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        蘭河流域墻式護(hù)岸和坡式石籠護(hù)岸設(shè)計(jì)探討

        2020-05-21 12:36:32
        黑龍江水利科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:墻式險(xiǎn)工石籠

        金 浩

        (遼寧省水科院,沈陽(yáng) 110002)

        1 概 述

        蘭河是太子河支流之—,位于葠窩水庫(kù)上游,發(fā)源于水泉的大黑山,自南向北流經(jīng)甜水、寒嶺等鎮(zhèn),于寒嶺鎮(zhèn)的黃家堡子匯入葠窩水庫(kù)。蘭河?xùn)|與細(xì)河相鄰,西靠遼陽(yáng)縣河攔、塔子等鎮(zhèn),與湯河一山相隔。

        蘭河治理工程下游起點(diǎn)位于楊房大橋上游300m處,末端為田家堡子,共36.65km,其中不需治理河段長(zhǎng)5.51km,治理干流河段長(zhǎng)31.14km、支流河段長(zhǎng)1.40km。沿河兩岸村莊布局比較分散,房屋大部分沿河而建。河兩岸局部地段現(xiàn)在已有縣、鎮(zhèn)、村級(jí)建成的護(hù)坡等防洪工程。流域上游為山區(qū),山多地少,流域內(nèi)采礦場(chǎng)礦渣隨意堆放現(xiàn)象比較普遍,擾亂了河道形態(tài),對(duì)河道的安全行洪構(gòu)成威脅。

        2 護(hù)岸工程現(xiàn)狀

        甜水鄉(xiāng)蘭河河沿橋下游險(xiǎn)工處理工程,其工程內(nèi)容:護(hù)坡基礎(chǔ)為漿砌石基礎(chǔ),坡面采用10cm厚的C10混凝土墊層,墊層上鋪設(shè)10cm厚的C25鋼筋混凝土,護(hù)坡頂部采用50cm厚漿砌石壓頂,現(xiàn)澆混凝土板每15m設(shè)一處伸縮縫。甜水鄉(xiāng)廟溝大橋下游段險(xiǎn)工處理工程,其工程內(nèi)容:疏浚工程分兩處,第一處為廟溝河村內(nèi)橋下游305m,第二處為現(xiàn)甜水鄉(xiāng)廟溝蘭河大橋下游415m。遼陽(yáng)縣甜水鄉(xiāng)古家段清淤工程,其內(nèi)容:清淤總長(zhǎng)度1887m。設(shè)計(jì)河底寬60m。清淤完成后,河岸兩側(cè)需平順連接,以便于行洪的需要,同時(shí)注重河岸的整潔美觀,與堤防形式大致相同。除了上述工程,還有多處村民自發(fā)組織建設(shè)的防護(hù)工程,用來(lái)保護(hù)耕地和魚塘,主要是從河道內(nèi)取土,在岸灘上堆土。對(duì)村屯起到一定的防護(hù)作用。

        3 工程布置

        岸坡主要采用綠濱墊與固濱籠進(jìn)行防護(hù),工程根據(jù)現(xiàn)有岸坡走勢(shì)和河勢(shì)布置,受地形條件和已建建筑物限制的影響,護(hù)坡分為直立墻式護(hù)岸和坡式護(hù)岸。直立墻式護(hù)岸布置在地形狹窄布置受限河段,需滿足防沖和防凍要求。坡式護(hù)岸坡比采用1∶2.5,護(hù)坡厚度根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)確定,護(hù)腳采用垂直防護(hù)或水平防護(hù),垂直防護(hù)滿足沖刷深度要求,水平防護(hù)滿足3倍沖刷深度要求并設(shè)置1m×1m腳槽,坡頂滿足設(shè)計(jì)頂高程要求,并水平外延1m防止漫灘時(shí)水流淘刷。在石籠護(hù)岸的上下游,也就是護(hù)岸的起始點(diǎn)和終點(diǎn)位置,為防止水流頂沖、淘刷,進(jìn)行石籠錨固。

        4 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

        4.1 墻式護(hù)岸

        根據(jù)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》,墻式護(hù)岸的結(jié)構(gòu)形式可采用直立式、陡坡式、折線式等[1]。直立墻式護(hù)岸布置在地形狹窄布置受限河段,需滿足沖刷深度和防凍要求。

        4.1.1 墻式護(hù)岸抗滑計(jì)算

        馬溝門護(hù)岸采用固濱墻結(jié)構(gòu)形式,計(jì)算參數(shù)如下。墻高3m,共3層,每層高1m,各層寬度分別為1m、1.5m、2m,當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)凍深為1.1m,又根據(jù)規(guī)范防沖要求,墻底埋深需在沖刷深度以下0.5-1m,馬溝門處沖刷深度為0.81m,故墻埋深取1.3m。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

        圖1 墻式護(hù)岸結(jié)構(gòu)計(jì)算圖

        擋土墻類型:抗震區(qū)浸水地區(qū)擋土墻,地震烈度7°,墻后填土內(nèi)摩擦角34°,墻后填土黏聚力0kPa,墻后填土容重20.5kN/m3,墻背與墻后填土摩擦角17.5°,地基土容重20.5kN/m3,墻后填土為非凍脹性土,不考慮凍脹力。

        基底抗滑穩(wěn)定系數(shù)按式(1)計(jì)算:

        FSsl=μ∑N/∑T

        (1)

        式中:∑N為豎向力總和,KN; ∑T為水平力總和,KN;μ為基底摩擦系數(shù),取0.554。

        其中μ根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取μ=tanφf(shuō)(φf(shuō)取地基土的內(nèi)摩擦角和格賓石料的內(nèi)摩擦角中較小值)[2]。

        4.1.2 墻式護(hù)岸抗傾穩(wěn)定計(jì)算

        抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)按式(2)計(jì)算:

        FSot=∑My/∑Mo

        (2)

        式中:∑My為穩(wěn)定力系對(duì)格賓墻體墻趾的力矩,kN·m;∑Mo為傾覆力系對(duì)格賓墻體墻趾的力矩,kN·m。

        4.1.3 地基承載力驗(yàn)算

        格賓擋墻基底壓應(yīng)力跟國(guó)內(nèi)規(guī)范一致,呈梯形分布[3]。

        (3)

        對(duì)墻底面偏心距e的要求為:

        格賓擋墻墻趾、墻踵壓應(yīng)力為:

        (4)

        (5)

        4.1.4 墻式護(hù)岸整體穩(wěn)定計(jì)算

        整體穩(wěn)定性分析時(shí),采用簡(jiǎn)化畢肖普法和簡(jiǎn)化簡(jiǎn)布法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 抗滑、抗滑、整體穩(wěn)定性

        4.2 坡式石籠護(hù)岸

        4.2.1 坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式的選定

        護(hù)坡形式主要根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧稀⑹┕l件及、岸坡土質(zhì)等確定。主要有混凝土面板護(hù)岸、漿砌石護(hù)岸、石籠護(hù)岸,各方案特點(diǎn)如表2所示。

        表2 各方案特點(diǎn)比較表

        通過(guò)綜合比較施工工藝和投資,對(duì)于坡式護(hù)岸,最終采用石籠護(hù)岸的形式。

        4.2.2 坡式石籠護(hù)岸設(shè)計(jì)

        石籠護(hù)岸坡比采用1∶2.5,護(hù)坡厚度根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)確定,護(hù)腳采用垂直防護(hù)或水平防護(hù),垂直防護(hù)滿足沖刷深度要求,水平防護(hù)滿足3倍沖刷深度要求并設(shè)置1m×1m腳槽,坡頂滿足設(shè)計(jì)頂高程要求并外延1m防止淘刷。石籠底斜坡段部鋪設(shè)無(wú)紡布和0.15m厚砂礫墊層,無(wú)紡布采用短纖土工布標(biāo)稱斷裂強(qiáng)度為12.5KN/m,型號(hào)采用400g/m2。

        4.2.2.1 護(hù)岸沖刷深度計(jì)算

        1)水流平行于護(hù)岸工程:

        計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式,公式及計(jì)算過(guò)程如下:

        水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算:

        (6)

        (7)

        式中:H0為沖刷處的水深,m,以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替;UCP為近岸垂直平均流速,m/s;Uc為泥沙起動(dòng)流速流速,m/s;n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),取n=1/4;η為水流流速不均勻系數(shù),根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表采用;d50為床沙的中值粒徑,m;γs、γ為泥沙與水的容重,kN/m3。

        2)水流斜沖防護(hù)工程

        按斜沖護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式:

        (8)

        式中:Δhp為從河底算起的局部沖深,m;α為水流流向與岸坡交角,(30°);m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù),2;d為坡腳處土壤計(jì)算粒徑;vj為水流偏斜時(shí),水流的局部沖刷流速,計(jì)算公式如下

        (9)

        式中:Q為設(shè)計(jì)流量;ω為原河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2;ωp為河道縮窄部分的斷面面積,m2。

        護(hù)腳分垂直防護(hù)和水平防護(hù)兩種,枯水位較低時(shí)采用垂直防護(hù),設(shè)計(jì)采用防護(hù)深度為1m??菟惠^高,垂直防護(hù)困難時(shí),采用水平防護(hù)。水平防護(hù)頂部設(shè)置腳槽,腳槽頂高程高出枯水位0.5m,水平防護(hù)長(zhǎng)度根據(jù)省內(nèi)多條河流整治經(jīng)驗(yàn),按照3倍沖刷深控制,若險(xiǎn)工位于近深泓線段,防護(hù)范圍需滿足過(guò)深泓線3倍沖刷長(zhǎng)度,計(jì)算結(jié)果見表2。

        4.2.2.2 護(hù)面厚度設(shè)計(jì)

        根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,在波浪作用下,斜坡堤干砌石護(hù)坡的護(hù)面厚度t可按下式計(jì)算:

        (10)

        式中:K1為系數(shù),干砌石取0.266;γb為塊石的重度,kN/m3;取27kN/m3;γ為水的重度,kN/m3;取10kN/m3;H為計(jì)算波高,當(dāng)d/L≥0.125時(shí),取H4%;當(dāng)d/L<0.125時(shí),取H13%;d為堤前水深,m;

        表2 坡式護(hù)岸防護(hù)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

        風(fēng)浪計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》公式:

        (11)

        (12)

        將各參數(shù)代入上式中,計(jì)算得t=0.16m。

        馬克菲爾公司做了詳盡的綠濱墊的抗沖刷模型和原型試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及多年的工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),得出了“綠濱墊系列防護(hù)與流速的關(guān)系表”(如表3所示):

        表3 綠濱墊系列防護(hù)與流速的關(guān)系表

        根據(jù)險(xiǎn)工護(hù)岸工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)流速>5.0m/s的護(hù)岸,塊石護(hù)坡厚度取0.50m,填石粒徑10-20cm。對(duì)流速<5.0m/s的護(hù)岸,塊石護(hù)坡厚度取0.30m,填石粒徑7-15cm。各險(xiǎn)工坡面厚度見表4。

        表4 坡面厚度統(tǒng)計(jì)表

        4.2.2.3 塊石護(hù)坡穩(wěn)定計(jì)算

        1)采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中折線滑動(dòng)法,利用北京理正巖土軟件計(jì)算出護(hù)岸整體穩(wěn)定系數(shù)為1.435>1.25,滿足要求。

        2)固濱籠和綠濱墊下鋪設(shè)長(zhǎng)絲無(wú)紡布,對(duì)摩擦力的影響按80%進(jìn)行折算,坡比按最陡處考慮為1∶2.5,坡角為21.8°,由塊石護(hù)坡與無(wú)紡布沿岸坡滑動(dòng)的安全系數(shù)為:

        K=tg(34.5×0.8)/tg21.8=1.31>1.25

        塊石與無(wú)紡布滿足岸坡抗滑要求,塊石只要砌筑得密實(shí)牢固,沒有鐵絲網(wǎng)也是安全牢固的。目前在東北地區(qū)多采用鐵絲石籠護(hù)砌,其原因是在護(hù)岸工程中,邊坡有時(shí)過(guò)陡,本身不夠穩(wěn)定,有時(shí)下部基礎(chǔ)不牢固造成塊石下滑?;?yàn)榉乐挂蚴┕べ|(zhì)量過(guò)低,影響到工程安全。因此在設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)我省險(xiǎn)工護(hù)岸施工經(jīng)驗(yàn),采用鍍高爾凡覆塑石籠護(hù)砌,網(wǎng)格由外面的鋼絲經(jīng)機(jī)械編織而成,網(wǎng)格尺寸為長(zhǎng)4m×寬1m×厚0.5m和長(zhǎng)4m×寬2m×厚0.3m。

        4.2.2.4 護(hù)岸頂部設(shè)計(jì)

        對(duì)于保護(hù)村莊的坡式護(hù)岸,護(hù)岸超高取0.5m,防止10a一遇設(shè)計(jì)水位超過(guò)岸頂對(duì)坡后土體造成沖刷,威脅村莊安全。

        護(hù)岸頂部處理主要有布排錨固、岸頂處理、岸頂防沖。根據(jù)近幾年遼寧地區(qū)險(xiǎn)工護(hù)岸的經(jīng)驗(yàn),在水上部分石籠護(hù)岸的頂端,為使護(hù)岸與灘面銜接良好,以防止在洪水期形成后部淘刷,并阻止灘面雨水或河水入侵,防止坡面遭到破壞,將石籠向外延長(zhǎng)1.0m?,F(xiàn)狀高程較低,需回填土,壓實(shí)后在坡頂做石籠。

        4.2.2.5 護(hù)岸上下游石籠錨固

        在石籠護(hù)岸的上下游,也就是護(hù)岸的起始點(diǎn)和終點(diǎn)位置,為防止水流頂沖、淘刷,垂直于水流方向,沿石籠護(hù)岸邊緣開挖一0.5m×1m的溝槽,把無(wú)紡布?jí)喝氩蹆?nèi),然后進(jìn)行石籠砌筑。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        蘭河為太子河支流,建成穩(wěn)定健康的河道有利于減少水庫(kù)的入庫(kù)泥沙及改善水質(zhì)。作為水源地,為引蘭入湯工程提供優(yōu)良水保障。現(xiàn)狀蘭河河道險(xiǎn)工險(xiǎn)段較多,使兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅,防護(hù)工程的建設(shè)能夠給當(dāng)?shù)厝嗣裉峁┮粋€(gè)穩(wěn)定的外部環(huán)境。兩岸廢渣的隨意堆放,擾亂了河道的形態(tài),經(jīng)過(guò)護(hù)岸設(shè)計(jì)及治理后兩岸房屋、農(nóng)田得以有效保護(hù);水土流失情況得以改善,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)具有十分重要的意義。

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