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        遜克縣嘎牛戶西套子島雷諾護(hù)墊護(hù)坡設(shè)計

        2012-10-24 02:03:26孫蘭鳳曹國慶
        黑龍江水利科技 2012年1期
        關(guān)鍵詞:工程

        孫蘭鳳,李 軍,曹國慶

        (1. 黑河市水利勘測設(shè)計院,黑龍江 黑河164300;2. 黑河市愛輝區(qū)宋集屯水庫,黑龍江 黑河164300)

        1 工程概況

        黑龍江干流嘎牛戶西套子島護(hù)岸工程位于黑龍江干流中游嘎牛戶西套子島上,遜克縣干岔子鄉(xiāng)小河?xùn)|村正北,該護(hù)岸起點位于上游島頭( 樁號0 +000) 處,終點至島下游( 樁號3 +439) 處,全長3 439 m,寬250 m,面積0.92 km2,距中方岸250 m,距俄方岸900 m。

        嘎牛戶西套子島護(hù)岸可行性研究于2010年5月11日通過松遼水利委員會( 松遼規(guī)計[2010]97 號) 審查,并于2010年8月17日經(jīng)黑龍江省發(fā)展和改革委員會( 黑發(fā)改農(nóng)經(jīng)[2010]1392 號) 批復(fù)。

        本次初步設(shè)計經(jīng)實地勘測,嘎牛戶西套子島外江測均有不同程度的坍塌,為使該島免遭沖刷,本次護(hù)岸地點為島外側(cè),起點為上游島端( 樁號0 +000) ,護(hù)岸沿島外側(cè)岸布置,至下游平緩處,護(hù)岸長度3 439 m。該護(hù)岸分兩種形式護(hù)砌,0 +000 ~0 +393、1 +633 ~1 +879 段護(hù)坡采用植物護(hù)坡形式,植草插柳株距為2 m×2 m,總長639 m;0 +393 ~1 +633、1 +879~3 +439 段采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡形式,總長2 800 m。固腳采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu),尺寸為200 ×150 ×100 cm ( 長×寬×厚) ,和尺寸為200 ×100 ×25 cm ( 長×寬×厚) ,護(hù)坡采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)墊厚25 cm,尺寸為300 ×200 ×25 cm( 長× 寬×厚) ,壓頂采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu),尺寸為200 ×100 ×50 cm( 長×寬×厚) 。

        該護(hù)岸工程總工程量7.26 ×104m3,其中: 土石方開挖0.95 ×104m3; 土 石 方 填 筑6.31 ×104m3; 雷 諾 護(hù) 墊 共49 296 m2??傆霉?2.00 ×104工時,工期1 a。工程總投資1 219.59萬元。工程建成后,不僅防止了國土流失,還可有效地保護(hù)臨江耕地的安全。

        2 塌岸原因及修建護(hù)岸的必要性

        該段江岸覆蓋層由粉土粉砂互層和砂礫石層組成,地質(zhì)結(jié)構(gòu)脆弱,抗沖能力差,江水沖淘嚴(yán)重,同時受嘎牛戶西套子島的頂托,使上游段河道變窄,水流湍急,此段江水位高,流速大,在中高水位漲落以及冰凌、風(fēng)浪的作用下,致使江岸松散土壤顆粒被江水帶走,使岸坡整塊坍塌。據(jù)實地調(diào)查,因水流、地質(zhì)等因素,造成該段江岸的塌岸速度每年已達(dá)到2 m左右,且塌岸速度呈逐年增加趨勢,塌岸使岸邊的良田逐年減少,如不及時采取必要的整治措施,使國土流失,不利于邊境地區(qū)的和平穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此修建嘎牛戶西套子島護(hù)岸工程非常必要。

        3 護(hù)岸工程設(shè)計

        3.1 護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式選擇

        雷諾護(hù)墊由機(jī)編雙交合六邊形金屬網(wǎng)面構(gòu)成,其中裝入塊石等填充料后連成一體,構(gòu)成具有柔性、透水性及整體性的結(jié)構(gòu),雷諾護(hù)墊由格板分成若干單元格,所有面板邊端均采用直徑更大的鋼絲。

        采用干砌石護(hù)坡、雷諾護(hù)墊護(hù)坡兩種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行方案比選,見表1。

        表1 兩種結(jié)構(gòu)形式方案比選

        方案結(jié)果表明: 雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式造價較高,但整體性好,能適應(yīng)變形,有較強(qiáng)的抗沖刷及抗冰推能力,且能恢復(fù)生態(tài),保護(hù)環(huán)境。干砌石護(hù)坡造價較低,但干砌石護(hù)坡抗沖淘能力低,對塊石質(zhì)量要求高,塊石利用率低,維護(hù)費用高,故本次護(hù)岸設(shè)計采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式。

        3.2 護(hù)岸長度及各種高程的確定

        本次設(shè)計通過實地踏察,既考慮了岸邊坍塌部位的防護(hù)及其在中高水位情況下頂沖點移動的趨勢,又考慮了江水流向變化、保護(hù)范圍等因素,綜合確定護(hù)岸長度為3 439 m,其中0 +000 ~0 + 393、1 + 633 ~1 + 879 段為植物護(hù)坡,總長639 m;0 +393 ~1 +633、1 +879 ~3 +439 段采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡形式,總長2 800 m。

        該護(hù)岸屬于Ⅳ級建筑物,護(hù)岸頂高程按20 a一遇洪水位確定,本次護(hù)岸設(shè)計護(hù)岸地面頂高程為110.50 ~115.62 m,低于20 a一遇洪水位,故確定岸頂?shù)孛娓叱虨樽o(hù)岸頂高程。

        固腳工程是為了防止水流沖刷坡腳,在水流平順段可護(hù)至坡度為1∶1.6 ~1∶2.5 的緩坡河床處,固腳頂高程應(yīng)高于枯水位0.5 ~1.0 m,為減小開挖量根據(jù)地形可適當(dāng)將固腳高程適當(dāng)放高。本次設(shè)計結(jié)合工程實際地形情況,將固腳頂高程確定為106.90 ~111.20 m。

        3.3 護(hù)墊厚度及自身穩(wěn)定驗算

        3.3.1 雷諾護(hù)墊厚度計算

        雷諾護(hù)墊厚度的確定,一般要考慮兩個因素: ①是水流流速;②是波浪高度及岸坡的傾角。當(dāng)雷諾護(hù)墊既受到水流的沖刷,又受到波浪的作用時,需選用兩者中的大值作為設(shè)計厚度。

        3.3.1.1 水流流速影響雷諾護(hù)墊厚度的計算

        1) 對于水流流速的影響情況,馬克蘇菲公司早在20 世紀(jì)80年代就在美國的科羅拉多大學(xué)進(jìn)行了大量的模型試驗和對已建工程的反分析,最后得出了各種厚度雷諾護(hù)墊的抗沖流速,見表2。

        表2 雷諾護(hù)墊厚度與流速參照表

        2) 另根據(jù)K.W.Pilarczyk 的《護(hù)岸的設(shè)計》,雷諾護(hù)墊厚度在水的流速可知的情況下,可采用下式計算:

        式中:Δ 為雷諾護(hù)墊的相對密度,Δ≈1.0;D 為雷諾護(hù)墊的厚度,m;φ 為穩(wěn)定參數(shù),對于雷諾護(hù)墊取Φ =0.75; Ucr 為平均流速,m/s,Ucr =2.0 m/s; C ﹡為臨界防護(hù)參數(shù),對于雷諾護(hù)墊取C﹡=0.07;G 為重力加速度,g =9.81 m/s2;KT為紊流系數(shù),取KT=1.0; Kh為深度系數(shù),取Kh=1.0; Ks 為坡度系數(shù);θ 為岸坡角度;m 為岸坡坡度,m=2.5;Φ 為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角,Φ =41°。經(jīng)計算:D=0.10 m。

        3.3.1.2 波浪高度及岸坡傾角對雷諾護(hù)墊厚度的影響計算根據(jù)報告的研究成果( 報告號:BO—290460/18) ,在波浪高度和河岸坡度作為影響雷諾護(hù)墊厚度的主要因素,其厚度計算可按下式確定:

        當(dāng)

        式中:tm為雷諾護(hù)墊的厚度,m; Hs 為波浪設(shè)計高度,m,取H1%;根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附表C.1.3-1 計算: 設(shè)計波高H1%=H×2.23( H 為波浪平均波高) ; α 為河岸傾角,tm≥m 為河岸邊坡坡比,m =2.5; n 為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石孔隙率,%; Δm 為水下材料的相對單位重度,為水下材料的重度,KN/m3; rw為水的重度,KN/m3。

        在大多數(shù)情況下,( 1 +n) Δm≈1.0,所以以上兩式可簡化為:

        當(dāng)

        1) 風(fēng)浪要素計算包括:

        風(fēng)速資料:根據(jù)提供的實測風(fēng)速資料,計算歷年4—10月份各風(fēng)向最大風(fēng)速平均值。

        護(hù)岸計算選取最大風(fēng)速平均值為15.3 m/s,設(shè)計情況采用風(fēng)速為平均風(fēng)速的1.5 倍,即22.95 m/s。

        吹程:最大吹程為900 m。

        依上進(jìn)行風(fēng)浪計算:

        根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》( GB50286—98) 附錄C,波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式:

        按平均波周期計算的波長可按下式計算:

        式中:L 為平均波長,m。

        2) 雷諾護(hù)墊厚度計算為:由風(fēng)浪計算結(jié)果可知護(hù)岸的波浪設(shè)計高度為: HS=0.334 ×2.24 =0.745 m,將設(shè)計波浪高度值代入厚度計算公式可得:護(hù)岸設(shè)計厚度為:tm=0.15 m。

        3) 雷諾護(hù)墊厚度的選定: 由以上兩種計算方法可以看出:當(dāng)水流流速作為影響雷諾護(hù)墊厚度的主要因素時,水流流速為2.0 m/s時,雷諾護(hù)墊厚度達(dá)到0.10 m就可以滿足要求;而當(dāng)由波浪高度及岸坡的傾角作為影響雷諾護(hù)墊厚度的主要因素時,經(jīng)計算雷諾護(hù)墊厚度達(dá)到0.15 m就可以滿足要求。綜合比較應(yīng)采用兩者中的較大值,但是考慮一定的安全裕度并按照雷諾護(hù)墊的規(guī)格,又由于該護(hù)岸沖刷比較嚴(yán)重,考慮冰塊撞擊及已建護(hù)坡工程實踐經(jīng)驗,因此本次設(shè)計護(hù)墊厚度t 取0.25 m,采用網(wǎng)墊300 ×200 ×25 cm( 長×寬×厚) ,共6 720個。

        3.3.2 坡腳處護(hù)墊水平鋪設(shè)長度的確定

        平鋪網(wǎng)墊護(hù)坡不允許在自重的坡向分力下產(chǎn)生滑動并有要求的安全系數(shù)Fs,可根據(jù)靜力平衡條件按下式計算:

        式中:L1、L2、L3分為護(hù)墊長度,m,見圖1;α 為岸坡角度;fcs為護(hù)墊與坡土的摩擦系數(shù)。經(jīng)計算確定水平鋪設(shè)水平長度為7 m。

        圖1 壩腳處護(hù)墊水平鋪設(shè)示意圖

        固腳高度應(yīng)大于江岸沖刷深度,根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》( GB50286—98) ,沖刷深度可按下式計算:

        式中:hB為局部沖刷深度,m,從水面算起; hp為沖刷處的水深,以近似設(shè)計水位最大深度代替,hp=7.00 m(0 +396 ~2 +963) ,hp=9.33 m(2 +963 ~3 +439) ; Vcp為平均流速,Vcp=2.00 m/s;V允為河床面的允許不沖流速,V允=1.2 m/s; n 為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),取n=1/4。

        經(jīng)計算,局部沖刷深度hB=1.27 m( 2 +963 ~3 +439) ,hB=0.95 m(0 +396 ~2 +963) ,經(jīng)計算確定鋪設(shè)坡腳處護(hù)墊水平長度為7 m,與固腳相同起防滑作用但不經(jīng)濟(jì),因此采用網(wǎng)箱代替水平鋪設(shè)護(hù)墊,參考已建工程的實踐經(jīng)驗及本工程的實際情況,固腳采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu),0 +393 ~1 +633、1+879 ~2 +963 段采用網(wǎng)箱200 ×150 ×100 cm ( 長× 寬×厚) 。

        3.3.3 護(hù)墊自身穩(wěn)定驗算

        上述對雷諾護(hù)墊厚度的計算僅用于初步設(shè)計的選用,厚度確定后還需按照馬克菲爾《河渠工程》的設(shè)計程序驗算雷諾護(hù)墊的穩(wěn)定性和抗變形能力。

        3.3.3.1 雷諾護(hù)墊的穩(wěn)定性計算

        雷諾護(hù)墊的穩(wěn)定性計算考慮極限狀態(tài),也就是設(shè)計最大沖刷深度的情況。一般來說,當(dāng)單個的石頭沒有發(fā)生移動時,石護(hù)坡被認(rèn)為是穩(wěn)定的,護(hù)面的穩(wěn)定性的極限狀態(tài)發(fā)生在石頭將要移動的臨界點,也就是“初始移動”的狀態(tài),此時如果護(hù)坡上的產(chǎn)生的剪應(yīng)力小于臨界剪應(yīng)力,那么護(hù)坡即為穩(wěn)定狀態(tài)。故若要保持雷諾護(hù)墊穩(wěn)定,則應(yīng)有:

        式中:τb 為作用于底面的剪應(yīng)力,kg/m2;τc 為“初始移動”臨界狀態(tài)下底面上的允許剪應(yīng)力,kg/m2; τm 為作用于坡面的剪應(yīng)力,kg/m2;τs 為“初始移動”臨界狀態(tài)下坡面上的允許剪應(yīng)力,kg/m2。

        作用于底面雷諾護(hù)墊上的剪應(yīng)力τb 可按下式計算:

        式中:τw為水的重度,kg/m3,rw=1 000 kg/m3;h 為最大沖刷深度,m,h =0.95 m; i 為河床坡度,i =0.008。經(jīng)計算: τb=7.6 kg/m2。

        “初始移動”臨界狀態(tài)下底面上的允許剪應(yīng)力τc可按下式計算:

        式中:C* 為臨界防護(hù)參數(shù),對于散拋石在臨界狀態(tài)下的防護(hù)參數(shù)可以考慮C* =0.047,而由于雷諾護(hù)墊網(wǎng)格對石頭的約束作用可取雷諾護(hù)墊的防護(hù)參數(shù)C* =0.07; γs為石頭的重度,kg/m3,γs= 2 200 kg/m3; γw為水的重度,kg/m3,γw=1 000 kg/m3;dm為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的平均直徑,mm,即50%鋪面上的石頭可以通過的篩孔的尺寸,dm=120 mm。經(jīng)計算:τc=10.08 kg/m2。

        由上述計算可知,作用于坡面雷諾護(hù)墊上的剪應(yīng)力τb小于底面臨界狀態(tài)下的允許剪應(yīng)力τc,故河岸坡面上的雷諾護(hù)墊是穩(wěn)定的。

        作用域坡面的剪應(yīng)力τm可按下式計算:

        經(jīng)計算:τm=5.7 kg/m2。

        “初始移動”臨界狀態(tài)下坡面上的允許剪應(yīng)力τs可按下

        式計算:式中:Ks為坡度系數(shù),;θ 為岸坡角;m 為岸坡坡度,m=2.5;φ為雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角,φ = 41°。經(jīng)計算: τs=8.3 kg/m2。

        由上述計算可知,作用于坡面雷諾護(hù)墊上的剪應(yīng)力τm小于坡面上的雷諾護(hù)墊在臨界狀態(tài)下的允許剪應(yīng)力τs,故河岸坡面上的雷諾護(hù)墊是穩(wěn)定的。

        3.3.3.2 流速驗算

        護(hù)墊與過濾墊間的流速值:

        考慮特定的砂質(zhì)土壤,則危險流速值:

        Vb>(2 ~4) V,故加一層10 cm的礫石層。3.3.3.3 穩(wěn)定驗算

        取1.0 m3護(hù)坡計算,見圖2。護(hù)墊重G=25 t。

        受力條件:按坡前無水,岸坡濕潤狀態(tài)考慮,網(wǎng)墊與粗礫之間的摩擦系數(shù)f 取值范圍在0.4 ~0.5。

        垂直岸坡分力:N=G·cos21.8° =23.2 t

        平行岸坡分力: F=G·sin21.8° =9.28 t

        摩擦系數(shù):f1=0.40; f =Nf1=9.28 t; f2=0.40; f =Nf2=9.29 t;f≥F,網(wǎng)墊護(hù)坡自身穩(wěn)定。

        圖2 雷諾護(hù)墊穩(wěn)定驗算示意圖

        3.3.4 流冰期冰排對護(hù)坡網(wǎng)墊撞擊影響

        冰排對護(hù)坡網(wǎng)墊撞擊力的計算可根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》( SL211—98) ,按下式計算:

        式中:F 為冰塊撞擊建筑物時產(chǎn)生的動冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值MN; υ為冰塊運動速度,υ =0.6 m/s; δ 為流冰厚度,取最大冰厚的0.8 倍,δ =1.6 m; A 為冰塊面積,A =10 m2; f 為冰的抗壓強(qiáng)度,f=0.45 MPa。

        經(jīng)計算:F=0.14 MN,垂直作用在護(hù)坡網(wǎng)墊上的動冰壓力F' =0.14 ×sin21.8 =0.05 MN。本次護(hù)坡網(wǎng)墊抗壓強(qiáng)度為27.5 N/mm2,可滿足冰排撞擊的要求。

        3.4 護(hù)岸壓頂、固腳及防沖槽網(wǎng)箱設(shè)計

        為防止岸頂雨水淘刷及其人類活動破壞,護(hù)岸壓頂采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱200 cm×100 cm×50 cm( 長× 寬× 厚) ,共1544個。固腳采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱200 cm×150 cm×100 cm( 長×寬×厚) 1 544個和護(hù)墊200 cm×100 cm×25 cm( 長×寬×厚)525個。

        在雷諾護(hù)墊護(hù)坡首末兩端設(shè)置防沖槽,采用雷諾護(hù)墊網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)200 cm×50 cm×50 cm( 長×寬×厚) ,共29個。

        3.5 穩(wěn)定計算

        本次采用瑞典圓弧法計算護(hù)岸及岸坡基礎(chǔ)土的抗滑穩(wěn)定。根據(jù)地質(zhì)報告,土體的各項物理指標(biāo)見表1。通過STAB程序計算穩(wěn)定圖見圖3。

        表1 土體物理指標(biāo)表

        圖3 STAB 程序計算穩(wěn)定示意圖

        經(jīng)計算: 枯水位時: k =1.30; 20 a 一遇洪水位時: k =1.49。

        計算結(jié)果均大于允許值〔K〕=1.15,故邊坡穩(wěn)定。

        4 結(jié) 論

        黑龍江省遜克縣黑龍江干流嘎牛戶西套子島護(hù)岸工程已通過松遼委及黑龍江省發(fā)展和改革委員會批復(fù),初步設(shè)計也批復(fù),下一步將進(jìn)行該工程招標(biāo)及施工階段,相信雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)建完后在保護(hù)堤岸的同時實現(xiàn)了水體和坡下土體間交換功能,恢復(fù)了生態(tài)平衡,它使工程結(jié)構(gòu)回歸自然,坡上植綠必將成為遜克縣嘎牛戶西套子島的一道亮麗的風(fēng)景線,此項技術(shù)在大慶等地已有應(yīng)用,相信不久的將來會廣泛地應(yīng)用在黑河沿江水利工程上。

        [1]水利部東北勘測設(shè)計研究院. SL211-98 水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國水利水電出版社,1998.

        [2]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院. GB50286-98 堤防工程設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國水利水電出版社,1998.

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