北分干刘家闸至蒲河景观路段护岸工程设计综述

王晓文

(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司，辽宁 东港 118300)

1 概 述

北分干位于辽宁沈阳城区，于2013年、2014年进行整治实施，其中北分干闸至于虎铁路涵为一期工程，于虎铁路涵至蒲河滨河路段为二期工程。北分干刘家闸至明星二桥全长960m。现状渠道两岸为浆砌石挡墙护岸结合草皮护坡，左岸为民房及沈马公路，右岸为引水渠和待征迁区，渠道断面窄，过流能力不足。现状铁皮桥桥面破损严重，且渠道改造后，该桥跨度不够，且阻碍渠道过流，无法满足设计排涝流量安全下泄要求。

2 护岸形式

2.1 护岸结构形式

渠道常见横断面形式主要包括梯形横截面，复合横断面和矩形横断面，通常情况下，在条件允许的情况下可以采用梯形断面或复合断面，这样可以占用更多的土地但可以节省投资，矩形横截面用于土地特别困难的地方，可以根据河流的地形和地质条件以及景观规划的要求使用不同的组合。

护岸工程项目设计的总体要求：①断面符合设计流量；②根据实际的堤岸坡高和堤岸两侧堤台的状况确定断面结构；③为提高河道景观的生态效益，选择既能满足防洪抗冲要求又能兼顾景观生态建设的河岸保护型[1]。

2.2 方案比选

2.2.1 自嵌式挡土墙

其优点是大多数组件都是工厂生产的，具有高度的自动化集成，外观规则，美观，无需后期装饰。①柔性结构无需考虑冻胀问题。②维修方便。其缺点为整体性相对较差，工程进度受预制砌块产能影响较大，需要一定的坡度，占用部分河道断面，开挖占地约12000m2。

2.2.2 石笼挡墙护岸

优点：①结构稳定，石笼护坡具有良好的整体稳定性和耐久性，可以长期满足稳定性要求[2]。②施工简单，无需特殊技术，可以使用现有的砌体材料节省成本。③它具有强大的抵抗自然破坏，抗腐蚀和不利天气影响的能力。它适用于北方的严寒天气，并且具有很强的抗霜冻性。④可以承受大范围的变形仍不坍塌。⑤石笼缝隙之间的淤泥有利于植物生长，可与周围自然环境融为一体，有利于生态环境。⑥它具有良好的渗透性，可以防止静水压力造成的损坏。⑦节省运输费用，它可以折叠运输，在现场组装，并且易于维护。缺点：①材质要求较高，网片若有质量缺陷，上锈或断裂整体稳定性将难以达标。②若水中有垃圾漂浮物等则容易挂到网丝不好清理。③可以根据实际情况将钢丝网箱改良为钢筋笼，可以有效降低该两种弊端产生的负面效果。但造价会上浮10%左右。④自身占用断面较大。⑤开挖占地约8600m2。

2.2.3 预应力钢筋混凝土护壁桩

优点：①耐久性能好。采用C60高性能混凝土，可以满足本工程结构的耐久性要求。②结构稳定。确保桩端进入稳定土层，稳定性强，同时可减少传统施工中软基处理工程费用。③抗冻融、抗腐蚀能力强。④结构垂直，断面过流能力强，占地少。缺点为成本较高。需要较大机械设备进行施工。无需开挖，基本不占地。

2.3 方案对比

综合以上方案对比，自嵌式挡土墙投资最省，但整体性差，预应力钢筋混凝土护壁桩方案投资最大，但占地最少[3]。结合本工程特点，刘家闸至明星二桥段现状大部分为房屋侵占河道，且右岸为林斑，无法征占，需在林斑外侧新开挖渠道采取分流措施。在新建暗渠出口至明星二桥段，为减少征占地，且要在冬季施工，避免开挖临时占地等问题，本工程需采用预制钢筋混凝土桩防护型式才能解决问题。其他部位封闭老渠道段右岸，则采用投资相对节约的固滨笼挡墙护岸型式与现状渠道平顺衔接。

3 护岸工程设计

设计新建暗渠出口至明星二桥段渠道采用预应力钢筋混凝土桩护岸，防护长度634m；封闭老渠道段采用固滨笼挡墙护岸，防护长度48m。

1)新建暗渠出口至明星二桥段河岸防护为复式断面型式，采用预应力钢筋混凝土护壁桩护岸结合草皮护坡。护壁桩边长400mm、内径为240mm、桩长9m，其中2.5m位于设计河底以上。预应力钢筋混凝土护壁桩共布置一排，采用的混凝土强度等级为C60F200W6，采用的预应力钢筋直径为10.7mm(低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒)，非预应力钢筋直径为18mm(三级钢)，端板(Q235B钢)厚度为20mm，螺旋筋直径为5mm(冷拔低碳钢丝)，螺旋筋加密区间距为45mm，非加密区间距为80mm。桩两端2m范围内为加密区。桩顶以上岸坡设计坡比1∶1.5，坡面播撒草籽。桩顶以上岸坡设计坡比1∶1.5，坡面播撒草籽。

2)老渠道封闭段右岸采用固滨笼挡墙护岸，与下游渠道平顺衔接。固滨笼挡墙迎水面为阶梯型结构，共 4 层，河底以下一层，固滨笼单体尺寸为 2m×1m×1.5m(长×宽× 高，下同)，河底以上 3 层，固滨笼单体尺寸由上至下依次为 2m×1m×1m、1.5m×1m×1m和 2m×1m×1m。在固滨笼挡墙背水侧及底部铺设土工布(400g/m2)。

3.1 冲刷深度计算

计算采用《堤防工程设计规范》中局部冲刷深公式进行计算[4-5]。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处水深，m；U为行近流速，m/s；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s;Uc为泥沙起动流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=0.25；η为水流流速不均匀系数，取1；γs、γ为泥沙与水的容重，kN/m3，γs取17.7kN/m3、γ取9.8kN/m3；d50为床沙的中值粒径，取0.1mm。

经计算得冲刷深度如表1所示，基础埋深应综合地形、地质、冲刷深度、冻土深度，同时还应满足地基稳定要求，故本次工程基础埋深均满足规范规定的要求。

表1 冲刷深度计算成果表(P=10%)

3.2 预制钢筋混凝土护壁桩稳定计算

护壁桩结构内力、整体稳定及嵌固深度均采用了北京理正深基坑支护软件7.0PB5进行计算[6]。护壁桩计算截面均换算成等刚度C30钢筋混凝土桩支护形式进行计算。支护结构安全等级为二级，内力采用增量法进行计算。

壁桩稳定计算：计算断面采用北分干桩号G3+092标准断面为典型计算断面。计算模式：本次设计9m长护壁桩，地下嵌固深度6.5m，外露2.5m。背水侧填土高度为2.7m，土坡为1∶1.5。岸顶无恒荷载及活荷载。土层参数均按原状土参数。内侧降水按设计河底进行计算。

地勘根据实际地勘数据进行计算,次设计9.0m护壁桩设计截面受弯承载力设计值为161kN·m，受剪承载力设计值为161kN，均满足弯矩及剪力要求。

3.3 整体稳定计算

有效应力法条分法中的土条宽度:1.00m滑裂面数据圆弧半径(m)R=14.291圆心坐标X(m)X=0.415圆心坐标Y(m)Y=7.791，整体稳定安全系数Ks=1.634>1.35,满足规范要求。

抗倾覆(对支护底取矩)稳定性验算：

(4)

式中：Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩,对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定；对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值[7-9]。

(5)

式中：Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

Kov=1.317>=1.200,满足规范抗倾覆要求。

嵌固段基坑内侧土反力验算：

Ps=239.904≤Ep=322.455

(6)

式中：Ps为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力，kN；Ep为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力，kN。

根据以上计算结果显示本次预应力钢筋混凝土护壁桩设计满足设计规范要求。

3.4 固滨笼挡墙稳定计算

本工程固滨笼挡墙高度为3.0m。考虑可能出现的最不利工况并分析其稳定性，具体计算工况见表2。

表2 工况汇总表

抗滑稳定安全系数、抗倾覆安全系数、基底应力计算公式如下：

(7)

式中：KC为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；K0为挡土墙抗倾覆稳定安全系数；P为挡土墙基底应力，kPa；Φ为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数；∑H为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑M为作用在挡土墙上全部荷载对于水平面平行前墙墙面方向形心轴的力矩之和，kN·m；∑MV为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m；A为挡土墙基底面的面积，m2；W为挡土墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩，m3。

计算采用《理正挡土墙设计软件》，固滨笼挡土墙计算参数见表3，计算结果见表4。

表3 固滨笼挡土墙稳定计算参数

表4 固滨笼挡土墙稳定性计算成果表

根据计算结果可知，本次设计的固滨笼挡墙结构满足稳定要求。

4 结 语

本工程是以河道为主线的水系治理工程，以防洪排涝为主，主要为解决沈阳市排水防涝问题，通过对北分干刘家闸至蒲河景观路桥段河道进行综合整治，有效提高北分干刘家闸下游段排涝能力，缓解城市内涝。