尼洋河堤防工程護腳結構選擇分析

曹如意，扎西達瓦，張奕澤，黃勝波，張風江

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122;2.林芝市水利局,西藏 林芝 860000)

1 概述

尼洋河為雅魯藏布江五大支流之一，屬高原游蕩性河道。林芝城區河段水面比降、河道流速及沖淤變化幅度均較大，河勢并不穩定[1]。水流改道、頂沖和淘刷點的變動對城區堤防護腳構成安全威脅[2]，易導致堤防工程失穩破壞，岸線崩退，對城區兩岸的生產生活造成巨大安全隱患[3]。為鞏固完善城市防洪體系，保證堤防穩定和防洪安全，促進林芝市經濟社會發展，選擇適應此類河道特性的堤防護腳結構和加固措施[4]，顯得尤為重要(尼洋河林芝城區段如圖1所示)。

圖1 尼洋河林芝城區段現狀示意

2 堤腳防護設計

本文以林芝八一鎮防洪工程為例，對堤防護腳結構和加固措施選擇進行分析。

2.1 沖刷及抗沖粒徑計算

城區河段流速較大，最大流速約為6.34 m/s，沿岸堤防均采用斜坡式堤形，臨水側采用混凝土面板護坡，堤基主要為深厚的砂礫石層。

1)沖刷計算。參考GB-50286-2013《堤防工程設計規范》[5]，根據堤線布置情況，結合水流對岸坡的沖刷情況，新建堤防選擇迎流頂沖部位以及流速較大部位斷面進行沖刷計算，同時對堤防進行斜沖計算。按最大流速6.34 m/s,計算最大沖坑深度為3.5 m，防沖設計時應結合計算深度并考慮一定的安全余度進行設置。

2)抗沖粒徑計算。根據河演分析成果，本次計算按流速4～6 m/s進行復核，在水流作用下，護腳塊石保持穩定的抗沖粒徑(折算粒徑)按GB-50286—2013《堤防工程設計規范》[5]計算，護腳塊粒徑設計時應大于計算最大值。

2.2 護腳形式選擇

新建堤防段設計中，將根據堤基沖刷情況及其他計算成果在腳槽外側設水下護腳進行防護，水下護腳形式主要有拋石、鋼筋混凝土鉸鏈排、土工織物砂枕(排)、鋼絲石籠等，各形式特點見表1所示。

尼洋河八一城區河段河灘汊流多，水流紊亂，沖淤變化頻繁，河道具有明顯的游蕩性，水下護腳要求對河床變形的適應性好[7]，從表1中可以看出，拋石護腳和鋼筋石籠護腳屬于較為典型的柔性護腳，對河床變形的適應能力強。

表1 水下護腳形式特點分析

2.3 堤身失穩分析

尼洋河八一鎮河段具有明顯的游蕩特征，河道主流頻繁發生擺動，部分堤段主流已經逼近堤岸，堤腳附近水流流速為4～5 m/s，局部最高達6.3 m/s[8]。以往已建堤腳采用混凝土腳槽，結構尺寸為1.8 m×2.5 m(寬×高)，埋深為2.5 m，頂部與河床地面齊平。堤腳外側布設鋼絲石籠，厚度為0.6 m，寬度2.5 m。此段河床床質砂卵石抗沖性能弱，鋼絲石籠埋深小，設置防護寬度短，堤腳外側的受保護范圍較小。河床及河灘受急流持續沖刷作用，堤腳外側砂卵石逐漸被水流沖刷帶走，腳槽失去外部屏障面臨失穩垮塌的局面，堤防主體及護坡也隨之失去堤腳的支撐和保護最終發生失穩破壞。以往水毀工程記錄情況也清楚表明，水毀段堤防發生垮塌前堤腳前部河床基本已被水流淘空，現場發現局部段堤腳前沿沖刷深度達到3～4 m，在水流的持續底部沖刷作用下，腳槽懸空失穩(如圖2所示)，護坡隨之失去支撐變形塌滑，面臨水流的直接沖擊，最終堤防主體將會發生徹底破壞變形。

圖2 腳槽失穩破壞示意

2.4 護腳加固方案分析

選擇合理有效護腳加固方案關鍵在于分析其防護工程是否有效，防護所用的材料抗沖性能需明顯能夠抵抗水流的持續沖刷作用，只有防護材料的抗沖性能優于水流的沖刷能力，防護材料才能作為穩定可靠的防護體，在水流的沖刷下不會變形失穩，可抵擋水流進一步沖擊淘刷堤岸，保護堤防穩定安全。根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[5]堤腳邊坡的保護范圍，在深泓近岸段應延伸至深泓線，并滿足河床沖刷深度的要求；在水流平順、岸坡較緩堤段，護腳宜護至坡段1:3～1:4的緩坡河床處。所以，一般通過在緊臨堤腳的外側河床準備足量防沖體使水流不能直接淘刷堤腳河床，保證腳槽穩定，降低河床沖刷深度，而且防沖體能夠及時自動填補過程中形成的沖坑，大大降低沖坑發展的速度，堤腳河床始終與前沿沖坑形成一種動態平衡的緩坡，不會產生較大沖坑影響腳槽底部基礎的穩定，此種情況下堤腳才能長久穩定安全。另外需要考慮堤腳前沿一般水流較急，沖刷作用強烈，河床沖坑變化較為頻繁，若要求腳槽埋置沖刷深度以下，則堤腳埋置開挖工程量加大較多，同時會涉及涉水施工，施工難度及投資將會增加很多；因此，經常參照枯水位高程，在此位置適當預留安全富余度，同時在緊鄰堤腳上部設置足量的防沖備填料。堤腳前沿河床受水流沖刷底部形成沖坑后備填料將滑落填補沖坑，從而使整個沖坑河床斜坡面保持動態穩定不再繼續發展擴大，建議防沖備填料的方量計算，采用沖刷深度乘以水下穩定坡比的斜長和安全富余系數(如圖3所示)。根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[5]和《堤防工程手冊》備填料粒徑大小首先應滿足規范中對抗沖粒徑的要求，而且變形后沿沖坑坡面的填料厚度不宜小于抗沖粒徑的2倍，一般防沖備填料持續發揮保護作用的水下穩定坡比為1:1～1:2，可選擇拋石、石籠及沉排等材料作為防沖備填料[9]。

圖3 防沖備填料保護坡腳示意

一般備填料層內空隙較大，同時還有岸坡地下水流的沖蝕，紊流作用強烈，下部河床細顆粒易被水流淘刷帶走，導致備填料底部極易失穩沉落塌陷，所以,需考慮設置墊層、濾層或土工織物保護下部細顆粒不被帶走[10]。

參考上述護腳防沖設計思路，本次選擇防沖備填石護腳方式與鋼筋及鋼絲石籠護腳方式進行方案比選。

2.4.1方案一：防沖備填塊石護腳方案

本方案保留原混凝土腳槽，腳槽外側設防沖備填塊石。根據計算，沖坑深度為3～4 m，另外根據前期地勘地質成果，河床沖刷坑的穩定邊坡約為1:1。考慮腳槽以外的沖坑深3.5 m左右，防沖備填石淘刷變形后的穩定坡比約為1:2.0，塊石保護厚度取2倍塊石穩定粒徑1.2 m，可保護沖坑不再繼續發展，同時考慮一定的安全儲備，估算防沖備填石的每延米填筑量不小于16 m3。綜合考慮防沖備填塊石護腳底寬6 m，外側開挖坡比為1:1，開挖深度為2.0 m，頂部設置1:6的緩坡與原地面線銜接，其中上部為1.0 m厚采用平鋪大塊石砌筑，下部采用拋石[11]。本方案典型斷面示意見圖4。

圖4 防沖備填塊石護腳方案示意(單位：高程m，尺寸mm)

2.4.2方案二：鋼筋及鋼絲石籠護腳方案

此方案是在堤腳上部區域放置防沖塊石料。根據經驗腳槽外沿形成的沖坑一般深為3～4 m左右，遭受水流淘刷變形后的防沖體水下穩定坡比一般在1:2.0左右，為保證一定的安全富余，在前沿沖坑的斜坡長度8 m的情況下，堤腳外側10 m范圍內全部覆蓋設置防沖料，使腳槽外側沖坑不在繼續發展擴大，保護堤防護腳基礎的穩定與安全。考慮此段河流推移質含量高，且在高速水流的夾帶下極易撞擊沖壞外部鋼絲籠；借鑒此河段其他護腳工程做法，護腳分上下兩層疊放，上層護腳為鋼筋骨架裝塊石料，下層護腳塊石為鋼絲籠裝，從實際情況觀察來看，上層護腳結構完整性較好，石籠破壞和塊石流失現象較少，防護效果較佳。基于上述情況經綜合分析，護腳鋼筋石籠層頂高程設置與堤腳頂部齊平，然后自上而下分別設0.6 m厚鋼筋石籠、0.6 m厚鋼絲石籠及反濾土工布[12]。兩層石籠垂直流向寬度不小于10 m。本方案典型斷面示意見圖5。

圖5 鋼筋及鋼絲石籠護腳方案示意(單位：高程m，尺寸mm)

2.4.3方案比選

1)抗沖能力比較

防沖備填石護腳隨沖坑發展的變形過程見圖6。塊石備填料的變形適應性較強，但塊石不具備整體性，變形后無法保證整個沖坑邊坡的塊石厚度均滿足大于2倍抗沖粒徑的要求；塊石自身抗沖能力與粒徑有關，當流速超出設計值時，粒徑較小的塊石宜被沖走導致塊石坍塌，沖坑繼續發展；此外塊石變形后下部反濾層易隨之破壞。因此，一般采用防沖備填石護腳需每年進行補拋塊石，直至多次補拋形成穩定邊坡[12]。

圖6 方案一防沖備填塊石料變形過程示意

鋼筋及鋼絲石籠護腳隨沖坑發展的變形過程見圖7。石籠具有較強的變形適應性，能隨沖坑發展而變形，石籠相互連接形成整體能保護整個沖坑的邊坡[13]，為確保石籠的整體性設計時又采取了以下幾項加強措施：① 石籠網格材料采用鋼絲表面鍍高爾凡+覆塑材料，其抗沖、抗磨損能力較普通鍍鋅鋼絲提高數倍，表層0.6 m厚的鋼筋籠是在鋼絲籠的基礎上設置鋼筋框體進行保護，抗沖、抗磨的耐久性更強；② 石籠之間除采用鋼絲牢固綁扎外，表層鋼筋籠增加無粘結鋼絞線并采用夾具與鋼筋籠連接，有效保證石籠形成整體，尤其在易變形脫開的外端部順流向設置鋼絞線，保證端部整體變形而不脫開；③ 石籠與腳槽間采用錨筋連接，可保證石籠與腳槽緊密銜接；④ 石籠每個單元的體積為設計抗沖粒徑的3～4倍，其抵抗超設計流速的能力大大增強；石籠與下部反濾層同步變形，石籠始終為反濾層提供保護，有效保證土工布不破損。

圖7 方案二鋼筋及鋼絲石籠變形過程示意

因此從適應變形性、整體性、自身抗沖能力等多方面進行綜合比較，方案二較方案一的抗沖能力及耐久性強。

3 結論與建議

本文以尼洋河八一鎮河段防洪工程為例，針對性地開展工程防護措施的設計和分析，得出以下結論：

1)尼洋河八一鎮河段具有十分典型的游蕩性河道特征，主流擺動不定，灘槽密布，水流極為分散，河道寬深比大，主流頂沖堤防，危害防洪工程[14]。對于此類山區河道水流劇烈淘刷護岸的特性，應加大防護力度，重點做好堤防防護措施，尤其確保防洪大堤在高速水流沖刷下的堤腳安全，避免堤身失穩。

2)結合尼洋河水流對堤防堤腳的淘刷過程分析情況，選擇合適的護腳形式，敘述了防沖備填塊石和鋼筋及鋼絲石籠不同護腳形式所采取的堤腳加固措施，同時為進一步保證石籠的整體性和抗沖性也提出了具體加強措施。通過對護腳的變形性、整體性、自身抗沖能力等多方面進行綜合比較，分析認為鋼筋及鋼絲石籠方案的護腳抗沖能力及耐久性更強。