粉細砂河床護岸工程基礎防沖結構應用分析

蔡 峰

（新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

粉細砂質(zhì)河床一般處于流域的中下游河段，多為游蕩性河流，兩岸多為草原、農(nóng)田和人類活動聚居的平原地區(qū)。該類型河流河床的沖淤十分明顯，特別在洪水期間，洪水對河岸的強烈淘刷導致河道發(fā)生改變，在沒有工程措施干預的情況下河流頻繁劇烈擺動，沖毀沿河草場、農(nóng)田、建筑交通等各項設施，造成水土流失、環(huán)境破壞和社會經(jīng)濟損失，對此類河流的治理整治對減少水土流失、維護流域水土平衡和生態(tài)環(huán)境、保障兩岸社會經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要意義。

粉細砂河床所處區(qū)域地質(zhì)結構一般較為松散，河床岸坡易被沖刷，河流兩岸修建堤防護岸工程是河道整治的重要措施。工程通過護坡結構保護堤岸不被河水沖刷，而處于松散地層上的護坡基礎常常由于坡腳被淘刷而發(fā)生沉降變形破壞，導致堤岸護坡被沖毀，因此堤防護岸工程的基礎沖刷與防護是工程成敗的關鍵。

新疆南疆塔里木河流域中下游地區(qū)表層地質(zhì)結構為粉細砂層，伴有少量中砂和壤土，在此松散河床基礎上修建的某堤防護岸工程，采用順壩柔性防護結構型式。工程實踐證明，這種結構型式能很好地適應岸坡河床的沖刷變形，相比剛性防護具有更高的穩(wěn)定性。筆者以該堤防護岸工程為例，介紹一種粉細砂河床基礎上的格賓石籠護岸結構型式，并對該防沖結構的沖刷機理和護腳排體結構寬度的選取進行分析探討。

1 工程概況

阿克蘇河是塔河的主要支流之一，全長132 km，從起點計27 km 以下中下游河段為砂質(zhì)河床，床砂粒徑較細，汛期河床沖淤變化十分劇烈，主流擺動頻繁，河岸很不穩(wěn)定，屬于典型的游蕩性河流。

某堤防護岸工程位于阿克蘇河下游段，兩岸為大片農(nóng)場耕地，該段河床以粉細砂為主，岸坎少量黏性土互層，抗沖能力弱，汛期主流頂沖河岸時，河岸下層細砂被沖刷后便導致河岸崩塌。該工程實施前，河段內(nèi)一些防御標準較低的臨時防護設施如拋石護岸、丁壩、榪槎梢石等基本已被沖毀，險工段點多面廣，給兩岸帶來較大的防洪壓力。

該堤防護岸工程修建在一險工凹岸段上，長2 km，采用格賓石籠護坡護腳，其防護效果明顯優(yōu)于該河流其他型式的護岸工程。該工程建成以來，經(jīng)過多年運行和數(shù)個洪水期后堤身結構完整，護坡未出現(xiàn)沖刷破壞現(xiàn)象，坡腳護腳也未出現(xiàn)淘刷破壞，其結構型式非常適合粉細砂河床地質(zhì)條件且抗沖性能良好。該堤防工程很好地穩(wěn)固了河岸，保護了兩岸的農(nóng)田和交通基礎設施。

在工程投資方面，該護岸工程主要建筑材料如塊石、格賓籠、無紡布等均由距離較遠的石料場和外地的廠家購買，工程材料及建設成本比較高，平均每千米投資上千萬元。由于投資有限，加之工程建設成本太高，該流域許多需要防護的類似河段不能上馬修建這種安全穩(wěn)固的護岸工程項目。因此，優(yōu)化工程結構，在做到安全可靠的同時，合理提高工程結構的經(jīng)濟性，對推進流域治理和河道整治項目有著重要的現(xiàn)實意義。

2 護岸工程結構設計

2.1 堤防斷面結構

該堤防護岸工程堤身、岸坡、河床主要為當?shù)胤奂毶车貙硬牧希瑠A少量中砂、壤土，地下水位較高。剛性護坡在粉細砂岸坡基礎上易產(chǎn)生沉降變形，護坡基礎在坡腳粉細砂被淘刷后也容易發(fā)生下沉。因此，針對粉細沙地層的巖土特性和河床岸坡的沖刷特點，通過論證比選，確定選用格賓石籠結構的柔性護坡和排體護腳的防護型式。

工程主要結構方案如下：迎水面邊坡采用60 cm厚格賓石籠護坡；坡腳采用2層40 cm厚格賓石籠排體護腳，下層寬14 m、上層寬8 m，基面較河床開挖清除1 m 左右，隨河床地形，坡比約為水平至1/15 左右；護坡及護腳格賓石籠下鋪設無紡布，對護坡及護腳以下粉細砂基礎起反濾保護作用，某護岸工程斷面結構如圖1所示。

圖1 某護岸工程斷面結構

2.2 護腳結構選擇

護岸工程的坡腳基礎被河水淘刷造成護坡失穩(wěn)變形，是護岸工程沖毀失效最普遍的原因。為保證護坡不因基礎淘刷而破壞，需對坡腳基礎進行防沖保護措施。

護岸工程坡腳防沖型式大致有深基礎、丁壩、拋石護腳、排體護腳等。一般在承載力較高的密實地層上可采用深基礎，如圖2所示，即將剛性護坡基礎齒墻坐落在坡腳河床最大沖刷深度以下，來保證護坡基礎不被淘刷。但在粉細砂等松散河床基礎上則不宜采用深基礎護腳型式，不僅容易變形破壞，且開挖量大，在地下水位較高時施工過程中還會大量出水并出現(xiàn)流沙現(xiàn)象，施工極為困難。而采用排體護腳型式不僅排體施工方便，且適應變形能力強，可以有效保護坡腳不被淘刷，保證護坡基礎安全。

圖2 剛性護坡深基礎示意

該護岸工程采用格賓石籠防護結構型式，具有很好的防沖性能和適應變形能力，其中護腳的排體結構滿足粉細砂河床基礎在防止坡腳淘刷、適應變形、施工方便、穩(wěn)定可靠性等多方面的技術要求，是非常合理的坡腳防護方案。

2.3 沖刷深度計算與護腳寬度

2.3.1 沖刷深度計算

坡腳基礎的淘刷是護岸工程的薄弱環(huán)節(jié)，坡腳防護是岸坡穩(wěn)定的關鍵，護腳排體的寬度直接影響坡腳的穩(wěn)固，同時也對工程投資影響較大。根據(jù)該護岸工程設計報告，該工程護腳寬度以坡腳沖刷深度為依據(jù)，最大沖刷深度分別按《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286－2013）和《河道整治設計規(guī)范》（GB50707-2011）中的2種沖刷深度公式進行計算。

（1）《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286－2013）沖刷深度計算公式。該工程為順壩布置形式，采用《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286－2013）推薦的順壩及平順護岸沖刷深度計算公式D.2.2-1、D.2.2-2計算：

式中：hS為局部沖刷深度（m）；H0為沖刷處的水深（m），取3 m；UC為泥沙啟動流速（m/s），取經(jīng)驗數(shù)值0.5 m/s；UCP為近岸垂線平均流速（m/s）；U為行進流速（m/s），取實測最大流速3.42 m/s；n與防護岸坡在平面上的形狀有關，取1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡的夾角α查規(guī)范D.2.2表得到。計算結果，詳見表1。

表1 堤防規(guī)范推薦公式?jīng)_刷深度計算成果

計算結果顯示，當水流流向與岸坡夾角介于0°～90°時，對應的沖刷深度為1.85～2.37 m。

（2）《河道整治設計規(guī)范》（GB50707-2011）沖刷深度計算公式。主流存在斜沖岸坎情況下，采用《河道整治設計規(guī)范》（GB50707-2011）中水流斜沖岸坎沖刷深度計算公式B.2.2計算：

式中：ΔHp為從河底算起的局部沖刷深度（m）；α為水流流向與岸坡夾角（°）；m為防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)，取2.5；d為坡腳河床砂計算粒徑（mm），取0.4 mm；vj為水流的局部沖刷流速（m/s），取實測最大流速3.42 m/s。計算結果，詳見表2。

表2 河道整治規(guī)范公式?jīng)_刷深度計算成果

計算結果顯示，當水流流向與岸坡夾角介于30°～90°時，沖刷深度為2.69～10.05 m。

以上2 種沖刷深度公式計算的沖刷深度值相差較大，其中《堤防工程設計規(guī)范》推薦公式的計算值大部分較《河道整治設計規(guī)范》推薦公式的計算值小，只有當水流流向與岸坡夾角在15°～30°時，2 個公式計算值才較為接近。據(jù)調(diào)查，距離該河段不遠的跨河大橋處，洪水頂沖橋墩產(chǎn)生的實測最大沖刷深度達10.2 m，與《河道整治設計規(guī)范》推薦公式的最大計算值相近。

2.3.2 護腳寬度確定

該報告結合沖刷深度計算值和調(diào)查結果，參考相關工程經(jīng)驗，選取坡腳的最大設計沖刷深度，取HP=7 m，并以此作為護腳排體寬度的依據(jù)，護腳寬度按2倍沖刷深度設計，取14 m。

以上關于該護岸工程沖刷深度的計算選取和護腳排體結構寬度的設計，筆者認為需要進一步地分析和探討。

3 坡腳防沖結構設計存在的問題

3.1 岸腳沖刷與排體防沖機理分析

河岸沖刷主要發(fā)生在岸坡的中下部和岸腳，水流在受到岸坡或障礙物影響時，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的紊動。河道淘刷機理研究成果表明，從岸腳外側0.2 倍水深寬度范圍內(nèi)流速特征與遠岸點有明顯不同，流速脈動值明顯大于遠岸點，岸腳附近的流速及其脈動值都直接影響岸坡岸腳的淘刷。相關試驗顯示，流速脈動最大變幅為主流流速的1.9 倍，脈動流速方向不僅是順水流方向，垂直方向也有明顯的脈動，并對岸腳形成淘刷。根據(jù)沖刷機理，水流在岸坡一定范圍內(nèi)的紊動對岸坡河床產(chǎn)生較強沖刷，修筑護坡護腳等防沖設施可防止水流對岸坡和坡腳的淘刷。

研究表明，順直河道岸邊水流脈動以平行縱向流動為主，對河床淘刷影響范圍有限，護腳所需范圍較小。而彎道凹岸或頂沖河段，水流在彎道和頂沖岸坡的共同作用下產(chǎn)生螺旋流，強化了對岸坡和河床的淘刷作用。凹岸螺旋流淘刷示意，如圖3所示。

圖3 排體護腳護岸工程凹岸沖刷示意

在坡腳床面鋪設排體護腳后，螺旋環(huán)流沿護坡向下達到排體床面后，水流沿排體頂面向斜前方水平流動，排體寬度愈寬，水流沿排體頂面的流動距離愈長，能量損失就愈大，防護作用就愈大。排體末端外緣處，水流水平流向天然河床，若河床床面與排體之間存在間隙，這里由水平流引起的次生平軸漩渦將有可能淘刷排體外緣床面逐漸形成沖溝，次生平軸漩渦比岸邊螺旋流直接作用于床面的能量要小得多。若形成沖溝，排體外緣隨河床變形下沉內(nèi)收，沖溝護腳一側得到保護，限制了沖刷向岸邊發(fā)展，起到了保護坡腳安全的作用，從而解決了坡腳淘刷問題。排體護腳護岸工程凹岸沖刷示意，如圖4所示。

圖4 排體護腳護岸工程凹岸沖刷示意

3.2 護腳寬度選取及問題

護腳排體寬度是護腳及整個護岸工程的重要技術參數(shù)，直接影響防護效果和建設成本，護底排體越寬防沖效果越好，但在實際工程中，排體寬度的增加使得工程投資大幅增加。因此，應根據(jù)坡腳的防沖需要確定護腳的結構尺寸，做到護岸工程技術合理性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。

通常而言，深基礎堤防護岸工程通過計算坡腳最大沖刷深度來確定深基礎齒墻的深度，基礎齒墻埋深應大于最大沖刷深度。而關于水平排體護腳的寬度，應主要從水流沖刷后排體的穩(wěn)定性方面考慮。

排體護腳的沖刷與一般護岸工程坡腳的沖刷位置與沖刷機理有所不同，一般護岸工程基礎及深基礎的淘刷發(fā)生在岸坡坡腳處，主要由岸邊脈動流和螺旋流產(chǎn)生對坡腳床面的強烈沖刷形成沖刷坑；而排體護腳的基礎沖刷發(fā)生在護腳排體外緣與河床間隙處，岸邊脈動流和螺旋流沿護坡和排體護腳到達排體外緣處，生成次生平軸漩渦對河床形成沖刷，次生平軸漩渦比岸邊的脈動螺旋水流的能量和對河床的沖刷小得多。由此可知，規(guī)范中推薦的護岸工程沖刷深度計算公式，對于排體護腳的河床基礎來說外在邊界條件已不適用，其所計算的沖刷深度值應比實際情況大很多，這與阿克蘇河下游某護岸工程的實際運行調(diào)查結果相一致。

阿克蘇河下游某護岸工程采用以上規(guī)范中推薦的沖刷深度計算公式，經(jīng)計算最大沖刷深度值為2.37 m 和10.05 m，最后綜合以7 m 作為最大沖刷深度來設計護腳排體的寬度。該工程在運行多個洪水期后，調(diào)查坡腳和排體外緣河床的沖刷情況為：護岸工程岸坡坡腳由于格賓石籠的保護未發(fā)生淘刷變形；護腳排體外緣處天然河床大部分平順過渡，少部分有輕微的沖刷溝現(xiàn)象，且沖刷深度大部分在0.3 m以內(nèi)，僅彎道末端與主流發(fā)生大角度頂沖段的一處護腳外緣最大沖刷深度達1.6 m，范圍在5 m 左右，該處排體外緣石籠下沉內(nèi)收，沖溝內(nèi)側被下沉石籠保護而不再發(fā)展。

由本工程運行后的實際沖刷深度可知，該護岸工程的沖刷深度計算值偏大，致使護腳排體的設計寬度也偏大。實踐證明，該工程在結構型式上是安全穩(wěn)定的，但在工程投資成本方面不夠經(jīng)濟，應進一步優(yōu)化工程的結構參數(shù)。

4 護腳排體參數(shù)應用與建議

4.1 沖刷深度選取與應用

通過對坡腳的防沖機理分析可知，排體護腳覆蓋范圍內(nèi)的河床不會產(chǎn)生淘刷現(xiàn)象，發(fā)生在護腳排體外緣的河床沖刷溝深度才應作為排體設計寬度的主要依據(jù)。2 個規(guī)范推薦的護岸工程沖刷深度計算公式，適合于坡腳處無覆蓋保護的深基礎的局部沖刷深度計算，而對于坡腳床面被護腳排體覆蓋的護岸工程來說，上述公式的應用條件與排體護腳工程的沖刷機理不符。因此，排體護腳結構的沖刷深度計算不宜采用2 個規(guī)范推薦的沖刷深度計算公式，相關計算確定方法需要進一步的研究和試驗。

在工程實踐中，以規(guī)范推薦的沖刷深度計算公式計算的和實地調(diào)查天然河道頂沖段、順壩坡腳及橋墩基礎的局部沖刷深度，均比護腳排體外緣的實際沖刷深度偏大很多，以此為依據(jù)設計的排體寬度雖能滿足工程安全的需要，但卻超出了必要的護腳結構寬度，大幅度增加了護岸工程的建設成本，不利于河道治理工程的推進。

4.2 排體寬度選擇與應用

排體護腳結構是粉細砂河床防止坡腳淘刷的有效防護型式，是保證護岸工程穩(wěn)定的關鍵，排體寬度是護腳結構的重要參數(shù)。有關資料顯示，受岸坡影響的水流脈動變幅隨遠離岸邊距離而驟減，護腳排體的寬度可參考岸邊水流紊動的影響范圍。在護腳排體外緣的河床沖刷深度難以確定的情況下，有資料給出2 倍岸邊平均水深的坡腳防護范圍經(jīng)驗值，此范圍以外的水流脈動對河床影響可以忽略，此經(jīng)驗值應適合于順直護岸的護腳防護范圍。

而對于主流斜沖岸坎產(chǎn)生較強螺旋流的護岸工程，仍應以護腳末端沖刷深度為依據(jù)，在實際工程中可參考天然河床斷面的局部沖刷情況。有關規(guī)范的相關規(guī)定指出，柔性排體應在最大沖刷深度引起的排體變形后平均坡度不超過1∶2.5，由此可知，護腳排體寬度應大于約2.5倍最大局部沖刷深度，也有相關資料提出護底排體寬度為沖刷深度的1.5～2 倍，因此護腳排體的結構設計仍需要在不同的工程實踐中進行研究和探索。

5 結語

粉細砂河床護岸工程采用柔性護坡和排體護腳防沖型式，在工程實踐中起到了很好的防沖固岸效果，施工方便、穩(wěn)定可靠，適應變形的能力強。在工程結構設計方面，排體護腳結構的相關技術參數(shù)仍需要更多的實踐、試驗和研究，進一步提升護岸工程結構設計的經(jīng)濟性和合理性。

筆者通過阿克蘇河下游某護岸工程，分析了粉細砂河床基礎上排體防沖結構的優(yōu)越性和可行性，同時對排體護腳結構的防沖機理及設計計算方法進行了分析和探討，以期為此類護岸工程結構設計及工程建設提供一些有益的參考和經(jīng)驗。