基于格賓石籠技術的大凌河河口護岸設計研究

郭 瑩

(遼寧省凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200)

1 工程概況

1.1 防洪工程現狀

義縣凌海界-河口段為大凌河下游平原區段，其間左岸有荒地河，右岸有牛心河、尚崗河、大業河四條較大支流匯入。經過1962年大水后對原有民堤的全面加高培厚和1977年的全面整修及新建，兩岸基本上已具有連續堤防，右岸堤防從上游縣界-下游大有經濟區，長58.4km(蛤蜊河子段局部無堤)，左岸堤防從石窗子-三道溝，長52.8km，兩岸合計111.2km。堤距平均3-4km，堤防迎水坡多為1∶2.5，背水坡1∶5，頂寬3-6m，堤高4-5m。凌海及遼河油田河段共有土丁壩67座，總長2110m，順壩280座，總長13.7km。

現狀堤防在無庫情況下的過流能力為：沈山鐵路橋以上11000m3/s，相當于無庫20a一遇，鐵路橋-東三義9000m3/s，相當于無庫13a一遇，東三義-河口6000m3/s，相當于無庫7a一遇，河口處無堤防。

1.2 現存問題分析

由大凌河歷史洪水災害、河道基本情況及防洪工程現狀等情況可見，大凌河河口段主要存在以下問題：

1)大凌河河口護岸段正處于河口凹岸段，受洪水和潮汐雙向來水影響，河岸塌岸現象嚴重，通過2000年和2014年實測大凌河河口右岸地形圖進行套繪，14a間大凌河入?？谌泛拥老蛭饕苿咏?00m，長度近2300m，使該段河道形成近90°的急轉彎，右岸變成近90°凹岸，尤其是受臺風暴雨影響，大凌河入?？谠诒┯昱_風潮汐共同沖刷下，入海口河岸大面積崩岸，致使該處沖刷加劇。河道演變情況如圖1所示。

2)該處下游已經經過兩期護岸工程，分別于2015年6月和2015年12月完成，通過兩次治理凌海市大凌河河口3000m險工段已治理完成1853m，還有1147m未治理，仍存在安全隱患。若不進一步治理，在治理完成的河段上游向上延伸，很有可能對已有成果造成威脅，并且需要治理段正處于彎段入口處，位置十分重要，崩岸現象也經常出現，如果該段河岸不建設，會對下游的溫泉度假村、公路造成威脅。因此，為穩定河勢，防止河岸進一步淘刷、兌地，危及河岸公路，保證周邊基礎設施及游人安全，降低當地投資環境風險，該段河岸護岸工程建設是十分必要的。

1.3 總體方案設計

在大有經濟區入?？谝陨?、進入?？谔幒瓦^油田三支路2.2km后，大凌河總體呈南北、東西、正南走向，特別是在正南方向成90°急轉彎，河道右岸嚴重沖刷，特別是近幾年沖刷趨勢更加明顯。雖經經過兩次岸坡防護和護岸治理，大凌河河口河岸沖刷問題還未根本解決。因此，擬在15a護岸基礎上繼續向上游延伸護岸520.0m，采用格賓石籠平順護岸形式對岸坡進行防護；為防止平順護岸壩端被洪水沖刷被毀，對平順護岸上游采用格賓石籠進行封邊處理，下游利用已建工程封邊。

河岸線經多次試線比較分析，最終采取以下河岸線，平順護岸從0+000-0+190段為銜接段，為了與2015年已建護岸平順連接，避免出現起伏不平，需要將該段河道內淤泥清除至2015年設計沉排底高程，拋石后頂高程為1.0m，0+190-0+500樁號段護岸基本按現有河道底高程施工，不需要清除淤泥。整個護岸段由于正好處于濱河路臨河段，由于當時道路施工時將雜草、建筑垃圾、生活垃圾等雜質回填到岸邊，侵占了原有河岸，此次護岸需將該段回填的垃圾清除后采用沉排加拋石護岸作基礎，面層采用格賓石籠，與2015年已建護岸連接[1-2]。

2 工程設計

2.1 沖刷深度計算

1)計算方法。依據《河道整治設計規范》有關規定計算河道沖刷，利用下式計算水流平行和斜沖岸坡引起的沖刷，即：

(1)

(2)

式中：hB為局部沖刷深度；hp為沖刷處水深，m，hp以近似設計水位最大深度代替；Vcp為流速平均值；V允為河床面上不沖允許流速，m/s；n為與平面上岸坡防護形狀有關的參數，取n=0.25?！鱤p為從河底算起的局部沖刷深度，m；α為岸坡與水流流向的交角；m為迎水坡邊坡系數；d為坡腳土壤粒徑；Vj為水流偏斜時局部沖刷流速，m/s。

2)計算結果。根據河段位置、水深、流速、地質條件等不同情況，將工程區域劃分為3個區域，即：彎頂以下區(樁號0+000-0+039)、彎頂區(樁號0+039-0+190)、彎頂上游平順護岸區(樁號0+190-0+500)，選擇0+039、0+190、0+500三個典型斷面表征相應工程區域，選取相應參數進行不同條件的沖刷計算，如表1所示。

表1 大凌河口河道沖刷深度計算表

2.2 沉排設計

1)沉排壓石厚度。根據水流對沉排浮力平衡條件和壓石重量確定沉排壓石厚度，計算公式為：

(3)

式中：t1為沉排壓石；t2為沉排厚度，m；η為抗浮安全系數，取η=1.5；rt為蘆葦的容重，280kg/m3；pt為重率，500kg/m3；rs為塊石的容重，1600 kg/m3；ps為重率，2650kg/m3；γ為水容重，1000 kg/m3。

根據公式計算得t1=0.4m，結合以往工程經驗，并與前期工程斷面形式銜接，設計排厚0.3m，由于施工期潮水位影響，需將拋石厚度提高到施工期潮水位1.0m，以便于石籠施工，因此將壓石厚度定為0.6m。

2)塊石粒徑計算。根據《河道整治設計規范》，防護工程護腳、護坡塊石在水流作用下保持穩定的抗沖粒徑利用下式計算，即：

(4)

(5)

式中：d為折算直徑，m按球型折算；S為石塊體積，m3；V為水流流速，m/s；g取10m/s2；C為運動石塊穩定系數，水平和傾斜底坡C取0.9、1.2；rs為石塊的重率，取2.65 kN/m3；r水的重率，取1.0KN/m3。

經計算，塊石粒徑d=0.24m，結合以往護岸工程實踐經驗，拋石粒徑取0.25m。

3)排體寬度設計。根據實際經驗，設計每塊排的保護區域寬度為20m，考慮相鄰排體搭接長度和收縮系數，采用下式計算軟體排制作寬度，即：

B=B0-B1-B2

(6)

式中：B為每塊排保護區域寬度，m；B0為排體制作寬度；B1為相鄰搭接長度；B2為收縮量，m，其中B0=20m，B2=ζ(B0-B1)；ζ為收縮系數，動水中取0.04。根據公式計算得每塊20m寬排有效寬度為B=18.24m。

4)設計型式。根據當地工程現狀，綜合考慮已建工程等各個方面因素，設計采用蘆葦沉排上壓拋石的防護型式，護腳總厚度0.9m，其中拋石厚度0.6m，拋石下墊0.3m厚蘆葦沉排。沉排安裝須從下游開始，依次向上游方向安裝，相鄰沉排疊壓寬度1.5m，疊壓時下游側在下，上游側在上。

2.3 石籠護坡設計

1)護坡厚度計算。根據《河道整治設計規范》，在波浪作用下斜坡干砌塊石護坡的護面厚度可按下式計算：

(7)

式中：K1為系數，干砌石一般取0.266；rb、r為塊石和水的重度，rb=2.65kN/m3，r=1kN/m3；H、L為計算波高和坡長，H=0.525(m)，L=14.618(m)；m為坡率，m=ctgα，α為坡度27(°)。經計算，護坡厚度t=0.17m，考慮現有工程經驗和已建工程等各因素，確定護坡厚度為0.5m。

2)塊石粒徑選擇。洪水時邊坡流速較大，水流沖刷作用明顯，單體塊石的穩定是石籠整體穩定的基礎，塊石粒徑依據《河道整治設計規范》的抗沖粒徑公式進行計算，確定塊石最小粒徑≥25cm。

3)邊坡穩定計算。依據《河道整治設計規范》有關規定，坡式防護工程穩定計算包括整體穩定和邊坡內部穩定[3-4]?；瑒臃治霾捎貌豢紤]條塊側面作用力的瑞典圓弧法，計算程序采用《北京理正巖土軟件5.11版》邊坡穩定分析模塊進行計算[5]。計算工況選取設計枯水位下臨水側邊坡，以0+282斷面為典型斷面，根據地質勘查的試驗資料，確定岸坡各土層的設計基本數據。

依據規范中的有關規定，坡式防護工程整體穩定安全系數為1.25。經計算，岸坡整體穩定系數為1.45，即新建護岸段岸坡整體抗滑穩定，計算成果如圖2所示。

圖2 新建平順護岸段邊坡整體穩定計算成果圖

根據護坡設計型式，對石籠本身進行整體抗滑穩定計算，計算公式如下：

(8)

式中：F為安全系數；δ為相鄰兩層材料間的摩擦角45°；α為坡角27°。

《河道整治設計規范》中規定，坡式防護工程的整體穩定安全系數F>1.25時，則石籠護坡整體抗滑穩定安全，設計合理[6-7]。經計算，卵石與石籠之間抗滑安全系數F1=1.96>1.25，故能夠達到抗滑穩定要求。因邊坡自身結構緊密，故不進行邊坡內部的穩定計算。

2.4 平順護岸頂高程的確定

大凌河河口段10a一遇洪水位3.5m，根據測量資料，河口護岸段現狀岸頂高程3.8-4.2m，個別岸段偏高或偏低，為保證10a一遇洪水不上岸和保持河岸高度的一致性，確定順壩頂高程為4.0m[8-9]。

2.5 拋石頂高程的確定

拋石頂高程的確定主要考慮施工時的可操作性，大凌河河口護岸段處于潮間帶位置，施工期不僅受大凌河洪水影響，同時受潮水漲落的影響。設計施工期為非汛期，該處五年一遇汛前、訊后洪水流量357m3/s和211m3/s。根據該處主河槽寬度，汛前和訊后洪水均能對施工安全構成威脅，施工期內遇洪水時應停止施工，所以拋石頂高程的確定只考慮潮水漲落的影響[10-12]。

根據雙臺子河口三道溝水文站觀測資料，該站多年平均高潮位1.80m，多年平均低潮位-1.12m，平均潮位1.48m。為最大限度降低拋石高度和保證施工安全及施工初期每天有足夠的作業時間，確定拋石頂高程1.00m。

2.6 護岸結構設計

格賓石籠平順護岸厚度0.5m，高度3.0m，邊坡比1∶2.0，平順護岸底部起于拋石頂面，高程1.00m，頂面至岸上，高程4.0m。平順護岸岸上護頂寬度3.0m，底部護腳寬度3.0m；格賓石籠平順護岸下部為拋石基礎和蘆葦沉排[13-15]。拋石厚度視現狀岸坡確定；格賓石籠平順護岸外緣向河道方向拋石長度按蘆葦沉排鋪設長度確定；拋石底部與岸坡間設蘆葦沉排進行保護，沉排厚度0.3m，沉排垂直河槽方向從格賓石籠外緣算起鋪設長度16.0m，大于3倍沖刷深度，沉排上拋石厚度0.6m，斷面型式如圖3所示。

圖3 典型斷面結構形式

2.7 護岸上游封邊設計

為保證平順護岸上游段安全，采用格賓石籠封邊，封邊垂直于河道方向，寬度與平順護岸寬度相同，封邊下部基礎為蘆葦沉排和拋石，上部為6層格賓石籠壘砌，每層高度0.5m[16]。

3 結 語

為徹底解決大凌河河口存在的河岸沖刷嚴重、防洪標準低、河底淤積等問題，文章提出在原護岸基礎上繼續向上游延伸護岸，采用格賓石籠平順護岸形式對岸坡防護，對平順護岸上游利用格賓石籠封邊，下游利用已建工程封邊的治理方案，以歸順水流，穩定河勢，逐步實現改善河口防護的總體目標。

河岸治理覆蓋范圍廣、涉及內容多，局部河段整治不當將直接導致全流域防洪與生態安全問題。目前，仍然采取系列工程措施維持行洪安全和河岸穩定，隨著時代的發展河岸治理方案經不斷彎酸，但對特定區域特定環境的設計仍存在許多風險因素和設計難點。對此，必須考慮河流特性、河岸地質條件、河道演變情況等要素，遵循護岸工程與河流生態、周邊環境相協調的原則，設計科學合理的技術方案。