２０１７年１１月 水利水电快报ＥＷＲＨＩ 第３８卷第１１期 文章编号：１００６—００８１（２０１７）１１—００６０—０４ 护岸工程设计基本问题浅析 尚钦 汪继承 周冬妮 郑华康 （１．长江勘测规划设计研究院有限责任公司江河整治公司，湖北武汉４３００１０； ２．宣州区城东防洪工程管理处，安徽宣城 ２４２０００） 摘要：由于河势演变比较复杂、护岸理论研究相对落后，且护岸工程的设计仍停留在对２０世纪中早期 半经验公式的应用上。通过对现行规范中基本经验公式的研究，分析了公式的适用性和局限性；在此基础 上，明确了护岸工程范围的划分，阐释了护岸工程范围确定的基本原则及半定量方法，提出了工程结构（抛 石粒径、防冲备填石）的设计计算方法，为护岸工程设计提供了新思路。 关键词：护岸工程；冲刷坑；防冲填石 中图法分类号：ＴＶ８６１ 文献标志码：Ａ 鉴于河势演变比较复杂、护岸理论研究相对落 后，且护岸设计仍停留在对２０世纪中早期提出的半 经验公式的应用上，导致护岸工程作为一项动态工 程往往滞后于险情，且长期处在加固维护中。本文 针对护岸工程设计的几个半经验公式（冲刷坑计算 导致冲刷，并根据大量工程案例拟合出半经验公式。 而平顺护岸基本不改变河道过流断面，不会造成水 流流场的局部变化，其近乎河床自然演变冲刷。因 此上述公式不适用于平顺护岸，与丁坝的坝根冲刷 也差异较大。对比各公式的计算结果，离散性较大， 对于平顺护岸工程设计基本不具有指导意义。 １．２块石抗冲粒径计算 公式、块石抗冲粒径和防冲备填石计算公式）进行 了详细研究，分析了其出处、原理和适用性，并结合 当前河势演变分析手段，提出了护岸工程设计新 思路。 原《堤防工程设计规范》（ＧＢ ５０２８６—９８）和《河 道整治设计规范》（ＧＢ５０７０７—２０１ １）中均采用公式： １半经验公式 １．１冲刷坑计算 ｄ：— ～ｃ ２ｇ （１） 式中，ｄ为块石稳定粒径，ｍ；Ｖ为水流流速，ｍ／ｓ；ｇ为 目前在护岸设计中广泛采用的几种冲刷坑计算 重力加速度，９．８１ ｍ／ｓ ；Ｃ为块石运动的稳定系数，水 公式大多引自国外有关规范标准。由于国内外水流 和地质条件的不同，公式是否适用于国内河流有关 平底坡取０．９，倾斜底坡取１．２，《堤防工程设计规范》 （ＧＢ ５０２８６—２０１３）将其修订为水平底坡取１．２，倾斜 底坡取０．９；Ｙｓ为块石的重率，２．６５ ｋＮ／ｍ。； 为水的 重率，１ ｋＮ／ｍ 。经考证，上述公式引自前苏联时期的 伊兹巴斯公式 Ｊ，但是由于种种原因对稳定系数Ｃ 值的引用出现笔误。块石在倾斜底坡上比在水平底 坡上更易失稳，对块石粒径的要求更高，因此《堤防工 问题的计算有待验证。主要的冲刷深度计算公式的 来源和对比详见表１。表１中前３个公式均针对桥 梁墩台局部冲刷模型，考虑水流局部流速变化、河底 抗冲流速、含沙率等影响因素，并根据大量的工程案 例和试验，拟合出半经验公式；后３个公式则是针对 桥下冲刷模型，主要考虑由于桥墩缩小了过流断面， 产生壅水，桥下河道水面比降增加，流速增大，进而 程设计规范》（ＧＢ ５０２８６—２０１３）的修订是正确的。目 前已实施的抛石护岸工程或多或少地出现了 收稿日期：２０１７—０９—１５ 基金项目：国家重点研发计划（２０１６ＹＦＣ０４０２１０８） 作者简介：尚 钦，男，长江勘测规划设计研究院有限责任公司江河整治公司，高级工程师 ・６０・ 尚钦等护岸工程设计基本问题浅析 《河道整治设计规范》《河道整治设计规范》和技术要求均引自《堤 。 ×［（ ） 一－］ （ＧＢ５０７０７—２０１１）；《堤防工程设计规范》（ＧＢ《水力计算手册》， 防工程设计规范》，《水力计算手册》（第二版）《堤防工程设计规范》引自 （包尔达可夫局部冲刷公式）［ ］ ５０２８６—２《长江中下游平顺护岸工０１３）； 引自《堤防工程设计规范》，《水力计算手册》（第一版）引自《公路设计手册桥位设计》，该 程设计技术要求》 手册引用包尔达可夫公式 当 时，ｈ６＝ Ｋｎ２８ｏ （ 一 ）； 当 时， ＩＢ ）（ ） 桥梁墩台 ６５—２公式 一 ］： 规范》（Ｊ１髋 ‘Ｇ ｃ３Ｏ一２０１５）；中国对 兽 中国对２１２座浑水冲刷桥梁和４座浑水冲刷桥梁和 座清水冲刷 ０座清水冲刷局 鎏刷 偎 ‘ 当 ０时， 《公路桥位勘测设计规桥梁的调查研究 曰 ‘ ｈｏ・ （ ） 范》（ＪＴＪ０６２—２００２） 当 ＞ｖｏ时， 口 ６ｈｏ１ （Ｖ －ｔ３０ｔ） ３ ＨＥＣ一１８局部冲刷公式 美国水利工程通报（ＨＥＣ美国联邦公路委员会组织对３８３座桥梁的调 一１８） 查研究 ４ ｈ。＝Ｐｈ（包尔达可夫一般冲刷公式） ］｝公路＞＞工程水文勘测５ ６４ ２ ￣（ＪＴＧＣ３０－２０兽 ［ ］ ，根据输沙平衡建立 桥下一般 一公式［ ３－４］ ： ｈｐ （Ａ 帅・ 范》（Ｊ嘣２—２０ｏ２） ＝．ｆ１．０４ Ａ ｄ １・． 【 Ｏ．６６ｈｃｍ 【 ｒ∞ ６ ＨＥＣ一１８一般冲刷公式 美国水利工程通报（ＨＥｃ根据输沙平衡原理建立－１Ｒ １８ ３ｌＫ＝怕 ｑ ｌ 、 ： 抛石被冲走的现象，除河势变化、施工质量等因素 加固石量计算： 外，是否存在由于错用稳定系数Ｇ值而导致设计抛 ＝船 （∑△ 一△ ）／ｍｚ （３） 石粒径偏小的情况需要作进一步探究。 式中， 为备填石量，ＨＩ ／ｍ；Ｂ 为坡脚抛石厚度， 伊兹巴斯公式从启动流速出发，按平抛条件推 导，还是比较适用于护岸工程的，但只是笼统的按抗 ｍ ／ｍ；Ｓ 为坡脚抛石宽度，ｍ，重要工程取８ ｍ，一般 滑和抗倾给了两个综合稳定系数，未与岸坡坡度紧 工程取４ ｍ；ｍ 为护岸前河床边坡系数，一般取 密关联，因此不够精细。 ０．２５，ｍ 为稳定后河床边坡系数，一般取０．５；Ｋ 和 Ｋ为安全系数， 一般取１．１；重要工程Ｋ取１．３，一 １．３防冲备填石计算 般工程取１．２；ＡＨｍ 为从新护后第一年守护段内平 《长江中下游平顺护岸工程设计技术要求》中 均最大冲刷深度，ｍ；据长江中下游实测资料，迎流 对防冲石量考虑了２个方面的因素，即河道横向变 顶冲段为５—８ ｍ，其他守护段为３～５ ｍ；∑△ 形被抑制后坡脚产生冲刷需要备填石量，工程兴建 为新护到工程基本稳定（一般为２～３ ａ）的累积最 后河床较长时间的调整也需要一定的加固石量，并 大冲刷深度，据长江中下游实测资料，迎流顶冲段为 推荐如下公式 。 １０～１５ ｉｎ，一般段为８～１０ ｍ。 备填石量： 根据长江中下游护岸工程经验，重要工程段防 冲石量取１５—２５ ｍ ／ｍ，一般工程段取１０—１５ ＝ （△ ＋Ｓ － 一Ｓ ）（２） ｍ ／ｍ。 ．６１． ２０１７年１１月 水利水电快报ＥＷＲＨＩ 第３８卷第１１期 防冲石护岸只是经验性的工程措施，备填石量 和加固石量按冲刷１ ａ的时间节点进行划分更是缺 乏理论依据，且依据的关键参数——最大冲刷深度 和第一年平均最大深度，前者来源于包尔达可夫公 式，后者需待工程竣工后１ ａ才能获取，因此对工程 设计都不具有指导意义。 ２护岸工程设计新思路 ２．１护岸工程范围的划分 传统护岸工程设计仅考虑平滩水位以下的中枯 水河槽，而河床地貌应包含洪水位以下的河漫滩、平 滩河槽、堤防外坡或自然阶地、山体岸坡，即整个洪 水河槽，共同作用于河流的冲淤变化。考虑到洪水 位以上的风浪作用区也与之存在密切关系，因此建 议针对河床地貌的不同位置和作用机理，将护岸工 程范围划分为护坡、护滩和护脚，分别对应洪水河床 整治、中水河床整治和枯水河床整治，从而构成了护 岸工程的完整体系。由于河势演变与水文情势的复 杂性，实际工程难以与水位严格对应，设计中应根据 具体情况灵活处理。 ２．２护岸范围的确定 近年来，利用数学和物理模型对河势演变的规 律进行模拟分析取得了长足进步，因此护岸工程设 计也应与时俱进，充分利用河势演变数模、物模的成 果，这是今后护岸工程设计的研究方向。 ２．２．１ 总体布置原则 护岸工程牵涉到排涝、灌溉、航运和岸线利用等 多专业问题，以及干支流、上下游、左右岸、近远期等 多方面问题，极为复杂，因此如果缺少综合考虑，就 不能有效处理问题。建议结合工程具体情况，总体 上按照以下原则，客观、公正和科学地处理各方关 系。 （１）护岸工程布置应在防洪规划、河道整治规 划（或河势控制规划）的指导下进行，统筹兼顾其他 专业规划，根据工程任务，正确处理整体与局部、干 支流、上下游、左右岸的关系，应先重点后一般，远近 结合，分期实施。 （２）在规划方案确定后，护岸工程总体上要根 据河势演变的数模、物模成果确定。 （３）护岸范围应根据近岸流速分布、地质情况、 历史地形套绘定量分析确定。 （４）应根据保护对象、工程影响等因素进行修 ・６２・ 正和优化。 （５）需考虑工程实施后对上下游、对岸、河底的 影响，并制定相应的处理方案。 （６）要考虑未来一定时期内可能的河势变化， 护岸位置和范围要留有一定的安全裕度。由于护岸 工程的复杂性，建议有关主管单位在工程竣工后安 排工程后评价，由相关单位针对（４）和（５）中的问题 进行补充设计和工程处理，该部分费用应包含在整 个工程投资中。 ２．２．２确定护岸范围的半定量方法 以往护岸范围确定主要依据险情调查、近年河 道地形套绘、冲刷坑计算以及工程经验，存在一定的 不确定性和局限性：未出险的河段不表示在其他水 流条件下就一定稳定，出险河段也可能从此稳定，甚 至开始淤积；依据近年河道地形套绘，可发现河床地 貌的变化，可信度相对较高，但由于河势演变的复杂 性，河床地貌年内年际发生较大变化也属正常，当缺 乏测量资料时也易作出误判；冲刷坑计算公式本身 存在局限性，工程设计人员的主观判断随机性较大； 因此，通过比较各种水流条件下（至少应包括代表 性的枯水位、中水位和洪水位）近岸流速和岸坡土 体不冲流速的分布情况，从泥沙起动条件着手，由定 量确定可能冲刷范围的结果更加可信，这相当于在 定床条件下来判定冲刷可能。同时为了弥补定床模 型的不足，仍需结合历史地形资料套绘综合确定。 把历史套绘资料、数模成果、流速比较成果统一在一 个平台上分析，将影响因素量化，尽可能消除工程设 计中主观因素的影响。 ２．３工程结构设计方法 ２．３．１抛石粒径计算方法 １９７９年，Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ推导了与伊兹巴斯公式基 本相同的公式 Ｊ，并分别按平抛、立抛给出了考虑 护岸材料水下天然休止角和岸坡坡角因素的综合稳 定系数 的计算公式： ｄ：— （４） ２ｇ Ｋ＝／２ｃｏｓ０（ｔａｎｑ￣一ｔａｎＯ） （５） 式中， 为抛石稳定部位的垂线平均流速，ｍ／ｓ； 为 综合稳定系数；０为边坡坡度， 为抛石休止角。按 《堤防工程设计规范》（ＧＢ５０２８６—２０１３）推荐公式 计算，斜坡上的块石计算粒径是水平底坡的１．７８倍， 这直接影响了抛石厚度和工程投资。未考虑岸坡坡 尚钦等护岸工程设计基本问题浅析 度的设计过于粗糙，且很多设计人员并不了解规范 如假设Ｋ ＝Ｋ，将公式（１）和（２）相加，得到下 述公式： ＝公式的出处和原理，造成伊兹巴斯公式长期被错用， 因此推荐采用Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ公式。实际工程中，水下 黜ｆ［∑△ 一ｓ （ｍ 一ｍ ）］／ｍ２（６） 护岸大多采用块石，通常天然休止角基本接近 ４２．５。，岸坡坡比一般在１：１．５～１：１０之间。该公 式并不复杂，但由于缺乏块石材料，其他护岸材料开 假设抛石满布坡面，总防冲石量近似于冲刷前 后坡面的护岸抛石量之差，见图１。 始逐步推广，因此有必要根据岸坡坡角和护岸材料 水下天然休止角进行优化设计。按Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ公式 计算Ｋ值的相关分析如表２所示。 表２平抛护岸形式综合稳定系数Ｋ值 平整、均匀的坡式平顺护岸，护岸材料接触面为 自然岸坡，滑动比滚动容易，综合稳定系数 可以 采用平抛公式计算；丁坝等坝式护岸或起伏较大的 坡式护岸，上部表面护岸材料与下部同类型材料互 相嵌填、咬合，不易产生滑动，控制条件以抗倾稳定 为主，因此可采用立抛公式计算。 工程实际中抛石护岸坡比一般不陡于１：２，从 表２可以查得Ｋ＝０．８６。抛石护岸一般护至岸坡坡 比１：４时，可以查得Ｋ＝１．１４，与《堤防工程设计规 范》（ＧＢ５０２８６—２０１３）推荐公式水平Ｋ＝１．２、倾斜 Ｋ＝０．９的成果范围大致相当。 ２．３．２ 防冲备填石计算方法 防冲备填石的概念来自于工程经验，如果可能受 到冲刷部位已得到防护，或者已经对其采取全断面防 护，那么防冲备填石就失去了其存在的意义，实际工 程经验也表明以往工程护岸范围的设定还需斟酌。 实际工程中，由于工程需要、投资限制、河势变 化等原因，护岸范围难以完全覆盖可能冲刷区域，此 时设置一定的防冲备填，很有必要进一步观察，尤其 在一些允许枯水河槽适度冲刷的护滩工程中。由于 备填石和加固石的划分并不严格，对工程设计也没 有意义，建议不再细分，只需保留防冲备填石一个概 念即可。 图１防冲备填石计算 根据图１，可推导出防冲备填石量计算公式如 下 Ｗ＝ＫＢ ＡＳ＝ＫＢ 警Ｓｔｍ１ （７） 式中，Ｋ为综合稳定系数，曰 为坡脚抛石厚度， ｍ。／ｍ；ＡＳ为坡脚冲刷前后抛石宽度，ｍ；△Ｈｍ 为新 护后第一年守护段内平均最大冲刷深度，ｍ；Ｓ 为坡 脚抛石宽度，ｍ；ｍ 、ｍ 分别为护岸前和稳定后的 河床边坡系数。 按此公式计算，长江中下游护岸工程的重要工 程段防冲石量为２４～３９ ｍ ／ｍ，一般工程段取１９～ ２４ ｍ ／ｍ，总体上大于公式（５）计算成果。影响较大 的主要是△ 的取值，该值不能简单地由包尔达 可夫公式计算求得，应由河势演变和冲淤计算综合 确定，当防护范围足够大，河床不能再进一步淘刷， 冲刷深度可取零。根据上述公式，当 计算值不大 于零时，说明防护范围已可抵抗可预见的坡脚冲刷。 ３ 结 语 由于河势演变和水文情势的复杂性，护岸工程 是一项动态工程，不能沿用简单经验公式和照搬以 往工程案例，随着河势演变模拟手段的进步，护岸工 程设计理论也应与时俱进。同时，护岸工程的新技 术、新材料、新工艺发展迅速，在工程实践中取得了 良好的效果，也亟需进行理论上的总结，以指导工程 设计及工程实践。 （下转第７４页） ・６３・ ２０１７年１１月 水利水电快报ＥＷＲＨＩ 第３８卷第１１期 段及不同型形式之间之问仍存在一定差异。 勐养河位于云南省南部，属热带地区，气候温暖 湿润，降雨丰富。工程完工后４个月内，由于还属干 石笼等型式，并对生态护岸后的植被恢复效果进行 了调查分析。研究发现，实施生态护岸后，植被都能 较快地生长，但均存在较大的差异，这与河道所处区 域的气温、降雨、土壤以及河道岸坡的淹没状况（水 位）、流速等密切相关。不同淹水情况下的植被恢 复情况有显著区别，生态护岸措施中土壤的滞留效 果也是草类植被能否生长的关键。同时调查中还发 季，降雨量较少，植被生长恢复较慢。但经过一个雨 季后，植被生长迅速，在采取雷诺护垫护岸区域基本 已覆盖整个坡面，郁郁葱葱，十分繁茂，取得了良好 的生态效果。但挡墙区域因缺土缺水的原因，植被 生长还较为缺乏，今后可考虑采取种植攀爬的藤蔓 植物，对其进行绿化。 现，一些护岸措施因水流冲刷而脱落，因此，护岸措 施的后期维护管理也很重要，今后应改变“重建设、 兴山古夫县城区的护坡修复主要分已有硬质岸 坡的改造及未护岸段的守护，从目前的情况看，由于 轻管理”的现象，真正为河流岸线的生态化治理和 保护提供服务。 参考文献： 土质较差，且降雨较少，植被生长较为缓慢。今后应 采取人工浇水等措施，促使植被快速生长。 下荆江生态护坡的植被生长状况与当地的河势 ［１］董哲仁．水利丁程对生态系统的胁迫［Ｊ］．水利水电技 术，２００３，３４（７）：１—５． ［２］ 谢三桃，朱青．城市河流硬质护岸生态修复研究进展 ［Ｊ］．环境科学与技术，２００９，３２（５）：８３—８７． ［３］Ｋｒｉｓｔｉｎａ Ｍ Ｈ，Ｓｕｓａｎ Ｊ Ｍ．Ｐｌａｎｔ ｅｃｏｔｙｐｅｓ：ｇｅｎｅｔｉｃ ｄｉｆｆｅｒ－ 及水流情况有密切的关系：在缓流的观音洲区域，六 方预制块结构较为稳定，植被恢复较快；在团结闸区 域，层码干砌石植被生长较为迅速，但其结构稳定性 不如其他硬质护坡结构，受水流冲刷的影响，部分区 域下段干砌石部分已脱落，土质基底出露，需定期维 护；在向家洲护岸段，其植被恢复较好，但受流速、水 位等因素影响，中下段（易受水淹没区域）植被生长 较少，恢复较为困难。 ｅｎｔｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｇｅ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ，２００３，１８（３）：１４７—１５５． ［４］ 夏继红，严忠民．国内外城市河道生态型护岸研究现 状及发展趋势［Ｊ］．中国水土保持，２００４（３）：２０—２１． ［５］ 高之栋，穆如发．河道生态修复技术初步构思［Ｊ］．水 土保持研究，２００６，１３（６）：３２—３３． ４ 结语 ［６］赵进勇，廖伦国，董哲仁，等．重庆市苦溪河生态治理 的实践［Ｊ］．水利水电技术，２００７，３８（３）：９—１３． ［７］李凌云，黎礼刚，王家生．古夫河兴山县城段生境修复 研究［Ｊ］．人民长江，２０１５，４６（３）：７７—８１． 生态护岸一直是河流生态整治相关研究的热 点，如何快速恢复河道岸坡的植被是河道生态护岸 中的重要内容。本文对长江科学院近几年在不同区 域不同河流实施的生态护岸情况作了简要介绍，包 括雷诺护垫、棕榈石、生态袋、生态鱼砖、混凝土预制 块＋香根草、层码干砌石＋香根草＋狗芽根、钢丝网 ［８］ 周成成，黄召彪，熊小元，等．三峡水库蓄水后荆江河 段河床冲淤及水位变化特点分析［Ｊ］．中国水运，２０１４ （５）：５２—５３． （编辑：朱晓红） （上接第６３页） 参考文献： 民交通出版社，２００２． ［５］李炜．水力计算手册［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社， ２００６． ［１］ＧＢ５０７０７—２０１１．河道整治设计规范［Ｓ］．北京：中国 计划出版社，２０１１． ［６］ 黄国兵，李学海，程子兵，等．截流块体稳定影响因素及 实用计算公式［Ｊ］．长江科学院院报，２０１３，３０（８）：２５—３０． ［７］ 长江科学院．长江中下游平顺护岸工程设计技术要求 ［２］ＧＢ ５０２８６—２０１３．堤防工程设计规范［ｓ］．北京：中国 计划出版社，２０１３． ［３］ＪＴＧ Ｃ３０—２０１５．公路工程水文勘测设计规范［Ｓ］．北 京：人民交通出版社，２０１５． ［４］ＪＴＪ０６２—２００２．公路桥位勘测设计规范［Ｓ］．北京：人 ［Ｒ］．武汉：长江科学院，２０００． （编辑：李晓潆） ・７４・
