河床局部柔性管理
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摘要：防止河岸沖刷和土地被水侵蝕的有效方法是采用柔性護岸工程?，F(xiàn)在采用最廣的是柔性擋土墻—石籠箱，石籠箱裝滿塊石，并一個挨一個地碼放。石籠的大重量保證了這類擋土墻的可靠性。應(yīng)用最廣的石籠箱有兩種，一種是由鋼筋骨架和編制網(wǎng)組成，一種是無骨架的編制網(wǎng)，編制網(wǎng)為六角形孔眼，石籠內(nèi)裝河卵石或塊石
防止河岸沖刷和土地被水侵蝕的有效方法是采用柔性護岸工程?，F(xiàn)在采用最廣的是柔性擋土墻—石籠箱，石籠箱裝滿塊石，并一個挨一個地碼放。石籠的大重量保證了這類擋土墻的可靠性。應(yīng)用最廣的石籠箱有兩種，一種是由鋼筋骨架和編制網(wǎng)組成（圖1略），一種是無骨架的編制網(wǎng)，編制網(wǎng)為六角形孔眼，石籠內(nèi)裝河卵石或塊石（圖2略）。
編制網(wǎng)孔眼將兩條鍍鋅金屬絳擰在一起，金屬絲直徑2-3毫米。這樣就可以保證一些孔眼損壞后編制網(wǎng)的正體性?？籽鄢叽缫话銥?～15厘米，這與塊石尺寸有關(guān)。石籠箱最常見的形狀是立方體，每面高1米，但也可以作成其他尺寸。
俄羅斯卡巴勒季諾—巴勒卡勒共和國護岸工程、索契的護岸工程以及黑海岸邊的防護工程都有采用石籠箱的經(jīng)驗。這些工程中采用的雙絲編制網(wǎng)都是從意大利進口或者是切列波維茲克金屬聯(lián)合工廠制造。
制造石籠采用的金屬絲，強度極限為38-50公斤/毫米2。鍍鋅層密度240-275克/平米。為了防止石籠銹蝕，例如用于海洋護岸工程的石籠，可以在鍍逛商店金屬絲上涂以聚乙烯氯保護層，厚0.4-0.6毫米。鍍鋅層密度為260克/平米，運用時間可達35年，鍍鋅層密度為130克/平米，運用時間達20年。
裝入石籠中的石料，當(dāng)其抗凍性能凍融循環(huán)次數(shù)大于50，密度又大于1700公斤/立米的任何石料都可以采用。石籠中石料間的空隙，逐漸被淤泥沖滿，石籠形成了砌體，增加了石籠強度。
這種擋土墻的主要缺點，是不能承受彎曲荷載，所以這種擋土墻修建的都不高。薩勒馬科汰的石籠擋土墻，在大的彎曲荷載—動水壓力作用在擋土墻北面時，擋土墻被破壞了（圖3略）。
分析護岸工程的調(diào)查表明，水流和河床的形態(tài)因素是選擇護岸工程方案的客觀指標(biāo)。必須考慮的水流主要形成因素有流速、水深、含沙量和洪水期的持續(xù)時間。選擇護岸工程方案時，應(yīng)當(dāng)考慮的河床主要形態(tài)因素是泥沙顆粒組成和河床縱坡。
在河床水工中重要的指標(biāo)是弗勞德數(shù)，其確定公式為
式中，v—平均流速；h—最大流量時的水深；g—重力加速度；
α—流速不均勻分布系數(shù)，α=1.1。
這個指標(biāo)包含了兩個形態(tài)因素：流速和水深。
河床穩(wěn)定性的其他重要指標(biāo)，是羅赫基推薦的河床穩(wěn)定性系數(shù)。這個指標(biāo)與泥沙顆粒阻力和水流拖泄力的比值有關(guān)。泥沙顆粒阻力可挖地取正比于泥沙顆粒重量，即d3（d—顆粒平均粒徑，毫米）。而拖泄力是作用在顆粒上的動水壓力，即v2d2的乘積。因為在其他相同條件下，v2正比于縱坡i，那么，作用在顆粒上的壓力正比于d2i，因此，比值將有下面形式
能隨彎曲荷載又經(jīng)濟的一些石籠箱擋土墻方案已取得專利權(quán)，這類石籠呈拋物面圓柱形，并有砼護面，以及有砼護面和編制網(wǎng)錨固。
拋物面圓柱體石籠擋土墻的修建要一步步完成（圖5）。首先在地基上放置好下層網(wǎng)，并要形成搭接（圖4略）。在網(wǎng)的搭接處將金屬絲擰在一起。將網(wǎng)全部放置好后在放置骨架，骨架也呈拋物面圓柱形。地基上的拋物線可按下式描述
式中x、y—地基上拋物線橫坐標(biāo)和豎坐標(biāo)；b石和h石—石籠的寬和高，b石=（2～4）h石。
裝滿石料石，將骨架取下。在已放置好了的拋物面圓柱形石料的上面，可鋪置上一層網(wǎng)，這一層鋪設(shè)就容易些了，可用金屬絲擰在下層網(wǎng)上。每一個拋物面圓柱體每延米長要有6-10個金屬絲擰結(jié)，金屬絲粗4-5毫米，極限抗拉強度可達800-1300公斤。接下來放置第二層石籠，這層石籠也要用金屬絲同下層擰牢。第二層石籠鋪置后，接著鋪置第三層，這樣就一步步地完成了石籠擋土墻的修建。這種石籠擋土墻可以較高，而又薄，可以承受彎曲荷載。
圖5拋物面圓柱體石籠擋土墻
1-擋土墻；2-雙擰結(jié)六角形孔眼網(wǎng)；3-擋土墻背水面；4-編制網(wǎng)；5-擰牢金屬絲；6-柔性護底
石籠的合理高度在0.2-0.5米。在這個高度下石籠寬應(yīng)在0.7-1.0米范圍，而裝在網(wǎng)內(nèi)石料的牢固要最大限度地靠石料與網(wǎng)子側(cè)表面的摩擦力。
為了加強擋土墻在彎曲荷載作用下的承載能力和防止墻體傾倒的穩(wěn)定性，將擋土墻的橫斷面常常修建成臺階形，從上層向下層寬度減小。擋土墻背水面是支撐的土體，這樣使擋土墻的重心不會移動，并增大了防止墻體傾倒的彎矩。
石籠擋土墻最大缺點是，洪水時在泥沙和其他雜物磨損下，編制網(wǎng)的穩(wěn)定性不高。這種擋土墻最好在水流動能參數(shù)在0.5-1.0，河床穩(wěn)定系數(shù)在1-5，水流中含沙量小和洪水期短的條件下使用。
混合型擋土墻，砼護面在墻的前部。有砼護面的石籠擋土墻為拋物面圓柱體，砼護面在墻的迎水面。擋土墻受壓的一側(cè)有澆注砼護面。我們知道，砼受壓強度大于其受拉強度數(shù)十倍，這樣就增大了墻的抗彎曲承載能力。砼層的厚度與計算彎曲力矩有關(guān)。砼護面可有效地防止泥沙磨損墻體?；旌闲徒油翂Φ牧硪幻媸芾?，可以用鋼筋骨架加強。我們知道，鋼筋在受拉時強度極限大。工作筋的直徑與計算彎曲力矩值有關(guān)。這種擋土墻可以有效地應(yīng)用在任何水流動能參數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)在1-5以及在高含沙量水流和洪水期常應(yīng)用。有砼護面的石籠擋土墻，當(dāng)采用錨固網(wǎng)時，墻體還可以薄一些。
有砼護面和有錨固網(wǎng)的石籠擋土墻，其錨固網(wǎng)是錨固在墻體背后的土體中（圖7）。有了錨固網(wǎng)就可以減小墻體橫斷面，這樣也會使接土墻更經(jīng)濟，因為墻不能像懸臂梁式的工作，所以計算彎曲力矩減小了。
柔性擋土墻的計算。包括擋土墻沖刷計算、擋土墻強度計算；確定擋土墻任一斷面上的應(yīng)力和墻基礎(chǔ)底面應(yīng)力、擋土墻傾覆計算和擋土抗滑計算。
防止柔性擋土墻地基被沖刷的主要方法，是設(shè)置柔性護底。護底的放置深度應(yīng)低于河床底（圖8、9）。按照護底的埋深，決定其所需寬度。護底應(yīng)是柔性的我們的看法是，最有前景的護底應(yīng)量石籠箱、加筋毛石砼和混合型。現(xiàn)在在切列克河上已建成并正在運用著這類護底（圖10）。
擋土墻作用范圍的水流水力學(xué)是個復(fù)雜問題。還沒有一個概括水流同護岸建筑物相互作用的公式，還沒有揭開相互作用現(xiàn)象的實質(zhì)。推薦的護岸工程計算方法是基于經(jīng)驗公式。這些公式完全可以用于設(shè)計。
分析水流作用區(qū)擋土墻的工作表明，擋土墻的損壞，到逐漸完全被破壞，多數(shù)是因為沒有正確的選定建筑物基礎(chǔ)的埋置深度。在實際中有這種情況，擋土墻地上部分建造的很好，但由于其地下部分埋置深度不夠，在地基附近形成沖坑，使建筑物完全損壞。因此，確定擋土墻作用區(qū)沖刷坑尺寸及減小沖坑的方法，就是我們計算的主要任務(wù)之一。
護岸工程的設(shè)計和運用實踐表明，確定擋土墻護底寬度的方法，可以采用阿勒塔摩諾夫建議的方法，該方法是基于天然觀測數(shù)據(jù)，可適用于山前河流。
根據(jù)阿勒塔摩諾夫的試驗，在形成環(huán)流的堤防區(qū)，假定流入的流量，在流向開始偏向的開始斷面處流量為q（圖8），則這部分流量q0?？煞殖蓛刹糠郑合虏苛髁縬下，對河底有沖刷作用，
q下=βq0（4）
上部流量q上，對擋土墻基礎(chǔ)沒有沖刷作用（圖9）。
q上=q0(1-β)（5）
系數(shù)β與擋土墻導(dǎo)致的水流偏向長有關(guān)，可按下式確定
β=0.25l0.25
與α角有關(guān)的連續(xù)擋土墻對環(huán)流條件有不同影響。α對沖刷坑尺寸的影響可以用系數(shù)kα計入，kα可以用試驗方法確定：
堤防地基的沖刷坑深度，可按下式確定
h=(h0+ar)kα（7）
式中r—沖坑的水力學(xué)半徑，可按與c值和河床土料的允許流速v有關(guān)的圖確定
a和c—與比值ψ=d∶d有關(guān)的系數(shù)，d和d—水流泥沙平均直徑和最大直徑，或者是建筑物斷面處的河床土料平均直徑和最大直徑；h0和v0—日常條件下水流平均水深和流速。
防止擋土墻地基沖刷的護底寬f，可按下面關(guān)系式確定（圖9）
式中—沖坑面積；hp=ar-沖坑深；h1—護底埋置在平均河床底以下深。
在確定作用在擋土墻上的土壓力時，認為回填土料是理想的松散體。為了挖的計算，作用在傾角不大的擋墻面上的主動土壓力，可以取水平向。
為了計算擋土墻斷面，可以有兩種方案：擋土墻工作如懸臂梁，并以此計算墻的斷面面積；另一種是擋土墻如鉸接，對這種情況，可以取作雙支梁計算。如有的情況，錨固網(wǎng)的數(shù)目多于兩個，這種情況就屬于靜不動系統(tǒng)。為了得到計算簡圖，應(yīng)建立彎矩圖和橫向力圖，并計算最大荷載。
如果由外部荷載計算的橫向力，沒有超過砼的內(nèi)力，那么，在橫向力作用下的傾斜斷面強度就有保證。用下式檢驗形成傾斜裂縫的條件，
q(0.6*rbt*b*h0)（10）
式中rbt—砼軸向受拉時的計算強度，當(dāng)砼等級為b15時，rbt=0.75兆巴，b=1.0米。
如果滿足這個條件，那么，在橫向力的作用下就不會產(chǎn)生裂縫。
縱向筋的選取和計算應(yīng)按最不利的方案—鋼筋網(wǎng)從土體中被拉出的情況進行。在這種情況下錨固網(wǎng)的最大拉應(yīng)力等于鋼筋網(wǎng)摩擦力的兩倍。
f=2f摩擦（11）
式中f—鋼筋網(wǎng)從土體中被拉出時的最大拉應(yīng)力；f摩擦—當(dāng)鋼筋網(wǎng)從土體中被拉出時，鋼筋網(wǎng)骨架同土體一個接觸面的靜摩擦力
f摩擦=p*tgφ=γ*h*l*tgφ（12）
式中p—網(wǎng)上面土體重；γ—回填土料容重；h—鋼筋網(wǎng)上面土層高；l—鋼筋網(wǎng)長；φ—回填土料內(nèi)摩擦角
當(dāng)計算擋土墻溫度變形時，必須確定可能的溫度變形，其確定公式為
δl=l*α*δt（13）
式中δl—擋土墻一個網(wǎng)的絕對溫度變形；l—擋土墻一個網(wǎng)長度，l=10米；α—砼線型擴展系數(shù)α=1.5×10-5×k-1。
例如，最冷的一天和最熱的一天溫度差為δt=50℃。
δl=l*α*δt=10*1.2*10-5*50=6毫米
這樣，可能的溫度變形為6-10毫米，因此，應(yīng)當(dāng)設(shè)置結(jié)構(gòu)—變形縫。
