慮，堤坡應進行防護，特別是水面變幅處。根據周邊已做工程的運行實踐，對水位變幅部位(▽3.5-5.2m)采取防護是必要的。常用的護岸型式有混凝土生態連鎖磚、土工網墊、駁岸墻等[1-3]?；炷辽鷳B連鎖磚通過相互之間的連鎖，使其具有較好的整體性，且可以較好適用于坡面沉降，常用于坡比>1∶2的放坡段防護[4]。土工網墊是一種新型土工合成材料，在其內部可以填充土壤、砂石等以便上部植被生長，通過貼合在岸坡表面，可有效防止水土流失[5-6]。駁岸墻對于岸坡的淺層滑動具有明顯的阻滑效果，其擋墻自身的抗剪能力較強，多用于城市及沒條件放坡的河道整治中，可以在不需要大開挖的情況下，有效增大河道過流斷面[7-8]。

文章通過對泗源溝河道條件的分析，提出駁岸墻結合放坡的護岸方案進行堤防加固設計，基于駁岸墻型式的比選結果，采用遺傳算法快速搜索最佳駁岸墻尺寸，對駁岸墻斷面設計進行優化，并復核優化斷面的穩定計算，最終應用于工程設計中，使得工程在保證安全的前提下投資最小。

1 泗源溝河道現狀分析

泗源溝為歷史老河道，河坡土質砂性、淤泥質土，受多年雨蝕、船行波淘刷，加之汛期洪水沖刷，導致河道迎水側堤坡坍塌十分嚴重，部分堤防已坍坡至迎水側堤肩，坡比幾近垂直。根據對沿線現狀邊坡統計，泗源溝閘上段南北兩側共17.88km堤段原▽5.0m處5.0m寬的青坎已幾乎坍塌殆盡，并且5.0m以下也出現了不同程度的滑坡。總體河道現狀問題主要為標準偏低和滑坡兩方面。

1)工程原設計標準偏低，不能適應工情、水情變化：

泗源溝始建于晉代，但直到20世紀70年代初才真正形成規模，當時泄洪按10a一遇來疏浚的，擋洪不足20a一遇標準，河床斷面為河底高程0.0m，寬10-15m，▽5.0m設青坎，堤頂高程7.5m-8.0m。經30多年運行，沿線河床平均淤積深度超過1m，原青坎基本坍失，已嚴重影響堤防安全和河道行水能力，泄洪水位也因河床抬高、過流斷面減小而有所抬高。同時，由于長江潮位抬高，受江潮頂托影響，泗源溝全線水位抬高，使原設計標準偏低的泄洪、擋洪能力更為薄弱，嚴重威脅兩側平原圩洼地的防洪安全。河道的淤積導致河道排澇、引水斷面不足，大大縮小了河道過流斷面，汛期行洪壅高河道水位，增大河道流速，威脅堤防安全；河道的淤積也影響河道的引水過流能力，現狀河底高程0.6-1.5m，河道底寬8-15m，低水位時引水困難。河道沿線眾多涵洞洞首位置淤積至近3.5m，部分涵洞每年甚至需抽槽引水，非常不便。

2)河道迎水側堤坡坍塌嚴重，嚴重威脅防洪安全：

泗源溝為歷史老河道，河坡土質砂性、淤泥質土，受多年雨蝕、船行波淘刷，加之汛期洪水沖刷，導致河道迎水側堤坡坍塌十分嚴重，部分堤防已坍坡至迎水側堤肩，坡比幾近垂直。根據對沿線現狀邊坡統計，閘上段南北兩側共17.88km堤段原▽5.0m處5.0m寬的青坎已幾乎坍塌殆盡，并且5.0m以下也出現了不同程度的滑坡。沿線塌坡段主要集中在▽6.0-4.0m之間，沿線的新城、樸席、真州、十二圩等鄉鎮每年均需動用大量的人力、財力進行搶險自救。在泗源溝一期工程整治及歷年汛期施工后，目前仍然存在約0.7km堤防不達標、堤坡陡立等險情位置，威脅堤防安全。

2 駁岸墻加固分析

2.1 堤防加固設計

參考儀揚河以及古運河一線的河坡防護基本采用在水位變動區建設擋墻的方式。泗源溝現狀迎水側堤坡陡立，且河坡為砂壤土夾粉砂或與粉砂互層。實踐證明，在沙土地區做駁岸是有效防止河道過流以及航道船行波沖刷的方法，河道耐久性、安全性、景觀生態性較好。故本河段采用駁岸墻護坡方案，駁岸頂高程擬定于河道常水位以上0.4m，即5.2m；根據現狀河道實測斷面以及河道土質情況，從避免駁岸地板下回填土方、盡量減少擋墻開挖土方、滿足基礎承載要求等因素考慮，駁岸底板底高程擬確定為3.1m，駁岸前平臺高程為3.5m。駁岸防護的頂、底高程均與上、下游已實施河道駁岸一致。典型河道斷面圖見圖1。

圖1 典型駁岸防洪斷面示意圖

2.2 駁岸墻型式比選

漿砌塊石駁岸墻防護造價相對較低，泗源溝一期采用該種結構型式，但目前石材普遍質量不佳且附近地區逐漸封山禁采，性價比不如以往明顯，再加上人工工資的增長，砌漿砌石墻造價已基本接近鋼筋混凝土擋墻。鋼筋混凝土結構擋墻雖造價相對漿砌石墻稍高，但主要優勢在于減少人工工作，縮短工期較為明顯，尤其適合本工程降低河道水位的施工方式，結合本地區最近實施的胥浦河工程，鋼筋混凝土擋墻建成效果相對漿砌石墻身較好，節省了工期。經比選，泗源溝(梅家溝東-龍河)新建駁岸擬采用鋼筋混凝土結構的結構型式。對駁岸具體防護型式進行對比見表1。

表1 防洪河道駁岸墻型式比較表

3 駁岸墻設計優化

3.1 優化方法

本次對水位變幅區(3.5-5.2m)采用鋼筋混凝土駁岸防護，單側護岸工長1830m。此次優化對象為駁岸墻的設計斷面，其重要參數進一步明確為墻高、底板長度、墻厚和底板厚，最優判斷依據為在保證擋墻安全穩定的基礎下耗材最低。通過編程調用擋墻穩定計算軟件，采用遺傳算法進行快速尋優，得到最優斷面參數。以搜索結果與設計值的均方差(MSE)不大于某一設定值作為搜索最優參數的判斷精度，力求搜索過程中的最小均方差為優化的目標條件。具體優化搜索流程圖詳見圖，見圖2；優化搜索過程，見圖3。

圖3 駁岸墻設計優化搜索過程示意圖

(1)

圖2 駁岸墻斷面尺寸優化搜索流程圖

3.2 斷面優化結果

駁岸墻采用C25鋼筋混凝土現澆，考慮岸坡完建期，坡前無水工況為駁岸墻穩定最不利工況，本次優化搜索目標安全系數為完建期的1.10，搜索過程見圖3。搜索最優斷面為底板寬2.25m，底板厚0.41m，墻高2.11m，墻厚0.43m，相應駁岸墻穩定計算的安全系數為1.186，單位長度擋墻斷面投資約為0.2154萬元。結合施工條件及現場情況，擬定駁岸墻優化斷面尺寸為底板寬2.2m，底板厚0.4m，墻高2.1m，墻厚0.4m。底板頂面高程3.1m，底面高程2.75m，為增加抗滑能力，底板后趾設0.25m深的齒坎，并在墻前設底寬0.5m，頂寬1.0m的M10漿砌石護腳，駁岸墻最終優化設計斷面見圖4。

圖4 駁岸墻優化斷面設計示意圖

3.3 穩定復核

通過對優化搜索的駁岸墻斷面進行穩定復核計算。完建期水位考慮墻前無水，墻后3.5m工況，運行期水位考慮墻前4.8m、墻后5.0m。地基應力P與擋墻穩定安全系數Kc計算結果見表2，根據土質鉆探資料，駁岸墻底板(高程2.75m)地基土容許承載力為[R]= 70kPa，滿足設計要求，但由于屬于高壓縮性土層，施工前需采取夯實措施。

表2 駁岸墻優化斷面穩定復核地基應力與安全系數統計表

4 小 結

針對河床淤積、河坡沖刷坍塌嚴重的河道工程，其護坡工程多采用駁岸墻型式。采用遺傳算法搜索得到的駁岸墻優化斷面設計，可在保證堤防安全穩定的前提下，擴大河道行洪斷面。結合上段儀揚河的整治，提高了儀揚河-泗源溝沿線的防洪能力，使本流域達到50a一遇防洪標準，流域內人民生命財產和經濟社會發展的水安全保障得到解決。同時也為改善航運和沿線水環境創造了良好條件，可綜合發揮儀揚河--泗源溝一線防洪、除澇、引水、航運工程效益。