清河河道護(hù)岸型式比選及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉元鋒

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

1 概況

清河是遼河左岸的較大支流。清河上游有南北兩支，南支為干流，發(fā)源于遼寧清原縣，在業(yè)民鎮(zhèn)大高力屯匯入遼河。清河全長(zhǎng)159 km，流域面積5150 km2，比降1.58‰。工程主要位于下游，為河道護(hù)岸工程。

河道護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)型式主要包括：①干流右岸R0+000—R2+415段在0.5 m處設(shè)固濱籠護(hù)腳，護(hù)坡頂設(shè)寬1.0 m綠濱墊水平壓頂，其下鋪設(shè)砂礫石墊層和反濾土工布。護(hù)腳以下采用軟體柴排上拋石防護(hù)至穩(wěn)定邊坡。②重力式混凝土擋土墻護(hù)岸，頂部寬度0.5 m，迎水側(cè)直立，地基深度1.5 m。墻前設(shè)綠濱墊水平護(hù)腳。③復(fù)式斷面段，戧臺(tái)寬2.5～6.0 m，戧臺(tái)以下坡面按1∶2.5整形后采用綠濱墊防護(hù)，護(hù)坡頂設(shè)寬1.0 m綠濱墊水平壓頂，其下鋪設(shè)砂礫石墊層和反濾土工布。坡腳設(shè)固濱籠護(hù)腳；戧臺(tái)及以上坡面鋪設(shè)蜂巢土工格室后植灌木和撒草籽防護(hù)，灌木株行距為0.5 m。

擋土墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25F200，其素混凝土強(qiáng)度為C15，土工布單位治理面積≥400 g/m2，由堅(jiān)硬的未風(fēng)化的巖石制成，其強(qiáng)度不低于MU30。右岸清河水庫(kù)壩下民橋至小清河匯入口、左岸清河水庫(kù)壩下民橋至開(kāi)原與清河區(qū)交界的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，右岸小清河匯入口至開(kāi)原與清河區(qū)交界的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。清河干流小清河河口以上右岸護(hù)岸工程級(jí)別為2級(jí)，小清河河口以下右岸護(hù)岸工程級(jí)別為4級(jí)；支流小清河兩岸護(hù)岸工程級(jí)別為4級(jí)。

2 河道演變特征

河道演變同“河床演變”。河床受自然因素或人工建筑物的影響而發(fā)生變化[1]。河床演變是水流與河床相互作用的結(jié)果。水流作用于河床使河床發(fā)生變化；變化了的河床又反過(guò)來(lái)作用于水流，影響水流的結(jié)構(gòu)，這種相互作用表現(xiàn)為泥沙的沖刷、搬移和堆積，從而導(dǎo)致河床形態(tài)的不斷變化[2]。

清河兩岸多為礫石土和沙土，河道屬于寬淺河道，河床由中細(xì)砂組成，抗沖刷能力較差[3，4]。清河在多年的運(yùn)行過(guò)程中，由于支流的集中匯入、河床地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋以及人為采砂破壞河道等原因，造成此段清河主槽擺動(dòng)較大。同時(shí)，河岸抗沖刷能力差、側(cè)蝕強(qiáng)烈等原因致使河岸不穩(wěn)定，河道彎道處沖刷嚴(yán)重，局部形成明顯的凹岸。下游采砂嚴(yán)重，導(dǎo)致河道擺動(dòng)較大、河槽較深，當(dāng)汛期洪水較大時(shí)，造成岸坡陡立，威脅到堤防及岸后城區(qū)的安全，需做護(hù)岸工程來(lái)防止主流淘蝕灘地，以達(dá)到穩(wěn)灘固堤的目的。

從整體上看，清河河道變化集中在主河道處，河床大部分為中細(xì)砂，抗沖刷能力較差，凹岸沖刷較嚴(yán)重，危及岸后的耕地[5]。護(hù)岸工程需要對(duì)清河左岸主城區(qū)段淺灘采取固岸措施，以保護(hù)沿岸的堤防以及部分耕地，另外結(jié)合城市規(guī)劃，為沿岸居民打造親水環(huán)境。

3 整治線布置

3.1 布置原則

（1）河流兩岸均應(yīng)兼顧，上游或下游應(yīng)按照河流的自然流向進(jìn)行布置，不宜改變其自然流向。

（2）河道整治線走向應(yīng)與河道上下游走向相結(jié)合，使其盡可能貼近洪水主流方向[6]，同時(shí)考慮中、低水流方向，盡可能縮小交匯角，以減少洪水期間河道的沖淤。（3）整治線的起止點(diǎn)應(yīng)高于設(shè)計(jì)洪水、河床穩(wěn)定、河堤相對(duì)堅(jiān)固或與人工建筑物相連的地方[6]。

3.2 整治線設(shè)計(jì)

按照清河區(qū)城市規(guī)劃及整治線布設(shè)原則，為確保防洪堤的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)護(hù)岸起始點(diǎn)為擬建2#橡膠壩下240 m處，終點(diǎn)與灰渣段已有護(hù)岸銜接，全長(zhǎng)747 m。為使兩岸防護(hù)高度一致，治理段岸頂高程與右岸在建岸頂高程一致。

4 護(hù)岸型式選擇

為了避免河勢(shì)變化及河道主流左右擺動(dòng)，建議修建有利于河勢(shì)發(fā)展的護(hù)岸型式，同時(shí)根據(jù)河流沖刷形式和流域內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)，從美觀性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性兩方面對(duì)護(hù)岸型式進(jìn)行了比選[7]。

4.1 常用護(hù)岸型式

4.1.1 干砌石

干砌石護(hù)岸的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單方便，對(duì)地基邊坡不均勻沉降和塌陷具有很強(qiáng)的適應(yīng)性[8]，但存在施工標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制較難等缺點(diǎn)。

4.1.2 漿砌石

雖然漿砌石抗侵蝕能力強(qiáng)，岸坡穩(wěn)定美觀，但由于其生態(tài)性能較差，對(duì)于生態(tài)河道及建設(shè)極為不利。

4.1.3 土工模袋混凝土面板

土工模袋混凝土面板是混凝土澆筑在模袋中經(jīng)凝固后形成的剛性面板護(hù)岸[9]，具有抗沖刷能力強(qiáng)、成本相對(duì)低的優(yōu)勢(shì)。其無(wú)需模板，機(jī)械化程度較高，適用于各種地形的鋪裝，無(wú)需鋪設(shè)反濾層，但不能滿足河川美景和生態(tài)環(huán)境的要求。

4.1.4 生態(tài)格網(wǎng)石籠

生態(tài)格網(wǎng)石籠[10]有較強(qiáng)的抗沖刷性能，可以有效地發(fā)揮保護(hù)作用，對(duì)河流生態(tài)基本沒(méi)有影響。生態(tài)格網(wǎng)石籠造價(jià)低，施工方便，耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，但對(duì)變形要求較高的承重結(jié)構(gòu)和防滲要求較高的結(jié)構(gòu)均不適用[11]。

4.1.5 混凝土擋土墻

混凝土擋土墻屬于硬質(zhì)護(hù)岸型式，穩(wěn)定性能較好，抗沖擊能力較強(qiáng)，外形美觀大方，可有效利用河道寬度[12]，但建設(shè)投資和后續(xù)維護(hù)成本較高，在很大程度上受到基礎(chǔ)的影響。

4.2 方案確定

工程建設(shè)需滿足城市規(guī)劃要求。現(xiàn)狀河岸沖刷陡立，結(jié)合現(xiàn)有岸坎情況以及已建護(hù)岸型式，左岸主城區(qū)護(hù)岸采用與右岸在建楊木林子段護(hù)岸型式一致的混凝土擋土墻護(hù)岸型式?；炷翐跬翂儆谟残宰o(hù)岸型式，施工簡(jiǎn)單，使用壽命較長(zhǎng)。

2#橡膠壩壩頂高程90.2 m，設(shè)計(jì)岸頂高程90.75 m。由于P=2%設(shè)計(jì)水位高于現(xiàn)狀岸坎高程，本次設(shè)計(jì)擋土墻頂高程與右岸楊木林子段擋土墻頂高程一致，末端與灰渣堆段已有護(hù)岸順接。2#橡膠壩以上段護(hù)岸岸頂高程按照河底平均比降0.7‰向上推求。2#橡膠壩以下段護(hù)岸岸頂高程按照P=2%設(shè)計(jì)水位比降向下推求。結(jié)合邊坡現(xiàn)狀，地面以上擋土墻高3.2 m，基礎(chǔ)埋深1.9 m。擋土墻內(nèi)設(shè)置PVC100 mm排水孔，孔距2 m，上下排交錯(cuò)布置，排水孔入口處填筑適量的碎石或卵石反濾料，以防止孔道淤塞。擋土墻每隔15 m設(shè)置寬20 mm的伸縮縫，內(nèi)填油浸瀝青板。在擋土墻下層鋪設(shè)厚10 cm的C15素混凝土墊層。墻前鋪設(shè)厚400 mm綠濱墊水平護(hù)腳，其下鋪設(shè)厚100 mm碎石墊層和15 kN/m無(wú)紡布，護(hù)腳長(zhǎng)5 m。擋土墻頂部設(shè)置防護(hù)欄桿。

5 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 護(hù)岸寬度及高程確定

護(hù)岸寬度根據(jù)材料特性而定，混凝土擋土墻頂寬度為0.5 m。護(hù)岸頂高程按照現(xiàn)狀灘頂高程結(jié)合上下游及對(duì)岸在建工程綜合考慮。

5.2 護(hù)腳寬度確定

根據(jù)水文站提供的各斷面平均流速，路堤設(shè)計(jì)規(guī)范中河道局部沖刷深度及相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：h s為局部沖刷深度（m）；H0為沖刷水深（m）；U cp為近岸垂線流速（m/s）；n為岸坡形狀，取n=1/4～1/6；η為流速不均勻系數(shù)；U c為泥沙起動(dòng)流速（m/s）；U為行進(jìn)水流流速（m/s）；γs、γ分別為泥沙與水的容重（kN/m3），取19、9.8 kN/m3；d50為床沙中值粒徑（m）。河道局部沖刷深度及相關(guān)參數(shù)計(jì)算成果，詳見(jiàn)表1—3。

表1 泥沙啟動(dòng)流速計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算的沖刷深度，結(jié)合已建工程施工經(jīng)驗(yàn)，按護(hù)腳長(zhǎng)度為3倍的沖刷深度要求，確定主城區(qū)段護(hù)腳鋪設(shè)長(zhǎng)度均采用5 m。固濱籠護(hù)腳在施工期低于洪水位時(shí)，遭受水蝕和冰擠壓最為嚴(yán)重，整個(gè)護(hù)岸的破壞往往是從護(hù)腳開(kāi)始的，所以護(hù)腳需要經(jīng)受住水流的侵蝕，防止沖刷，適應(yīng)河床變形，為此護(hù)腳的厚度應(yīng)適當(dāng)增大。參考本地區(qū)河流管理經(jīng)驗(yàn)，水平面防護(hù)綠色護(hù)岸綠濱墊厚度為0.4 m。

表2 近岸垂線流速計(jì)算成果

表3 局部沖刷深度計(jì)算成果

5.3 護(hù)岸結(jié)構(gòu)

網(wǎng)孔尺寸為8 cm×10 cm，填充材料的中值粒徑應(yīng)在12～16 cm，非外表面填充材料的15%應(yīng)在此范圍之外，填充結(jié)構(gòu)的空隙率應(yīng)小于30%，擋塊強(qiáng)度不低于MU30，生態(tài)格網(wǎng)下部鋪設(shè)≥10 cm厚碎石墊層和15 kN/m無(wú)紡布。

6 結(jié)語(yǔ)

清河河道護(hù)岸型式的選擇及設(shè)計(jì)確保了清河兩岸農(nóng)田作物不再受到洪水的侵襲，有效地緩解了清河的防洪壓力，進(jìn)一步促進(jìn)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)清河沿岸的農(nóng)田水利建設(shè)起到非常重要的作用。