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        嫩江白沙灘險工護(hù)岸工程設(shè)計

        2012-06-30 05:07:10田偉峰李佩南
        東北水利水電 2012年10期
        關(guān)鍵詞:險工模袋嫩江

        黃 俊 ,田偉峰 ,李佩南 ,王 禹

        (1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林長春130021;2.中國水利水電第二工程局有限公司,北京100120)

        1 工程概況

        白沙灘險工段位于嫩江右岸黑龍江省與吉林省交界處,起于黑龍江省境內(nèi)寧姜電灌站,止于吉林省境內(nèi)白沙灘電灌站,全長約3.329 km。其中黑龍江省境內(nèi)1.541 km,吉林省境內(nèi)1.788 km。

        白沙灘險工段處于嫩江主流凹岸頂流沖刷區(qū),地形坡陡、岸高,局部地段邊坡達(dá)70°,陡岸巖性主要是細(xì)砂,岸頂至河道地面高差達(dá)25 m,沙坡裸露。受洪水沖刷,退岸嚴(yán)重。平均每年以2 m的速度坍塌退岸,50年間坍塌退岸100余米。據(jù)1998年洪水觀測資料,最大一次一天水平坍塌4~5 m。

        2 工程地質(zhì)條件

        白沙灘險工段在地貌上屬于嫩江沖積平原,所處的河谷寬度500余米,枯水期水面寬100 m,水深2.0~3.0 m;河流兩岸均分布有寬闊一級堆積階地,階面較平坦,微傾河床,高出水面5.0~8.0 m,地面高程134~138 m,一級堆積階地之上為風(fēng)積而成的砂土崗地,地面高程135~155 m,相對高差5~15 m。陡坎高出河水面5~25 m,陡坎隨河流呈弧形彎曲,地形坡度 60°~70°。

        出露的地層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)諾敏河組的冰水沉積物砂壤土、壤土、細(xì)砂等;第四系全新統(tǒng)河床沖積物細(xì)砂、風(fēng)積物砂壤土、粉細(xì)砂層。其結(jié)構(gòu)較松散,遇水易崩解,抗沖刷及抗?jié)B性能較差。

        3 氣象條件

        工程所在地氣候特點是:四季分明,春季干旱多風(fēng),夏季濕熱多雨,秋季涼爽溫差大,冬季寒冷降水稀少,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。工程所在地年平均氣溫為4.4℃,10℃以上穩(wěn)定通過初日為5月2日,終日為9月30日,其間隔日數(shù)為152 d。初霜一般出現(xiàn)在9月25日前后,終霜日期為5月15日,無霜期134 d。多年平均降水量為377.1 mm,6—9月降水量占全年的71.2%,由于受季風(fēng)氣候的強(qiáng)烈影響,冬春季多西北風(fēng),夏秋季多西南風(fēng),風(fēng)日多,風(fēng)速大,最大風(fēng)速可大25 m/s。多年平均風(fēng)速為3.5 m/s。多年平均蒸發(fā)量在1840 mm左右,年內(nèi)蒸發(fā)量以4—5月為最大,占全年蒸發(fā)量的25%左右。

        4 設(shè)計洪水及水面線

        暴雨是形成嫩江流域洪水的主要原因,暴雨多發(fā)生在7—8月,約占暴雨次數(shù)的80%左右。嫩江流域由于受北來系統(tǒng)的影響,易出現(xiàn)連陰雨天,雨強(qiáng)不大。但由于連陰雨中易出現(xiàn)暴雨,而且影響廣闊,因此也能造成大洪水。如1998年大洪水。暴雨的一次過程在3 d左右,主要雨量集中在1 d,暴雨移動規(guī)律一般是從大興安嶺東南坡移向小興安嶺西南坡。

        年最大洪峰流量多出現(xiàn)6—9月,尤以7—8月最多;洪水以單峰居多,個別年份也出現(xiàn)多峰或雙峰,嫩江干流洪水歷時一般為40~60 d,洪量主要集中在15 d。大賚以上洪水主要以上游來水為主,江橋至大賚區(qū)間來水很少。

        嫩江干流的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水,干流堤防按35年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,尼爾基水庫建成后,防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到50年一遇。相應(yīng)設(shè)計流量、設(shè)計水面線、設(shè)計枯水水面線見表1。

        表1 水面線成果表(p=2.86%)

        5 工程設(shè)計

        根據(jù)河勢演變分析,岸坡地質(zhì)組成,工程措施采取坡式護(hù)岸,坡式護(hù)岸的上部(枯水位與設(shè)計水位之間)采用機(jī)織模袋混凝土護(hù)坡;下部(枯水位以下)護(hù)腳部分采用軟體沉排護(hù)腳。設(shè)計洪水位以上,由于堤岸巖性主要是細(xì)砂,其抗雨水沖刷能力較差,采用拱形磚砌體及植物措施護(hù)坡。

        坡式護(hù)岸工程其結(jié)構(gòu)由枯水平臺、腳槽、坡身、封頂四部分組成。腳槽頂面高程按高于設(shè)計枯水位1.0 m設(shè)計。護(hù)坡頂高程采用設(shè)計洪水位加0.5 m超高,設(shè)4 m寬平臺,作為渡汛搶險施工道路,并便于混凝土灌注,護(hù)坡頂部與平臺結(jié)合部位設(shè)50 cm×40 cm(寬×高)混凝土封頂。

        1)軟體沉排護(hù)腳

        由于白沙灘險工段為風(fēng)積而成的沙土崗地,組成岸坡的巖土多為砂壤土、細(xì)砂,其結(jié)構(gòu)較松散,遇水易崩解,抗沖刷及抗?jié)B性能較差,為防止坡式護(hù)岸工程基礎(chǔ)受水流淘刷影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,對岸坡坡腳進(jìn)行防護(hù)。

        嫩江常用的護(hù)腳結(jié)構(gòu)型式有拋石、石籠、軟體沉排等。

        a)拋石護(hù)腳是普遍采用的一種護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式,取材容易、施工簡單,且造價較低。無論新護(hù)、加固均可應(yīng)用;但其工程整體性差,在水流的長期沖刷下,部分塊石會流失,從而降低工程效果,因而需要經(jīng)常性的維護(hù)加固。

        b)石籠方案系用鉛絲或荊條等材料做成網(wǎng)狀籠狀結(jié)構(gòu),內(nèi)填塊石、礫石或卵石,以增強(qiáng)抗沖能力和整體性,這種方法在各地均有所應(yīng)用。其缺點是施工過程中受水流變化的影響較大,不易形成密實整體。

        c)軟體沉排是用土工織物縫接成一定尺寸的排布,在排布上加一定的壓重形成的一種防沖結(jié)構(gòu)。根據(jù)被保護(hù)基土的顆粒組成、土工織物的孔徑大小、抗拉強(qiáng)度以及受力的大小,排布可以采用單層、雙層、單層加網(wǎng)繩或雙層加網(wǎng)繩。壓載材料和形式有塊石、土枕、土袋、鐵絲石籠、聯(lián)鎖混凝土板塊、土工網(wǎng)格石籠、石籠網(wǎng)格充填土袋混合壓載等。軟體沉排優(yōu)點是在保持防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性同時能夠適應(yīng)地形的變形變化。

        白沙灘險工段為主流逼岸段,現(xiàn)有地形、地質(zhì)和水流條件適宜采用軟體沉排護(hù)腳。

        依據(jù)河勢演變分析、岸坡地質(zhì)組成,樁號K0+000~K0+140.60設(shè)計枯水位以下采用干砌石護(hù)坡、護(hù)底,樁號K0+140.60~K3+329設(shè)計枯水位以下采用軟體沉排,排首錨固采用鐵絲石籠錨固槽法。槽寬1.0 m、槽深1.35 m,在錨固槽底部每隔2.0 m,楔入一根φ28,長2 m錨筋錨固。排體壓載型式采用石籠網(wǎng)格充填砂土袋混合壓載。石籠斷面尺寸50 cm×35 cm(寬×高),框格為 4 m×5 m,框格內(nèi)采用砂土袋壓載。根據(jù)本工程的施工特點(冰上沉排)和施工設(shè)備及經(jīng)驗,本設(shè)計排體寬度定為200 m。根據(jù)河勢分析,考慮本段近岸最大沖刷深為5.0 m,最陡穩(wěn)定邊坡為1∶3,分析確定排體長度為15 m。按現(xiàn)有1∶6~1∶10邊坡進(jìn)行鋪設(shè)。其主要材料設(shè)計指標(biāo)為:

        塊石:抗壓強(qiáng)度30 MPa。

        編制布排設(shè)計指標(biāo):上層針刺滌綸短絲無紡布,縱橫向抗拉強(qiáng)度不小于225 N/5 cm,延伸率不小于25%,撕裂強(qiáng)度不小于120 N,CBR頂破強(qiáng)度不小于600 N;下層滌綸機(jī)織長絲土工布,縱向抗拉強(qiáng)度不小于2000 N/5 cm,橫向抗拉強(qiáng)度不小于1500 N/5 cm,延伸率不小于25%,CBR頂破強(qiáng)度不小于4000 N。

        8號鍍鋅鐵線:抗拉強(qiáng)度T不小于380 N/mm2,伸展率12%,鋅層量不小于30 g/m。

        編織袋:聚乙烯編織袋,伸長率20%~25%,CBR頂破強(qiáng)度不小于1450 N,撕裂強(qiáng)度不小于190 N,抗拉強(qiáng)度不小于750 N/5 cm。

        2)機(jī)織模袋混凝土護(hù)坡

        為阻止白沙灘險工段受風(fēng)浪、水流淘刷形成進(jìn)一步退岸,堤岸岸坡采用工程措施進(jìn)行防護(hù)。岸坡防護(hù)形式比較了貼坡式擋土墻、機(jī)織模袋混凝土及干砌石護(hù)坡三種型式,其中模袋混凝土與干砌石護(hù)坡工程造價相當(dāng),但從后期運行維護(hù)及結(jié)構(gòu)可靠性上,模袋混凝土要優(yōu)于干砌石護(hù)坡;貼坡式擋墻方案,雖然占地較少,但其施工難度較大,需修筑施工圍堰,且工程造價較高。

        模袋混凝土護(hù)坡方案具有結(jié)構(gòu)簡單、施工難度小、速度快、工程造價低等優(yōu)點。因此,本著經(jīng)濟(jì)、合理的原則,本次設(shè)計采用模袋混凝土護(hù)坡方案。

        雖然目前國家尚無有關(guān)模袋混凝土方面的規(guī)程規(guī)范,但在全國各地水利工程的應(yīng)用已相當(dāng)普及。實踐驗證,已達(dá)到其相應(yīng)效果,在適應(yīng)其相應(yīng)的條件下更顯現(xiàn)出它的優(yōu)勢。

        根據(jù)計算結(jié)果,由細(xì)砂組成的白沙灘險工堤岸,穩(wěn)定邊坡采用1∶3,模袋混凝土護(hù)坡平均厚度經(jīng)計算采用12 cm,模袋混凝土標(biāo)號:C20F200,下鋪400 g/m2長絲無紡布反濾。模袋混凝土護(hù)坡頂部設(shè)混凝土封頂,尺寸為50 cm×40 cm(寬×高),模袋底部埋入地面下80 cm,并對回填土進(jìn)行夯實。

        根據(jù)其它工程應(yīng)用情況確定模袋規(guī)格及有關(guān)指標(biāo)參考如下:

        模袋布單層質(zhì)量不小于240 g/m2,抗拉強(qiáng)度縱向不小于45 kN/m,橫向不小于40 kN/m,伸長率縱向小于35%,橫向小于30%,等效孔徑φ90≤0.3,CBR頂破強(qiáng)度不小于4.5 kN,垂直滲透系數(shù)不小于0.005 cm/s;模袋布筋繩強(qiáng)度不小于0.6 kN,模袋布筋繩伸長率小于25%,鉸鏈繩采用丙綸,直徑12 mm,強(qiáng)度不小于8 kN,延伸率不小于35%,垂直水流方向間距1 m布置;成型模袋混凝土平均厚度15 cm。

        3)設(shè)計洪水位以上植物護(hù)坡

        根據(jù)工程需要,護(hù)坡上部設(shè)計水位以上部分陡坎需削成穩(wěn)定邊坡,依據(jù)計算結(jié)果,穩(wěn)定邊坡比為1∶2.0。由于岸坡土體主要為0.10~0.25 mm粉細(xì)顆粒,其抗沖刷能力極差,岸坡開挖完后在2003年雨季受到雨水的沖蝕,出現(xiàn)數(shù)條1.5~2.0 m深的沖溝。根據(jù)現(xiàn)場情況,邊坡采用拱形混凝土護(hù)坡,岸坡頂部采用20 cm×20 cm封頂混凝土。由于該方案需預(yù)制大量混凝土塊,工期不能滿足要求,同時附近亦無較大預(yù)制場地,在不增加投資情況下,現(xiàn)場進(jìn)行了現(xiàn)澆混凝土拱形護(hù)坡及拱形磚砌體護(hù)坡兩種護(hù)坡形式的現(xiàn)場試驗,根據(jù)試驗效果從施工進(jìn)度及施工難度兩方面考慮岸坡上部護(hù)坡采用拱形磚砌體護(hù)坡。

        通過現(xiàn)場試驗,樁號K0+547~K2+873岸坡上部拱形磚砌體護(hù)坡根據(jù)結(jié)構(gòu)需要,拱腳處平砌磚改為垂直坡面立砌磚,磚砌體圓弧頂部立面砂漿抹面取消,砂漿抹面立面高度原為20 cm現(xiàn)改為15 cm,砌體、抹面砂漿均采用M15F50。拱形磚砌體混凝土封邊根據(jù)現(xiàn)場情況每3 m或5 m采用二氈分縫。拱形護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整進(jìn)一步優(yōu)化了原設(shè)計方案,從而保證了施工進(jìn)度及降低了施工難度。

        6 結(jié)語

        白沙灘險工護(hù)岸設(shè)計,取得了在粉細(xì)砂基礎(chǔ)上進(jìn)行護(hù)坡設(shè)計的成功經(jīng)驗,尤其是通過模袋混凝土護(hù)坡的實施,充分體現(xiàn)了該種護(hù)坡形式在結(jié)構(gòu)、施工、運行維護(hù)及工程造價等方面的優(yōu)點,肯定了沉排護(hù)腳方案的整體性強(qiáng)及適應(yīng)地形變化方面的突出優(yōu)點。

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