抛石护岸冰上作业浅析

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摘要：护岸工程是指为防止河流侧向侵蚀及因河道局部冲刷而造成的坍岸等灾害，使主流线偏离被冲刷地段的保护工程设施。防护措施通常有：①直接加固岸坡并植树种草；②抛石或砌石护岸；③混凝土板护岸。其中抛石护岸因经济实用、就地取材、岸坡基础适应性强、对枯水位要求低、施工简易可分期施工逐年加固等优点被广泛采用。

关键词：古城岛护岸工程，材质分析，设计方案，冰上施工

1 抛石护岸特点

抛石法作为护岸工程的一种重要方法，近年来被广泛应用于长江、黄河、淮河等流域，发挥了很大作用。其优点及工程特性如下：

（1）施工简单、利用其自重置于水下，可实施人工于机械并举。（2）具有可变形性，并且对保护的堤防岸坡有极大的相容性，即使因抛石作用发生岸坡的最终破坏也是缓慢进行的，当一块石相对于另一块石移动时，抛石具有一定的自愈能力。（3）具有很高的水力糙率，可以减少波浪与水流的冲刷作用。（4）便于维修，且维修技术及其费用也较低廉。（5）具有耐久性，在同等经济指标下，石块远比水泥和土工合成物等现代化材料寿命长，即使是钢材强度虽远高于石块，但在水下不作防锈保护，其耐久性也难与石块相比。（6）抗冰推能力强，由于块石质量较大，护岸整体性和变形性较好，所以抗冰推能力较强。

2 抛石材质分析

抛石的材质是保证水下护脚工程质量的基础。对此，标书和设计文件对其硬度、密度和软化系数三项指标分别作了具体要求和限定。如要求石质坚硬、遇水不易破碎和水解；摩式硬度大于3～4；比重相对密度不小于2.65；不许用薄片、条状、尖角等形状块石以及风化岩、泥岩等。

硬度是岩石抵抗其表面变形能力的力学指标。测定的方法有压入试验、回弹试验、划痕试验和磨耗试验等多种，硬度的表示方法亦随测定方法不同而异。由一种或多种矿物组成的岩石，其抗磨损特性不仅取决于组成矿物特性，还取决于矿物颗粒大小和排列以及联结等因素，而且由于岩石生成条件不同，这些因素变动很大。因此用摩式硬度来测量岩石耐磨特性是不全面的。

工程建设应用的石材尚有用水饱和抗压强度来限定的，比如用于修筑道路的石料，出于对抵抗撞击和磨损的需要，通常要求抗压强度不小于100Mpa，而对于砌筑基础、堤坝及其他水工建筑物的毛石，则要求软化系数a不小于0.75。软化系数反应了岩石粒间联结的减弱程度，是用来表征岩石耐风化、耐水侵蚀的重要力学指标之一。

3 抛石护岸设计方法

3.1 护岸结构形式的选择

以漠河县古城岛护岸工程为例，古城岛护岸工程位于黑龙江兴安～古城岛江段，地处漠河县东北部的兴安乡境内，地理位置为北纬53°02′02″～53°22′15″和东经124°01′39″～124°01′50″。本工程地处严寒地区，汛期江水水位高，不利于工程施工，枯水期又大多为冬季，气候寒冷，护岸工程结构设计考虑选用干砌石护坡、抛石护坡和雷诺护垫填石护坡三种结构形式进行比选。方案比较结果表明：干砌石结构造价最低，抛石结构造价居中，雷诺护垫结构造价最高。如不考虑经济因素从优缺点可看出，抛石结构优于其他两种结构。综上所述，从工程安全性出发，只有抛石结构有较强的抗冰推能力和适应变形能力，并且抛石结构施工简单，维修方便，能满足本地区气候寒冷、施工工期短，快速施工的需求。所以选择抛石护坡结构型式。

3.2抛石护岸工程的特点

抛石护岸（图1）是河渠治理广泛采用的一种形式。这种护岸技术已经从传统经验阶段逐步发展到理性认识阶段。抛石护坡具有4个特点：①具有可变形性；②具有耐久性；③具有较高的糙率，可减少水流和波浪的淘刷；④维修要求低，便于修补。

3.3 设计中应考虑的主要内容

在抛石护岸设计中有3个方面的内容要加以考虑：①抛石材质；②抛石粒径，即石头足够大致被水流冲走；③抛石级配，即通过抛石内空隙流动的水流流速足够低；④抛石厚度，保护垫层和基土不致冲刷。

（1）抛石材质：由于受水流的长期冲刷，必须要求块石新鲜、完整，具有一定的强度、硬度和良好的水理特性。风化岩石、泥岩以及裂隙发育岩石和片状、条状、带尖角岩石均不得使用。为把好事前控制关，必须对采石场进行实地调查，并取样进行石质性能测试。检测项目包括摩式硬度、干湿密度和软化系数等物理力学特性指标。

（2）抛石粒径：抛石护脚块石在水流冲击下，保持稳定的粒径可按下式估算：d=V2/[2C2g×（ρg-ρ）/ρ]，d=（6S/π）1/3=1.24S1/3式中：d――折算直径（m）；S――块石体积（m3）；V――水流流速（m/s）；C――石块运动的稳定系数，其中水平底坡C=0.9，倾斜底坡C=1.2；ρg――块石密度，可取ρg=2.65g/cm3；ρ――水的密度。当V=3.0-4.0m/s，可得d=0.20-0.34m，从工程实际条件出发，选择抛石粒径大于0.3m是合适的。

从上述分析可见，一些文献资料规定d≥0.3m，这是从抛石在水流作用下保持稳定的要求而提出的。设计上对抛石尺度的限定通常为d=0.20-0.50m，其中以0.3-0.4m为主。

（3）抛石级配：良好的抛石级配，既满足了抛石功能上的基本要求，还保证了最大的抗冲体抛投密度。收方时掌握好级配是十分重要的。《堤防工程施工质量评定与验收规程》SL239-1999对堤脚防护质量检测项目与标准规定“护脚坡面相应位置高程允许偏差±30cm”的这一要求可见，块石也不宜过大。大尺寸块石，糙度也必然加大，过大的糙度会影响水流流态改变，这是应该防止出现的。实施船上量方时，必须同时对抛石尺度进行鉴定，对于尺度不合格的块石则必须坚决予以拒收或者扣方。此外，在实施抛投时，还必须遵循在水深流急区和接坡石区选用较大尺度石块等原则。

（4）抛石厚度：实验室试验表明，抛石层厚度为块石直径的两倍时，即能满足上述要求。根据工程实践经验，考虑施工中块石分布可能不够均匀，在水深流急的部位，抛石厚度往往增大为块石直径的3～4倍，块石的名义平均尺寸为：d=（W/γg）1/3式中：γg――块石比重；W――中值石块的重量。抛石护面层的厚度≥2.0d，局部厚度可达到3.0～4.0d。

5结语

漠河县古城岛护岸工程采用冰上抛石施工作业方案，极大程度方便施工节约成本，其施工效果显著，解决了夏季岸边水流冲刷及冬季冰推力较大的难题。冰上抛石的成功应用，对北方、特别是高纬度地区冬季跨水作业提供了经验，是经济、安全、便捷、有效的护岸工程形式，值得进一步研究改善加以应用。

参考文献

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[2]姚仁明，金琨.抛石护岸工程稳定性分析[C].长江护岸工程及堤防防渗工程经验交流会论文集.北京：中国水利水电出版社.2003.3.堤防工程技术标注汇编[S].北京：中国水利水电出版社.2004.

[4]中华人民共和国水利部.SL260-98堤防工程施工规范[S].1998.