蔡 峰

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

粉細(xì)砂質(zhì)河床一般處于流域的中下游河段，多為游蕩性河流，兩岸多為草原、農(nóng)田和人類活動聚居的平原地區(qū)。該類型河流河床的沖淤十分明顯，特別在洪水期間，洪水對河岸的強(qiáng)烈淘刷導(dǎo)致河道發(fā)生改變，在沒有工程措施干預(yù)的情況下河流頻繁劇烈擺動，沖毀沿河草場、農(nóng)田、建筑交通等各項(xiàng)設(shè)施，造成水土流失、環(huán)境破壞和社會經(jīng)濟(jì)損失，對此類河流的治理整治對減少水土流失、維護(hù)流域水土平衡和生態(tài)環(huán)境、保障兩岸社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要意義。

粉細(xì)砂河床所處區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)一般較為松散，河床岸坡易被沖刷，河流兩岸修建堤防護(hù)岸工程是河道整治的重要措施。工程通過護(hù)坡結(jié)構(gòu)保護(hù)堤岸不被河水沖刷，而處于松散地層上的護(hù)坡基礎(chǔ)常常由于坡腳被淘刷而發(fā)生沉降變形破壞，導(dǎo)致堤岸護(hù)坡被沖毀，因此堤防護(hù)岸工程的基礎(chǔ)沖刷與防護(hù)是工程成敗的關(guān)鍵。

新疆南疆塔里木河流域中下游地區(qū)表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)為粉細(xì)砂層，伴有少量中砂和壤土，在此松散河床基礎(chǔ)上修建的某堤防護(hù)岸工程，采用順壩柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)型式。工程實(shí)踐證明，這種結(jié)構(gòu)型式能很好地適應(yīng)岸坡河床的沖刷變形，相比剛性防護(hù)具有更高的穩(wěn)定性。筆者以該堤防護(hù)岸工程為例，介紹一種粉細(xì)砂河床基礎(chǔ)上的格賓石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，并對該防沖結(jié)構(gòu)的沖刷機(jī)理和護(hù)腳排體結(jié)構(gòu)寬度的選取進(jìn)行分析探討。

1 工程概況

阿克蘇河是塔河的主要支流之一，全長132 km，從起點(diǎn)計(jì)27 km 以下中下游河段為砂質(zhì)河床，床砂粒徑較細(xì)，汛期河床沖淤變化十分劇烈，主流擺動頻繁，河岸很不穩(wěn)定，屬于典型的游蕩性河流。

某堤防護(hù)岸工程位于阿克蘇河下游段，兩岸為大片農(nóng)場耕地，該段河床以粉細(xì)砂為主，岸坎少量黏性土互層，抗沖能力弱，汛期主流頂沖河岸時，河岸下層細(xì)砂被沖刷后便導(dǎo)致河岸崩塌。該工程實(shí)施前，河段內(nèi)一些防御標(biāo)準(zhǔn)較低的臨時防護(hù)設(shè)施如拋石護(hù)岸、丁壩、榪槎梢石等基本已被沖毀，險工段點(diǎn)多面廣，給兩岸帶來較大的防洪壓力。

該堤防護(hù)岸工程修建在一險工凹岸段上，長2 km，采用格賓石籠護(hù)坡護(hù)腳，其防護(hù)效果明顯優(yōu)于該河流其他型式的護(hù)岸工程。該工程建成以來，經(jīng)過多年運(yùn)行和數(shù)個洪水期后堤身結(jié)構(gòu)完整，護(hù)坡未出現(xiàn)沖刷破壞現(xiàn)象，坡腳護(hù)腳也未出現(xiàn)淘刷破壞，其結(jié)構(gòu)型式非常適合粉細(xì)砂河床地質(zhì)條件且抗沖性能良好。該堤防工程很好地穩(wěn)固了河岸，保護(hù)了兩岸的農(nóng)田和交通基礎(chǔ)設(shè)施。

在工程投資方面，該護(hù)岸工程主要建筑材料如塊石、格賓籠、無紡布等均由距離較遠(yuǎn)的石料場和外地的廠家購買，工程材料及建設(shè)成本比較高，平均每千米投資上千萬元。由于投資有限，加之工程建設(shè)成本太高，該流域許多需要防護(hù)的類似河段不能上馬修建這種安全穩(wěn)固的護(hù)岸工程項(xiàng)目。因此，優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)，在做到安全可靠的同時，合理提高工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，對推進(jìn)流域治理和河道整治項(xiàng)目有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 堤防斷面結(jié)構(gòu)

該堤防護(hù)岸工程堤身、岸坡、河床主要為當(dāng)?shù)胤奂?xì)沙地層材料，夾少量中砂、壤土，地下水位較高。剛性護(hù)坡在粉細(xì)砂岸坡基礎(chǔ)上易產(chǎn)生沉降變形，護(hù)坡基礎(chǔ)在坡腳粉細(xì)砂被淘刷后也容易發(fā)生下沉。因此，針對粉細(xì)沙地層的巖土特性和河床岸坡的沖刷特點(diǎn)，通過論證比選，確定選用格賓石籠結(jié)構(gòu)的柔性護(hù)坡和排體護(hù)腳的防護(hù)型式。

工程主要結(jié)構(gòu)方案如下：迎水面邊坡采用60 cm厚格賓石籠護(hù)坡；坡腳采用2層40 cm厚格賓石籠排體護(hù)腳，下層寬14 m、上層寬8 m，基面較河床開挖清除1 m 左右，隨河床地形，坡比約為水平至1/15 左右；護(hù)坡及護(hù)腳格賓石籠下鋪設(shè)無紡布，對護(hù)坡及護(hù)腳以下粉細(xì)砂基礎(chǔ)起反濾保護(hù)作用，某護(hù)岸工程斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某護(hù)岸工程斷面結(jié)構(gòu)

2.2 護(hù)腳結(jié)構(gòu)選擇

護(hù)岸工程的坡腳基礎(chǔ)被河水淘刷造成護(hù)坡失穩(wěn)變形，是護(hù)岸工程沖毀失效最普遍的原因。為保證護(hù)坡不因基礎(chǔ)淘刷而破壞，需對坡腳基礎(chǔ)進(jìn)行防沖保護(hù)措施。

護(hù)岸工程坡腳防沖型式大致有深基礎(chǔ)、丁壩、拋石護(hù)腳、排體護(hù)腳等。一般在承載力較高的密實(shí)地層上可采用深基礎(chǔ)，如圖2所示，即將剛性護(hù)坡基礎(chǔ)齒墻坐落在坡腳河床最大沖刷深度以下，來保證護(hù)坡基礎(chǔ)不被淘刷。但在粉細(xì)砂等松散河床基礎(chǔ)上則不宜采用深基礎(chǔ)護(hù)腳型式，不僅容易變形破壞，且開挖量大，在地下水位較高時施工過程中還會大量出水并出現(xiàn)流沙現(xiàn)象，施工極為困難。而采用排體護(hù)腳型式不僅排體施工方便，且適應(yīng)變形能力強(qiáng)，可以有效保護(hù)坡腳不被淘刷，保證護(hù)坡基礎(chǔ)安全。

圖2 剛性護(hù)坡深基礎(chǔ)示意

該護(hù)岸工程采用格賓石籠防護(hù)結(jié)構(gòu)型式，具有很好的防沖性能和適應(yīng)變形能力，其中護(hù)腳的排體結(jié)構(gòu)滿足粉細(xì)砂河床基礎(chǔ)在防止坡腳淘刷、適應(yīng)變形、施工方便、穩(wěn)定可靠性等多方面的技術(shù)要求，是非常合理的坡腳防護(hù)方案。

2.3 沖刷深度計(jì)算與護(hù)腳寬度

2.3.1 沖刷深度計(jì)算

坡腳基礎(chǔ)的淘刷是護(hù)岸工程的薄弱環(huán)節(jié)，坡腳防護(hù)是岸坡穩(wěn)定的關(guān)鍵，護(hù)腳排體的寬度直接影響坡腳的穩(wěn)固，同時也對工程投資影響較大。根據(jù)該護(hù)岸工程設(shè)計(jì)報(bào)告，該工程護(hù)腳寬度以坡腳沖刷深度為依據(jù)，最大沖刷深度分別按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286－2013）和《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50707-2011）中的2種沖刷深度公式進(jìn)行計(jì)算。

（1）《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286－2013）沖刷深度計(jì)算公式。該工程為順壩布置形式，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286－2013）推薦的順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式D.2.2-1、D.2.2-2計(jì)算：

式中：hS為局部沖刷深度（m）；H0為沖刷處的水深（m），取3 m；UC為泥沙啟動流速（m/s），取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值0.5 m/s；UCP為近岸垂線平均流速（m/s）；U為行進(jìn)流速（m/s），取實(shí)測最大流速3.42 m/s；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡的夾角α查規(guī)范D.2.2表得到。計(jì)算結(jié)果，詳見表1。

表1 堤防規(guī)范推薦公式?jīng)_刷深度計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)水流流向與岸坡夾角介于0°～90°時，對應(yīng)的沖刷深度為1.85～2.37 m。

（2）《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50707-2011）沖刷深度計(jì)算公式。主流存在斜沖岸坎情況下，采用《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50707-2011）中水流斜沖岸坎沖刷深度計(jì)算公式B.2.2計(jì)算：

式中：ΔHp為從河底算起的局部沖刷深度（m）；α為水流流向與岸坡夾角（°）；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)，取2.5；d為坡腳河床砂計(jì)算粒徑（mm），取0.4 mm；vj為水流的局部沖刷流速（m/s），取實(shí)測最大流速3.42 m/s。計(jì)算結(jié)果，詳見表2。

表2 河道整治規(guī)范公式?jīng)_刷深度計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)水流流向與岸坡夾角介于30°～90°時，沖刷深度為2.69～10.05 m。

以上2 種沖刷深度公式計(jì)算的沖刷深度值相差較大，其中《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式的計(jì)算值大部分較《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式的計(jì)算值小，只有當(dāng)水流流向與岸坡夾角在15°～30°時，2 個公式計(jì)算值才較為接近。據(jù)調(diào)查，距離該河段不遠(yuǎn)的跨河大橋處，洪水頂沖橋墩產(chǎn)生的實(shí)測最大沖刷深度達(dá)10.2 m，與《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式的最大計(jì)算值相近。

2.3.2 護(hù)腳寬度確定

該報(bào)告結(jié)合沖刷深度計(jì)算值和調(diào)查結(jié)果，參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，選取坡腳的最大設(shè)計(jì)沖刷深度，取HP=7 m，并以此作為護(hù)腳排體寬度的依據(jù)，護(hù)腳寬度按2倍沖刷深度設(shè)計(jì)，取14 m。

以上關(guān)于該護(hù)岸工程沖刷深度的計(jì)算選取和護(hù)腳排體結(jié)構(gòu)寬度的設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為需要進(jìn)一步地分析和探討。

3 坡腳防沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題

3.1 岸腳沖刷與排體防沖機(jī)理分析

河岸沖刷主要發(fā)生在岸坡的中下部和岸腳，水流在受到岸坡或障礙物影響時，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動。河道淘刷機(jī)理研究成果表明，從岸腳外側(cè)0.2 倍水深寬度范圍內(nèi)流速特征與遠(yuǎn)岸點(diǎn)有明顯不同，流速脈動值明顯大于遠(yuǎn)岸點(diǎn)，岸腳附近的流速及其脈動值都直接影響岸坡岸腳的淘刷。相關(guān)試驗(yàn)顯示，流速脈動最大變幅為主流流速的1.9 倍，脈動流速方向不僅是順?biāo)鞣较颍怪狈较蛞灿忻黠@的脈動，并對岸腳形成淘刷。根據(jù)沖刷機(jī)理，水流在岸坡一定范圍內(nèi)的紊動對岸坡河床產(chǎn)生較強(qiáng)沖刷，修筑護(hù)坡護(hù)腳等防沖設(shè)施可防止水流對岸坡和坡腳的淘刷。

研究表明，順直河道岸邊水流脈動以平行縱向流動為主，對河床淘刷影響范圍有限，護(hù)腳所需范圍較小。而彎道凹岸或頂沖河段，水流在彎道和頂沖岸坡的共同作用下產(chǎn)生螺旋流，強(qiáng)化了對岸坡和河床的淘刷作用。凹岸螺旋流淘刷示意，如圖3所示。

圖3 排體護(hù)腳護(hù)岸工程凹岸沖刷示意

在坡腳床面鋪設(shè)排體護(hù)腳后，螺旋環(huán)流沿護(hù)坡向下達(dá)到排體床面后，水流沿排體頂面向斜前方水平流動，排體寬度愈寬，水流沿排體頂面的流動距離愈長，能量損失就愈大，防護(hù)作用就愈大。排體末端外緣處，水流水平流向天然河床，若河床床面與排體之間存在間隙，這里由水平流引起的次生平軸漩渦將有可能淘刷排體外緣床面逐漸形成沖溝，次生平軸漩渦比岸邊螺旋流直接作用于床面的能量要小得多。若形成沖溝，排體外緣隨河床變形下沉內(nèi)收，沖溝護(hù)腳一側(cè)得到保護(hù)，限制了沖刷向岸邊發(fā)展，起到了保護(hù)坡腳安全的作用，從而解決了坡腳淘刷問題。排體護(hù)腳護(hù)岸工程凹岸沖刷示意，如圖4所示。

圖4 排體護(hù)腳護(hù)岸工程凹岸沖刷示意

3.2 護(hù)腳寬度選取及問題

護(hù)腳排體寬度是護(hù)腳及整個護(hù)岸工程的重要技術(shù)參數(shù)，直接影響防護(hù)效果和建設(shè)成本，護(hù)底排體越寬防沖效果越好，但在實(shí)際工程中，排體寬度的增加使得工程投資大幅增加。因此，應(yīng)根據(jù)坡腳的防沖需要確定護(hù)腳的結(jié)構(gòu)尺寸，做到護(hù)岸工程技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

通常而言，深基礎(chǔ)堤防護(hù)岸工程通過計(jì)算坡腳最大沖刷深度來確定深基礎(chǔ)齒墻的深度，基礎(chǔ)齒墻埋深應(yīng)大于最大沖刷深度。而關(guān)于水平排體護(hù)腳的寬度，應(yīng)主要從水流沖刷后排體的穩(wěn)定性方面考慮。

排體護(hù)腳的沖刷與一般護(hù)岸工程坡腳的沖刷位置與沖刷機(jī)理有所不同，一般護(hù)岸工程基礎(chǔ)及深基礎(chǔ)的淘刷發(fā)生在岸坡坡腳處，主要由岸邊脈動流和螺旋流產(chǎn)生對坡腳床面的強(qiáng)烈沖刷形成沖刷坑；而排體護(hù)腳的基礎(chǔ)沖刷發(fā)生在護(hù)腳排體外緣與河床間隙處，岸邊脈動流和螺旋流沿護(hù)坡和排體護(hù)腳到達(dá)排體外緣處，生成次生平軸漩渦對河床形成沖刷，次生平軸漩渦比岸邊的脈動螺旋水流的能量和對河床的沖刷小得多。由此可知，規(guī)范中推薦的護(hù)岸工程沖刷深度計(jì)算公式，對于排體護(hù)腳的河床基礎(chǔ)來說外在邊界條件已不適用，其所計(jì)算的沖刷深度值應(yīng)比實(shí)際情況大很多，這與阿克蘇河下游某護(hù)岸工程的實(shí)際運(yùn)行調(diào)查結(jié)果相一致。

阿克蘇河下游某護(hù)岸工程采用以上規(guī)范中推薦的沖刷深度計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算最大沖刷深度值為2.37 m 和10.05 m，最后綜合以7 m 作為最大沖刷深度來設(shè)計(jì)護(hù)腳排體的寬度。該工程在運(yùn)行多個洪水期后，調(diào)查坡腳和排體外緣河床的沖刷情況為：護(hù)岸工程岸坡坡腳由于格賓石籠的保護(hù)未發(fā)生淘刷變形；護(hù)腳排體外緣處天然河床大部分平順過渡，少部分有輕微的沖刷溝現(xiàn)象，且沖刷深度大部分在0.3 m以內(nèi)，僅彎道末端與主流發(fā)生大角度頂沖段的一處護(hù)腳外緣最大沖刷深度達(dá)1.6 m，范圍在5 m 左右，該處排體外緣石籠下沉內(nèi)收，沖溝內(nèi)側(cè)被下沉石籠保護(hù)而不再發(fā)展。

由本工程運(yùn)行后的實(shí)際沖刷深度可知，該護(hù)岸工程的沖刷深度計(jì)算值偏大，致使護(hù)腳排體的設(shè)計(jì)寬度也偏大。實(shí)踐證明，該工程在結(jié)構(gòu)型式上是安全穩(wěn)定的，但在工程投資成本方面不夠經(jīng)濟(jì)，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化工程的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 護(hù)腳排體參數(shù)應(yīng)用與建議

4.1 沖刷深度選取與應(yīng)用

通過對坡腳的防沖機(jī)理分析可知，排體護(hù)腳覆蓋范圍內(nèi)的河床不會產(chǎn)生淘刷現(xiàn)象，發(fā)生在護(hù)腳排體外緣的河床沖刷溝深度才應(yīng)作為排體設(shè)計(jì)寬度的主要依據(jù)。2 個規(guī)范推薦的護(hù)岸工程沖刷深度計(jì)算公式，適合于坡腳處無覆蓋保護(hù)的深基礎(chǔ)的局部沖刷深度計(jì)算，而對于坡腳床面被護(hù)腳排體覆蓋的護(hù)岸工程來說，上述公式的應(yīng)用條件與排體護(hù)腳工程的沖刷機(jī)理不符。因此，排體護(hù)腳結(jié)構(gòu)的沖刷深度計(jì)算不宜采用2 個規(guī)范推薦的沖刷深度計(jì)算公式，相關(guān)計(jì)算確定方法需要進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。

在工程實(shí)踐中，以規(guī)范推薦的沖刷深度計(jì)算公式計(jì)算的和實(shí)地調(diào)查天然河道頂沖段、順壩坡腳及橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷深度，均比護(hù)腳排體外緣的實(shí)際沖刷深度偏大很多，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)的排體寬度雖能滿足工程安全的需要，但卻超出了必要的護(hù)腳結(jié)構(gòu)寬度，大幅度增加了護(hù)岸工程的建設(shè)成本，不利于河道治理工程的推進(jìn)。

4.2 排體寬度選擇與應(yīng)用

排體護(hù)腳結(jié)構(gòu)是粉細(xì)砂河床防止坡腳淘刷的有效防護(hù)型式，是保證護(hù)岸工程穩(wěn)定的關(guān)鍵，排體寬度是護(hù)腳結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。有關(guān)資料顯示，受岸坡影響的水流脈動變幅隨遠(yuǎn)離岸邊距離而驟減，護(hù)腳排體的寬度可參考岸邊水流紊動的影響范圍。在護(hù)腳排體外緣的河床沖刷深度難以確定的情況下，有資料給出2 倍岸邊平均水深的坡腳防護(hù)范圍經(jīng)驗(yàn)值，此范圍以外的水流脈動對河床影響可以忽略，此經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)適合于順直護(hù)岸的護(hù)腳防護(hù)范圍。

而對于主流斜沖岸坎產(chǎn)生較強(qiáng)螺旋流的護(hù)岸工程，仍應(yīng)以護(hù)腳末端沖刷深度為依據(jù)，在實(shí)際工程中可參考天然河床斷面的局部沖刷情況。有關(guān)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定指出，柔性排體應(yīng)在最大沖刷深度引起的排體變形后平均坡度不超過1∶2.5，由此可知，護(hù)腳排體寬度應(yīng)大于約2.5倍最大局部沖刷深度，也有相關(guān)資料提出護(hù)底排體寬度為沖刷深度的1.5～2 倍，因此護(hù)腳排體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需要在不同的工程實(shí)踐中進(jìn)行研究和探索。

5 結(jié)語

粉細(xì)砂河床護(hù)岸工程采用柔性護(hù)坡和排體護(hù)腳防沖型式，在工程實(shí)踐中起到了很好的防沖固岸效果，施工方便、穩(wěn)定可靠，適應(yīng)變形的能力強(qiáng)。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，排體護(hù)腳結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)仍需要更多的實(shí)踐、試驗(yàn)和研究，進(jìn)一步提升護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

筆者通過阿克蘇河下游某護(hù)岸工程，分析了粉細(xì)砂河床基礎(chǔ)上排體防沖結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和可行性，同時對排體護(hù)腳結(jié)構(gòu)的防沖機(jī)理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了分析和探討，以期為此類護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程建設(shè)提供一些有益的參考和經(jīng)驗(yàn)。