堤防工程護坡護岸設計分析
——以湘江河道治理一期工程為例

鄭 昌

(湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007)

1 概 述

流經湖南省祁陽縣城區的水系有湘水和支流祁水，其中湘江城區段長12.5 km，河寬一般為450～550 m，最大寬度800 m。湘江沿河兩岸地勢低洼，建有很多機關、學校、廠礦企業，人口密集，大部分地面高程84～87 m，與20年一遇設計洪水位88.02 m尚差0.93～3.93 m。城區目前尚未布設任何防洪治澇設施，僅靠河岸自然高地擋水，現有防洪治澇能力不足3～5年一遇；一旦洪水暴發，沿河大部分地區均被淹沒，縣城歷年建設成就毀于一旦；這與祁陽縣的經濟地位和社會發展極不適應，極大地制約了當地經濟的發展。

本次對祁陽縣城北、城南、城東3個保護圈進行了設計。生態護坡護岸是指恢復后的自然河岸或具有自然河岸“可滲透性”的人工護岸，它擁有滲透性的河床與河岸基底，可以充分保證河岸與河流水體之間的水分交換和調節功能，能恢復被破壞的自然生態環境；同時又能滿足對岸坡穩定的要求。生態護坡護岸應是“既滿足河道體系的防護標準，又有利于河道系統恢復生態平衡”的系統工程，能充分體現“人與自然和環境協調發展”理念。

2 方案比選

祁陽縣城一期堤防工程河段的堤段汛期一般水面較寬，風浪較大，對堤面淘刷較嚴重，對新建堤防堤身的沖刷問題突出。本次設計擬對新建堤防臨水面進行護坡護岸。

2.1 護坡護岸型式比選

傳統的河道護坡護岸形式主要有漿砌或干砌塊石、現澆混凝土、預制混凝土塊等，工程造價相對較低，它主要側重于河道行洪、排澇基本功能，對環境、生態的影響考慮較少；而實際上這些工程建成后特別是全斷面護砌的結構對環境和生態的負面影響較大。通過傳統護坡護岸與生態護坡護岸比較，結合現有的一些工程實例，生態護坡雖能保護和建立豐富的生態系統，形成優美的風景，滯洪補枯效果好；但糙率大，行洪能力不及傳統護坡，且造價比較高，在現有國情國力下，兩類護坡的優缺點都比較突出。

祁陽縣一期堤防工程的護坡工程仍然分三段，即城北Ⅰ0+000～城北Ⅰ1+282、城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115、城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890。由于篇幅有限，本文只針對城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115、城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890這兩段進行分析。

2.2 城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115

本段為黃道門碼頭至祁水東江橋段，位于祁陽縣城老城區，人口、房屋都比較密集；且在堤內還要預留10 m沿江路，工程用地范圍極為緊張。本次臨水側岸坡防護擬選用生態拉筋擋墻和C25面板混凝土拉筋擋墻進行比選，背水坡采用坡比為1∶2的草皮護坡。

方案一：生態拉筋擋墻。由于堤防較高，采用上、下兩級擋墻，下級擋墻采用C25混凝土基礎，置于砂卵石地層上，墻高5.5 m，坡比為1∶0.17。一級平臺寬5 m，上級擋墻坐落在下級擋墻的回填區，墻高5.57 m，坡比為1∶0.17。堤頂寬4 m，墻身采用自錨式預制混凝土塊，預制塊內可墻外設置2 m親水平臺以及下河踏步，背水側采用草皮護坡，坡比為1∶2(見圖1)。

圖1 方案一比選斷面(城北Ⅱ0+850)

方案二：C25面板混凝土拉筋擋墻。由于堤防較高，采用上、下兩級擋墻，下級擋墻采用C25混凝土基礎，置于砂卵石地層上，墻高5.5 m，坡比為1∶0.17。一級平臺寬5 m，上級擋墻坐落在下級擋墻的回填區，墻高5.57 m，坡比為1∶0.17。堤頂寬4 m，墻身采用C25現澆鋼筋混凝土面板，墻外設置2 m親水平臺以及下河踏步，背水側采用草皮護坡，坡比為1∶2(見圖2)。

圖2 方案二比選斷面(城北Ⅱ0+850)

根據實際情況，方案一與方案二的工程投資相差不大，但該保護圈位于祁陽縣城老城區，人口較密集，沿江一帶為老百姓主要休閑場所，對景觀、生態等都有一定的要求；在對其治理的同時，應考慮生態與景觀建設，在其發揮防洪保障水利工程功效的前提下，也要融入生態環保；所以，該段推薦生態擋墻方案。

2.3 城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890

本段為東江橋至污水處理廠段，位于城郊結合處，本段岸坡較陡，可用地資源不足以放坡至岸坡頂，故此段擬用漿砌石擋墻和C25混凝土擋墻進行比選。

方案一：漿砌石擋墻。從枯水位至83.00 m選用重力式漿砌石擋墻；擋墻外，從枯水位至78.00 m設置漿砌石護坡保護擋墻基礎；83.00 m至堤頂采用生態護坡；堤頂設置1.2 m防浪墻，背水側采用草皮護坡。

方案二：混凝土擋墻。從枯水位至83.00 m選用重力式C25混凝土擋墻，墻頂至堤頂采用生態護坡，坡比為1∶2；堤頂設置1.2 m防浪墻，背水側采用草皮護坡。

C25混凝土擋墻相對漿砌石擋墻造價要高，且祁陽當地石材產量豐富，此段用M10漿砌石擋墻完全能滿足岸坡穩定及防洪要求。因此，從節省投資方面來比較，此段推薦采用M10漿砌石擋墻。

生態護坡目前存在雷諾生態護坡及聯鎖式混凝土植草磚等多種形式，考慮到雷諾護坡在枯水期容易遭到破壞，在汛期容易掛上垃圾等情況，本工程中生態護坡主要采用聯鎖式混凝土植草磚。

3 護坡護岸設計

3.1 護坡護岸原則

本次設計護坡一般自設計枯水位或枯水位以上0.5 m護至設計洪水位以上，當有灘地時自灘地護至設計洪水位以上。

3.2 護坡護岸斷面設計

(1)城北Ⅱ0+000～城北Ⅱ1+115

從枯水位至堤頂采用生態擋墻，擋墻分上下兩級，在常水位以上0.41 m(77.50 m)處設置2 m寬親水平臺，由親水平臺往下設置踏步下水。77.50～83.00 m高程為下級擋墻，83.00 m高程處設置5 m寬二級平臺，83.00 m高程至堤頂為上級擋墻，擋墻坡比為1∶0.17；堤頂寬4 m，設置1.2 m防浪墻，背水側采用草皮護坡，坡比為1∶2。

(2)城北Ⅱ1+125～城北Ⅱ1+890

從枯水位至83.00 m高程選用重力式漿砌石擋墻，擋墻外側坡比為1∶0.1，內側為臺階形式。擋墻外，從枯水位至78.00 m高程設置漿砌石護坡保護擋墻基礎，83.00 m高程至堤頂采用連鎖生態磚護坡；堤頂寬4 m，設置1.2 m高防浪墻，背水側采用草皮護坡；坡比為1∶2。

3.3 植草護坡構造要求

聯鎖式混凝土植草磚適用于中小水流情況下土壤水侵蝕控制的新型聯鎖式預制混凝土塊鋪面系統。由于采用獨特的聯鎖設計，每塊磚與周圍的6塊磚產生超強聯鎖，使得鋪面系統在水流作用下具有良好的整體穩定性。同時，隨著植被在磚孔和磚縫中生長，一方面鋪面的耐久性和穩定性將進一步提高；另一方面起到增加植被、美化環境的作用。本次設計聯鎖式混凝土植草磚厚度取0.15 m。

(1)可種植當地適用草種，也可恢復自然植被。如生態混凝土內植草，要求綠化覆蓋率不小于95%。表面客土不大于20 mm，要求植物根系必須穿透混凝土。

(2)護坡在堤頂采用0.50 m厚寬0.50 m的混凝土壓實牢固封頂，在坡腳采用0.5 m寬、0.5 m高的混凝土基座。

3.4 護腳設計

(1)護腳形式的選擇

參考湖南省的實際情況，護坡的護腳一般采用阻滑墻，本次設計同樣考慮采用混凝土阻滑墻基座。

(2)沖刷深度計算

水流平行于岸坡產生的沖刷深度按下式計算：

式中：hB為局部沖刷深度，從水面算起(m)；hp為沖刷處的水深，以近似設計水位最大深度代替(m)；Vcp為平均流速(m/s)；V允為河床面上允許不沖流速(m/s)；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n=1/4。

分別在湘江和祁水選取1個典型斷面，即城北Ⅰ1+225、城北Ⅱ0+850兩個斷面，帶入相關數據進行計算，得出局部沖刷深度分別為0.4 m和0.5 m。

(3)護腳阻滑墻設計

根據《城市防洪工程設計規范》(GBT 50805—2012)，基礎埋宜在沖刷線以下0.5～1.0 m，按上述計算的局部沖刷深度，本次設計采用混凝土阻滑墻進行防護，其斷面尺寸為1.0 m×1.0 m(寬×高)。

3.5 生態拉筋擋墻穩定計算

(1)根據設計要求及勘測地質資料，通過反復試算調整斷面結構形式，初擬斷面結構形式，取城北Ⅱ0+850斷面作為計算斷面(見圖3)。

圖3 生態擋墻典型斷面(城北Ⅱ0+850)

(2)計算、設計資料匯總

①堤頂附加荷載取汽車-10級。

②擋墻采用自錨式C25預制混凝土砌塊。

③擋墻的筋帶擬采用單向拉伸塑料土工格柵抗拉力Ts=100 kN/m，土工格柵與加筋土填料(粉質粘土)的界面摩擦系數f′=0.25，土工格柵在砌塊中的總長度取常數0.4 m。

④筋帶節點的水平間距SX=1 m。

⑤加筋土填料設計為粉質粘土，根據地質報告，其力學性能指標為：容重γ=19.86 kN/m3，內摩擦角φ=23.03°，C=20.9 kPa；按“土體抗剪強度相等的原則”計算得綜合內摩擦角φ=30.96°，為便于計算和安全方面考慮設計取值φ=30°。

⑥設計上級擋墻基礎為下級擋墻回填料(粉質粘土)，設計按粉質粘土工況進行計算，根據地質報告，其力學性能指標為：容重γ=19.86 kN/m3，內摩擦角φ=23.03°，C=20.9 kPa；承載力特征值[σ0]≥160 kPa，粉質粘土基底摩擦系數取0.25。

⑦墻體采用梯形斷面計算。

⑧墻后回填土與加筋體填料相同。

(3)筋帶抗拉強度、抗拔穩定計算

堤頂汽車-10級(單車道)荷載作用下的等代土層厚度計算：

按車帶均攤法，設計布置1輛汽車-10級重車(150 kN)，1輛汽車分布寬度2.3 m，墻高H=6.02 m,墻后填土高a=0 m。

等代土層厚度：

=0.428 m

(4)筋帶抗拉強度驗算

根據以上結果分別計算不同深度的土壓力系數、土壓力及筋帶拉力等參數，生態拉筋擋墻不分縫，筋帶平鋪，故計算按每延長米受力計算，公式如下：

JTG D30—2015公式H.0.7-8：Ti0=γQ1Ti，Ti=(ΣσEi)SxSy

JTG D30—2015公式H.0.7-5：ΣσEi=σzi+σai+σbi。

結果可知，筋帶材料強度標準計算最大值fk為87.99 kN/m，選用的單向拉伸塑料土工格柵抗拉力Ts=100 kN/m，滿足要求。

(5)建筑物穩定校核

在不同工況的條件下設計擋墻的抗滑、抗傾、地基承載力均可滿足規范要求，說明下級生態擋墻的設計方案是可行的。

4 結 語

流經祁陽縣城區的湘江基本沒有防洪措施，經常出現各種水患，對該地區的安全構成了一定的威脅，亟需修建堤防工程以保障祁陽縣城區的安全。堤防工程的設計質量會對其防護效果產生非常重要的影響，因此在護坡護岸設計階段必須充分結合本地區實際情況進行設計，科學合理地對工程總體情況進行布置；同時也要對設計結果進行校核，保障設計的安全性。

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