河湖拋石護岸工程的設計與應用淺探

姚建忠 朱智兵 胡念凡

（1.金湖縣河湖管理所，江蘇 淮安 211600；2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；3.淮安市水利物資開發(fā)有限公司，江蘇 淮安 223005）

0 引言

拋石防護法［1］是指通過機械或人工拋投塊石、卵石等人工或者天然石料，在指定區(qū)域堆砌形成符合設計要求的結構，使之具備某種特定功能的施工方法。在各種類型的護岸中，水下拋石防護是一種古老的防護型式，由于其材料來源豐富，施工技術簡單，施工進度快，便于維修養(yǎng)護，抗沖性較強，而且能較好地適應河床變形，同時，拋石岸面較為平順，對水流、河床的自然形態(tài)影響較小，因此對一些堤外灘較窄、水流沖刷嚴重、深泓逼岸、岸線崩退嚴重的堤段進行水下防護時得到廣泛應用，工程效果較好，但是缺乏系統(tǒng)的設計方法。筆者在金寶航道工程、淮安市白馬湖堤防險工段應急處理工程等實踐的基礎上，通過查閱相關文獻、規(guī)范，對水下拋石防護的設計與應用方法做了初步探討，可為其它工程提供參考。

1 工程概述

（1）金寶航道工程。金寶航道位于揚州市寶應縣和淮安市金湖縣境內，是南水北調東線一期工程的重要組成部分，全長66.88 km（裁彎后64.4 km），是一條集輸水、通航、灌溉、排澇為一體的綜合性河道，設計流量為150 m3/s。金寶航道彎道較多，在設計輸水規(guī)模下，水流流速較大，為減少水流對凹岸河坡的沖刷，需對凹岸頂沖段進行拋石防護。

（2）白馬湖堤防險工段應急處理工程。為恢復白馬湖調蓄功能，提高其抵御自然災害的能力，淮安市實施了白馬湖退圩還湖及清淤工程，隨著工程的實施，白馬湖水面開闊起來，風浪對堤防的影響逐漸表現(xiàn)出來，多處堤防受風浪沖刷，迎水面坡面呈陡立狀，堤防安全受到影響，故需對白馬湖迎湖面險工段堤防進行應急加固處理。

2 拋石防護設計

（1）塊石材料要求。塊石要求石質堅硬，遇水不易破碎、軟化或水解，石頭強度等級不低于MU80，濕抗壓強度大于50 MPa，軟化系數(shù)大于0.8，比重不小于26.5 kN/m3。不允許使用風化石、泥巖和薄片、條狀、尖角等形狀的塊石。

（2）邊坡。拋石護岸坡度宜緩于1∶1.5，一般情況下控制在1∶1.5～1∶4，沖刷比較嚴重處局部水下拋石可按緩坡拋投，以確保底坡穩(wěn)定。

（3）塊石粒徑。塊石粒徑是關系到工程質量好壞的主要技術指標之一，塊石粒徑要便于拋投，并能抵卸水底最大流速的沖擊，還要能在河坡上保持穩(wěn)定。根據(jù)已建工程經驗，拋石粒徑宜在0.25～0.45 m，最下層拋石粒徑宜適當加大，便于擠淤和穩(wěn)定。

（4）塊石的質量。根據(jù)工程經驗，石料單塊重量不小于10 kg，若采用人工拋石，單塊石料的重量以不超過30 kg 為宜。采用人工塊體或經過分選的塊石作為斜坡的護坡面層且斜坡坡率為1.5～5.0 時，波浪作用下單個塊體、塊石的質量Q 按式（1）計算［2］：

式中：

Q—主要護面層的護面塊體、塊石個體質量（t），當護面由兩層塊石組成，則塊石質量可在0.75Q～1.25Q 范圍內，但應有50%以上的塊石質量大于Q；

γb—人工塊體或塊石的容重，kN/m3；

KD—穩(wěn)定系數(shù)，按規(guī)范表確定；

m—斜坡坡率。

在水流作用下，防護工程護坡、護腳保持穩(wěn)定的抗沖石塊重量W 按式（2）計算［2］：

式中：

W—石塊重量，kN。

（5）粒徑級配設計。拋石的級配影響護坡的穩(wěn)定性。若粒徑相差不大，石塊之間空隙大，小粒徑級配適宜的拋投塊石可以增加覆蓋層次，減少孔隙，改善內部連接，防止河床泥砂淘刷，增強對河床的防護效果。當拋石塊體有級配時，大塊石起到抗沖穩(wěn)定作用，小塊石起到保護床沙的作用，并且大塊石對小塊石起到隱蔽保護作用，減小了水流對小塊石的沖擊；小塊石對大塊石則起到增加摩阻作用，增強了大塊石的穩(wěn)定性。拋石級配料也可結合合成材料或其他纖維材料，加強反濾隔離功能，減少波浪對邊坡的沖淘，增強護坡防護效果。一般拋石的粒徑級配滿足式（3）要求：

式中：

d—平均拋石粒徑，m；

dmin—最小拋石粒徑，m；

dmax—最大拋石粒徑，m。

（6）拋石厚度設計。拋石厚度t 不宜小于拋石粒徑的2 倍，水深流急處宜增大。拋石厚度可根據(jù)式（4）估算：

式中：

t—拋石厚度，cm；

γs—拋石容重，kN/m3；

dmax—最大拋石粒徑，cm。

金寶航道工程全長1.3 km，拋石護岸防護上限至河底，下限至混凝土預制塊護砌或漿砌塊石護砌的下限。拋石護坡根據(jù)不同工情下流速情況，利用以上公式計算，彎曲段護岸拋石粒徑采用0.3～0.45 m，拋石厚度為0.6～1.0 m，護岸坡度采用1∶3～1∶4。白馬湖堤防險工段應急處理工程在迎湖面采用拋石護岸防護，全長1.5 km，設計頂高程為7.5 m，頂寬1.0 m，拋石粒徑采用0.3～0.4 m，拋石厚度為0.6～0.8 m，坡比1∶2～1∶3，沖刷比較嚴重處局部水下拋石按坡比1∶4 拋投。

3 施工控制要求

3.1 拋石平面控制

平面控制就是控制拋石范圍，既不能拋偏又不能漏拋。拋石范圍較小時，可采用水上浮標加岸上標樁來控制拋投范圍。水上浮標，即根據(jù)施工段的拋投寬度提前丈量好到岸邊的距離，然后在相應水面放置浮標并固定。同時在岸邊對應浮標的位置打一木樁并編號，作為標樁。標樁與浮標每15 m 設置一組，將水面浮標之間的連線作為拋投寬度的控制線，拋投時可以稍微過線一點，以保證不漏拋，但不能過線太多形成超拋。

塊石在下拋過程中，因為水流的作用，塊石會向下移動，因此，在投拋前要計算塊石的沖距，以便算出拋石在水流作用下移動的距離，保證拋投位置的準確。拋石沖距可采用張瑞瑾阻力平方區(qū)塊石流速公式計算：

式中：

L—塊石水平落距，m；

V—拋石部位水面流速，m/s；

H—水深，m；

W—塊石重量，kg。

3.2 拋石高程控制

拋石高程控制，即拋石面的標高控制。控制標高措施主要有：

（1）拋前測量。拋石水域的河床高程是變化的，所以各點的拋石量也不盡相同，若各點只是均勻拋投則不能保證設計標高。故拋投前要測量清楚拋投區(qū)河床的情況，再根據(jù)水下地形，制定具體詳細的拋投方案。

（2）均勻拋石。對局部高程較低的區(qū)域作填平處理后，使拋石區(qū)河床地面大致平整，正式拋石時要做到均勻拋投。均勻拋投在現(xiàn)場主要根據(jù)拋石方量來控制，塊石在下水前由專人現(xiàn)場測量方量并記錄。

（3）隨時測量。拋石過程中要隨時測量拋石面的高程。在一段拋石結束后，立即派專人下水摸探，以檢查拋石范圍和均勻度是否符合要求，發(fā)現(xiàn)問題及時補救。

（4）質量檢查與修補。在每個施工段拋石結束后，應由專人配合監(jiān)理人員對拋石質量進行復查。主要檢查拋石的范圍、高程和平整度是否符合設計要求，檢查石料是否分離，塊石是否穩(wěn)固。若有漏拋或少拋的地方，應及時使用浮標做標記并立即補拋，做好現(xiàn)場記錄。

3.3 施工準備

施工前要進行生產性試驗，通過試驗，找出控制參數(shù)，作為指導施工作業(yè)的控制依據(jù)。水下拋石施工前及完工后，要委托有專業(yè)資質的測量單位進行水下測量。

3.4 施工技術要點

一是提前做好斷面和內側湖堤堤腳外的測量工作，做好石方調配工作；二是拋石棱體定線放樣，在水域需插設浮標桿，若相鄰斷面尺寸不同，應加密插設標桿，以保證斷面間平順連接；三是拋石棱體達到預定斷面，并經沉降初步穩(wěn)定后，立即按設計輪廓將拋石體整理成型。

3.5 施工安全要點

在施工期間，要精確地將拋石的堤腳線放樣出來，施工過程及施工結束后，要密切觀察拋石棱體的穩(wěn)定性。在拋石棱體穩(wěn)定前，避免機械和人員在拋石平臺上作業(yè)。在通航河道上實施拋石工程，應在拋石區(qū)域增加安全標志，保證通航安全。

4 結語

經過幾年的運行，金寶航道工程、淮安市白馬湖堤防險工段應急處理工程的河岸及堤防邊坡穩(wěn)定，拋石護岸防護效果明顯。實踐證明，拋石護岸防護具有施工技術簡單，施工進度快，工程效果好等優(yōu)點，工程實施后可有效抗風浪沖刷，減小風浪爬高，且適應變形能力強，在堤外灘較窄、水流沖刷嚴重、深泓逼岸、岸線崩退嚴重的堤段具有廣泛的應用前景。

［1］陶亦壽，譚界雄，董建軍，等.中國堤防工程施工叢書3——拋石法［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，GB50286-2013 堤防工程設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2013.