三峽工程對(duì)長(zhǎng)江中下游湖南段影響處理的護(hù)岸加固設(shè)計(jì)

楊 勇

（遼寧省丹東市水務(wù)服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000）

1 引言

三峽工程建成后提高了長(zhǎng)江中下游防洪能力，有效保護(hù)了中下游防洪保護(hù)區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，增加枯水期流量，總體改善中下游航運(yùn)條件。然而，三峽工程蓄水以后也明顯改變了長(zhǎng)江中下游河道的水沙條件，水庫(kù)清水下泄致使河道沖刷[1]，對(duì)中游局部河段的河勢(shì)調(diào)整、岸坡穩(wěn)定、部分城鎮(zhèn)居民飲水和農(nóng)業(yè)灌溉、河段航運(yùn)以及中下游的生態(tài)環(huán)境等也會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響。為此，國(guó)務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會(huì)辦公室組織有關(guān)部門編制“三峽工程后續(xù)工作規(guī)劃”[1]，重點(diǎn)對(duì)三峽工程蓄水運(yùn)用后壩下游水流對(duì)河床沖刷而導(dǎo)致局部河段河道演變規(guī)律，以及河道演變的強(qiáng)度和速度發(fā)生變化進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的治理措施。

2 長(zhǎng)江湖南段存在的主要問(wèn)題

長(zhǎng)江湖南段地處長(zhǎng)江中游，沿江區(qū)域?yàn)樵狸?yáng)市，是洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分，土地肥沃，物產(chǎn)豐富，人口稠密，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，是湖南省的精華地區(qū)，也是我國(guó)重要的糧棉油生產(chǎn)基地。岳陽(yáng)長(zhǎng)江大堤直接保護(hù)岳陽(yáng)地區(qū)的防洪安全，岳陽(yáng)長(zhǎng)江干堤上起岳陽(yáng)市華容縣塔市驛五馬口，下至黃蓋湖農(nóng)場(chǎng)鐵山咀，全長(zhǎng)142.05 km，直接保護(hù)著岳陽(yáng)市中心城區(qū)和華容、君山、建新、樓區(qū)、云溪、臨湘6 個(gè)縣(市、區(qū))所屬沿江堤垸。長(zhǎng)江湖南護(hù)岸河段，三峽工程建成至今，總體河勢(shì)和河型目前雖然得到控制，但在不同來(lái)水來(lái)沙條件和特定的河道邊界條件下，部分河段河勢(shì)調(diào)整變化仍比較劇烈，致使部分地段的護(hù)岸工程失效損毀，進(jìn)而產(chǎn)生新的崩岸。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[2]，2003 年以來(lái)，岳陽(yáng)河段崩岸長(zhǎng)度也較三峽蓄水運(yùn)用前明顯增加。據(jù)岳陽(yáng)修防處提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2003 年～2009 年，岳陽(yáng)河段年均發(fā)生崩岸長(zhǎng)度約25 km，最大崩寬為17 m。1998 年～2012 年，下荊江河段發(fā)生了約132 處的岸灘崩退險(xiǎn)情，合計(jì)長(zhǎng)度約47 km，2008 年11 月的新沙洲崩岸及調(diào)弦關(guān)護(hù)岸損毀，其中北門口、北碾子灣等段年際間頻繁發(fā)生崩岸險(xiǎn)情。下荊江河段局部河勢(shì)的惡化表現(xiàn)在石首河彎河勢(shì)的劇烈調(diào)整，北門口的崩岸一方面危及石首市的防洪安全，另一方面造成下游河勢(shì)的連鎖反應(yīng)，北碾子灣、寡婦夾等處不斷出現(xiàn)崩岸險(xiǎn)情。下荊江中洲子下段，近期岸線崩退較為嚴(yán)重，原有護(hù)岸范圍較短、較薄弱，若不能及時(shí)進(jìn)行控制，將對(duì)上下游河勢(shì)造成極不利影響：改變水流頂沖點(diǎn)及范圍，產(chǎn)生新的崩岸，引起大的河勢(shì)變化。

3 河床演變沖刷處理的護(hù)岸加固設(shè)計(jì)

根據(jù)三峽工程蓄水后下游河道的實(shí)際演變現(xiàn)狀，并綜合考慮三峽工程運(yùn)用后，該河段還有可能出現(xiàn)的不良趨勢(shì)，進(jìn)行防護(hù)河段（二期）整治工程的處理措施主要有護(hù)坡工程、護(hù)腳工程、枯水位下陡坡處還坡處理等護(hù)岸加固措施[3]。

3.1 護(hù)坡工程

根據(jù)長(zhǎng)江兩岸歷年來(lái)已實(shí)施的護(hù)坡工程來(lái)看，比較常用的結(jié)構(gòu)型式主要有干砌塊石、漿砌塊石、預(yù)制砼六角塊、現(xiàn)澆砼塊、雷諾、生態(tài)砼磚等護(hù)坡型式，綜合比較后選擇干砌塊石、預(yù)制砼六角塊和聯(lián)鎖植草磚護(hù)坡三種護(hù)坡形式，根據(jù)各河段的實(shí)際情況進(jìn)行護(hù)岸治理[4]。

3.1.1 初擬各種護(hù)坡形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）干砌石護(hù)坡

考慮開(kāi)采毛石時(shí)的厚度不一的實(shí)際情況，為了施工簡(jiǎn)便，本工程初擬塊石厚度均取0.45 m～0.35 m。護(hù)坡基面鋪設(shè)一層砂石墊層，厚度0.15 m。因干砌石塊與塊之間存在縫隙，水流容易將其中泥土、砂石帶出，影響塊石的穩(wěn)定，故本次在塊石底和砂石墊層之間加設(shè)一道聚酯無(wú)紡布（250 g/m2）。因長(zhǎng)江河岸岸坡坡面較長(zhǎng)，故應(yīng)考慮分段實(shí)施，在坡長(zhǎng)中部加設(shè)1 道砼基座，基座尺寸初擬0.6 m×0.8 m，枯水平臺(tái)處腳槽尺寸初擬為1.0 m×1.2 m，護(hù)肩仍采用干砌石，寬度0.8 m，厚度與護(hù)坡厚度相同。該種護(hù)坡型式運(yùn)用于當(dāng)?shù)厥铣湓?、開(kāi)采運(yùn)輸方便、外灘較寬、風(fēng)浪較大、容易塌方的岸線。干砌石護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 干砌石護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)圖

（2）預(yù)制砼C20 六角塊

結(jié)合目前已建工程中混凝土預(yù)制板的實(shí)際厚度情況，該處預(yù)制砼C20 六角塊厚度取0.12 m；預(yù)制砼基底設(shè)置土工格柵格室裝砂石墊層，厚度0.10 m；護(hù)肩砼強(qiáng)度等級(jí)為C20，寬度0.5 m，厚度0.3 m。預(yù)制砼坡面設(shè)置PVC 排水管，排水管直徑φ50，管后端部包裹土工布（250 g/m2），排水管出口稍傾向水平面以下，以便水流排出；護(hù)坡面每隔80 m 寬度設(shè)置1 道坡面排水溝，溝渠尺寸0.4 m×0.3 m。預(yù)制砼C20 六角塊護(hù)坡見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)制砼C20 六角塊護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)圖

（3）聯(lián)鎖植草砼磚護(hù)坡

該種護(hù)坡砌護(hù)容易，且磚中孔洞種植的植物生長(zhǎng)根系可直接深入河岸土體中，穩(wěn)固性較好，平衡生態(tài)環(huán)境，但造價(jià)相對(duì)也較高。本次選用護(hù)坡型號(hào)為500×300×150，即每塊磚長(zhǎng)0.5 m，寬0.3 m，厚0.15 m，磚與磚之間扣縫布置，磚中間預(yù)留孔洞回填營(yíng)養(yǎng)土和植草，護(hù)坡底面設(shè)置營(yíng)養(yǎng)無(wú)紡布（250 g/m2）一層，其下設(shè)0.12 m 厚砂石墊層平整坡面。為減小大面積磚塊的沉降變形，在沿護(hù)坡岸線長(zhǎng)度方向每20 m 設(shè)置1 條C20 砼小隔墻，隔墻寬0.3 m，深0.25 m，長(zhǎng)度順坡而下至常水位+1.0 m 基座處。

長(zhǎng)江河岸岸灘多為含沙性高的土層，地下水位較高，滲水量較大，為避免坡面流土或被頂托變形，本次設(shè)計(jì)在砼予制塊護(hù)坡底層設(shè)置Y 型導(dǎo)濾溝，導(dǎo)濾溝截面尺寸為50 cm×50 cm，采用土工布（250 g/m2）鋪底，再以級(jí)配砂卵石填滿，溝間距10 m。沿護(hù)岸坡面每隔80 m 設(shè)置一條排水溝，截面尺寸為40 cm×30 cm，矩形斷面，以C20 砼砌筑，護(hù)砌厚度0.2 m，與灘頂縱向排水溝連通，排至枯水平臺(tái)處。聯(lián)鎖植草砼磚護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 聯(lián)鎖植草砼磚護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)圖

3.1.2 初擬護(hù)坡型式投資比選

以1∶3 的坡比為例，護(hù)坡高程均從岸灘頂護(hù)至設(shè)計(jì)枯水位以上1.0 m，不管護(hù)坡型式如何，坡長(zhǎng)基本一致，故本次列舉各護(hù)坡型式投資均按每延米寬、長(zhǎng)計(jì)算。各護(hù)坡型式每延米寬、長(zhǎng)投資匯總表見(jiàn)表1。

表1 各護(hù)坡型式每延米寬、長(zhǎng)投資匯總表

從表1 可以看，單寬每延米計(jì)算時(shí)，干砌石護(hù)坡投資最省，聯(lián)鎖植草磚投資最高。從施工條件看，砼預(yù)制塊護(hù)坡便于人工搬運(yùn)，自重相對(duì)較小，抗擊風(fēng)浪能力稍弱，但坡面整齊密實(shí)，被淘刷的可能性小，施工方便；干砌塊石因其自重大抗沖刷能力較強(qiáng)，對(duì)岸坡穩(wěn)定性較好，且材料為當(dāng)?shù)亓?，運(yùn)輸方便，在投資上稍占優(yōu)勢(shì)，而且塊石與塊石之間的空隙便于草類生長(zhǎng)，對(duì)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境有利，只是在草類還未長(zhǎng)好前，波浪淘刷容易將空隙中土料帶出，這就要求塊石需有一定厚度，在其下鋪設(shè)一層土工反濾布，消減風(fēng)浪淘蝕；聯(lián)鎖植草磚護(hù)坡單價(jià)稍高，但其適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，植物根系可進(jìn)入岸坡土體中，實(shí)現(xiàn)水體與坡下土體間的自然對(duì)流交換功能，既能達(dá)到生態(tài)平衡，又能消減一定的浪壓力，維護(hù)岸坡穩(wěn)定?？障吨械闹参锷L(zhǎng)類型還可根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行選擇。按照生態(tài)文明建設(shè)的要求，本階段對(duì)上述3 種護(hù)坡型式根據(jù)各樁號(hào)段所處位置而進(jìn)行推薦采用。

3.2 護(hù)腳工程

3.2.1 三種護(hù)腳形式的特點(diǎn)

長(zhǎng)江護(hù)岸工程型式目前使用的主要有：拋石、土工布?jí)狠d軟體排、鋼絲網(wǎng)（石）籠等[5]。由于以上各種護(hù)腳型式在適用范圍、防護(hù)對(duì)象、施工工藝和工程造價(jià)等方面均存在優(yōu)缺點(diǎn)，故需綜合考慮水流邊界條件，岸坡地層受水流沖刷的強(qiáng)弱以及當(dāng)?shù)刈o(hù)腳型式實(shí)施的可能性，對(duì)各岸線護(hù)岸段有針對(duì)性的選擇適用而經(jīng)濟(jì)合理的防護(hù)方案。三種護(hù)腳形式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 三種護(hù)腳形式的優(yōu)缺點(diǎn)

拋石護(hù)岸工程能很好地適應(yīng)河床變形，只要設(shè)計(jì)合理、拋投準(zhǔn)確，護(hù)岸效果均較好，所以適用范圍廣，施工方便。土工布?jí)狠d軟體排系通過(guò)聚丙烯編織布上的縱橫系結(jié)環(huán)將預(yù)制混凝土塊連接固定組合成排的護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)形式，該種護(hù)岸型式主要是針對(duì)河床地層為粉細(xì)砂層或含沙量比較高、抗沖能力弱的新護(hù)岸段，墊層土工布有反濾功能，能有效的防止混凝土塊下的河床泥沙被淘刷而影響護(hù)砌體的穩(wěn)定與護(hù)岸效果。鋼絲網(wǎng)石籠是選用高強(qiáng)鋼絲，采用防腐處理后編織而成，裝成1 m 寬、1 m 長(zhǎng)、高0.8 m 的籠子，鋼絲網(wǎng)籠裝填塊石后可直接吊裝拋投，塊石與塊石之間可以調(diào)整并貼近床面。該方案后期維修費(fèi)用少，可減少工程維修經(jīng)費(fèi)，施工簡(jiǎn)便，計(jì)量簡(jiǎn)單，是一種較好的守護(hù)方式。

3.2.2 護(hù)腳型式比選

擬推薦采用的該三種材料結(jié)構(gòu)型式，特性見(jiàn)表3。從護(hù)腳材料特點(diǎn)看，拋石、土工布?jí)狠d軟體排+拋石、鋼絲網(wǎng)石籠等三種護(hù)腳型式可以達(dá)到人工石和塊石采量的平衡性，降低對(duì)環(huán)境的破壞，根據(jù)各護(hù)腳方式的特點(diǎn)，在水流條件和地質(zhì)條件不同情況下配備不同的護(hù)腳方式。

表3 各種護(hù)腳材料型式的技術(shù)特性表

3.2.3 護(hù)腳型式投資比較

以新護(hù)厚度1.0 m（大于2 倍最大拋石粒徑）、抗擊同等水流流速為例，護(hù)腳高程均從設(shè)計(jì)枯水位以上1.0 m 護(hù)至坡腳河床橫向坡比1∶3～1∶4 處，一般護(hù)至坡腳平緩段后20 m 左右寬度處，對(duì)于枯水位下的岸坡(河床)坡比陡于1∶1.5 的，則先采用拋石將其坡比護(hù)至1∶2.0 后，再進(jìn)行所選用護(hù)腳型式進(jìn)行護(hù)砌，不管護(hù)腳型式如何，護(hù)腳范圍均基本一致，本次列舉各護(hù)腳型式投資均按每延米寬、長(zhǎng)計(jì)算（本次投資不計(jì)入陡坡處拋石還坡成1∶2.0 的量）。

參考已建長(zhǎng)江護(hù)岸中計(jì)算拋石粒徑采用的水流流速，同樣取3.0 m/s，估算最大拋投粒徑0.354 m，按2～3 倍左右粒徑拋投，三種拋投型式比選的基本尺寸如下：

拋石護(hù)腳：考慮塊石間縫隙，僅拋投塊石初擬厚度1.0 m；

土工布?jí)狠d軟體排+拋石：土工布?jí)狠d軟體排一層，砼預(yù)制塊厚度0.08 m，采用聚丙烯編織布條綁住，上部壓載初擬0.8 m～1.0 m 厚度的拋石；

鋼絲網(wǎng)石籠：鋼絲網(wǎng)石籠具有一定的柔軟性，若采用在坡面較陡處容易出現(xiàn)上薄下厚的局面，由于該型式為裝袋結(jié)構(gòu)，可根據(jù)岸坡水流情況擬定其結(jié)構(gòu)尺寸大小，故本次僅將此護(hù)腳型式布置在坡腳部位，作為坡腳壓載所用，加強(qiáng)坡腳的整體性。單位長(zhǎng)寬各護(hù)腳方案投資對(duì)比表見(jiàn)表4。

表4 單位長(zhǎng)寬各護(hù)腳方案投資對(duì)比表

圖4 護(hù)腳大樣設(shè)計(jì)圖

從表4 看，單位長(zhǎng)、寬護(hù)砌的投資屬鐵絲網(wǎng)石籠護(hù)腳型式最貴，拋石最便宜，各護(hù)腳型式適用河道水流條件及河床地質(zhì)情況不同而被選用。

3.3 枯水位下陡坡處還坡設(shè)計(jì)

本工程區(qū)內(nèi)岸坡在枯水位以下均有塌岸現(xiàn)象，局部區(qū)域較為嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料可知，塌岸高度深度7 m～18 m 不等，塌岸坡度陡于1∶2.0，形成不穩(wěn)定坡比。為防止岸坡繼續(xù)垮塌，需對(duì)不穩(wěn)定岸坡進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

枯水位以下岸坡防護(hù)設(shè)計(jì)一般采用填坡或削坡處理，填坡設(shè)計(jì)可采用水下拋石型式或填土碾壓密實(shí)型式。水下拋石護(hù)岸為直接投拋塊石進(jìn)行岸坡保護(hù)，防止水流繼續(xù)淘岸?？菟幌峦疗绿钪蛳髌绿幚碓O(shè)計(jì)則需在長(zhǎng)江河道靠岸處修建土石圍堰，長(zhǎng)江岸邊深泓距灘頂高度最高達(dá)40 m 左右，距枯水位高度20 m 左右，而垮岸塌岸險(xiǎn)情不是沿線均布，各工程區(qū)分布較散，故修筑圍堰進(jìn)行枯水位下岸坡削坡或填筑土坡均較為繁瑣，對(duì)長(zhǎng)江過(guò)流影響較大，不確定的水汛信息給安全施工帶來(lái)一定難度，相應(yīng)投資亦會(huì)增加較大。

故本次仍選用常規(guī)的拋石還坡型式對(duì)水下陡坡處進(jìn)行邊坡穩(wěn)定維護(hù)。

3.4 裹頭設(shè)計(jì)

受河勢(shì)沖刷調(diào)整的影響，護(hù)岸工程所在地段的主流線平面位置年內(nèi)變動(dòng)范圍可能會(huì)發(fā)生變化，彎道頂沖點(diǎn)或過(guò)渡段主流靠岸貼流點(diǎn)可能會(huì)上下游浮動(dòng)變化，而已經(jīng)護(hù)岸的工程段往往會(huì)抑制河勢(shì)的變化，若護(hù)岸工程兩端是自然岸坡，其抗沖刷能力遠(yuǎn)弱于護(hù)岸工程段，成為一個(gè)弱勢(shì)體，故容易被淘刷、形成崩窩，對(duì)護(hù)岸端部的坡面穩(wěn)定產(chǎn)生不利，因此，在護(hù)岸工程設(shè)計(jì)中，新護(hù)岸工程上下游兩端一般需作裹頭處理。裹頭縱向長(zhǎng)度可根據(jù)崩岸強(qiáng)度來(lái)確定，取15 m 左右；沿橫斷面的守護(hù)范圍可較工程段適當(dāng)縮短，裹頭工程護(hù)腳一般采用散拋塊石，拋石厚度0.6 m 左右，水上護(hù)坡部分上下游末端則采用端部齒槽進(jìn)行鎖口，端部齒槽尺寸0.5 m×0.8 m。裹頭范圍內(nèi)的水上、水下護(hù)坡應(yīng)同時(shí)實(shí)施。

4 結(jié)論及建議

多年來(lái)，長(zhǎng)江湖南段(下荊江河段和岳陽(yáng)河段)雖對(duì)嚴(yán)重崩岸段和重點(diǎn)險(xiǎn)工段實(shí)施了控制，但由于投資的原因，有些項(xiàng)目尚未完成，有些地段守護(hù)工程量相對(duì)較小，在長(zhǎng)期水流的作用下，河勢(shì)仍在調(diào)整，崩岸仍時(shí)有發(fā)生，并已對(duì)兩岸經(jīng)濟(jì)造成了不利影響。本次長(zhǎng)江湖南段進(jìn)行河道護(hù)岸加固措施，盡可能減小三峽工程對(duì)壩下游河道可能帶來(lái)的不利影響[6]，基本保障2020 年長(zhǎng)江干流湖南段河道堤防工程和護(hù)岸工程安全，避免出現(xiàn)重大崩岸險(xiǎn)情和較大的河勢(shì)變化。