null第三章河道整治建筑物及整治手段第三章河道整治建筑物及整治手段河道整治建筑物及整治手段河道整治建筑物及整治手段第一节 河道整治建筑物的定义
第二节 河工建筑材料和建筑物分类
第三节 堤岸防护
第四节 丁坝工程
第五节 顺坝、锁坝及其他河工建筑物
第一节 河道整治建筑物的定义 第一节 河道整治建筑物的定义定义:河道整治建筑物是稳定或改善河势,调整水流所修建的水工建筑物。亦称河工建筑物。常用的有丁坝、矶头、护岸、顺坝、锁坝、桩坝、杩槎坝等。
布置与作用 河道整治建筑物就岸布设,可组成防护性工程,防止堤岸崩塌,控制河流横向变形;建筑物沿规划治导线布设,可组成控导性工程,导引水流,改善水流流态,治理河道。 第二节 河工建筑材料和建筑物分类 第二节 河工建筑材料和建筑物分类河道整治建筑物可以用土、石、竹、木、混凝土、金属、土工织物等河工材料修筑,也可用河工材料制成的构件,如梢捆、柳石枕、石笼、杩槎、混凝土块等修筑。 类型 按材料和期限分为:轻型(临时性)建筑物和重型(永久性)建筑物。
按照建筑物与水位的关系可分为:淹没建筑物、非淹没建筑物。
按照建筑物对水流的干扰情况分为:透水建筑物和实体建筑物(非透水建筑物)以及环流建筑物。
null 实体建筑物、透水建筑物在结构方面差异很大。实体建筑物不允许水流透过坝体,导流能力强,建筑物前冲刷坑深,多用于重型的永久性工程。透水建筑物允许水流穿越坝体,导流能力较实体建筑物小,建筑物前冲刷坑浅,有缓流落淤作用。环流建筑物是设置在水中的导流透水建筑物,又称导流装置。它是利用工程设施使水流按需要方向激起人工环流,控制一定范围内泥沙运动方向,常用于引水口的引水和防沙整治。
一、实体建筑物 分为两类。一类用抗冲材料堆筑成坝,称抗冲材料堆筑坝,如堆石丁坝、石笼坝、柳石坝等。在沙质河床上建坝时,可先铺沉排护底。另一类以土为坝体,用抗冲材料护坡、护基(脚),称土心实体坝。实体建筑物一般多为土心实体坝,如黄河、长江即大量使用。土心实体坝常用护坡、护基的材料和结构有以下几种。
null ①块石结构:为世界各河流普遍采用。具有适应河床变形、施工简易灵活、能分期实施、逐步加固等优点。块石护岸一般由抛石护脚(根)及其上部护坡两部分组成。护坡有抛石、浆砌石、干砌石等几种结构,各河流采用的形式不尽相同。护坡的坡度范围为1:0.3~1:3;护脚部分的坡度为1:1.2~1:3。采用坡度的陡缓,视护岸的高低、地基情况而定。块石铺砌厚度一般为 0.3~1.0m,块石与土心坝体之间设沙石反滤层。一般近岸流速3m/s,采用块石直径0.2~0.4m,块石重30~150kg。 ②柳石结构:有柳石枕和柳石搂厢两种形式。柳石枕捆枕
方法
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一为散柳包石捆扎;一为先捆成小柳把,再包石捆扎。枕的直径一般为0.7~1.0m,长3~15m。柳石搂厢是埽的一种改进。埽工是中国一种古老的河工结构形式,在中国黄河的抢险和堵口中常用,即由秸(或苇、梢料)和桩、绳null
分层按照规格盘结压土沉至河底而成,根据不同的整治要求作成各种形状的埽段。柳石搂厢一般有用船或浮枕做工作台两种作法。先在岸上打桩布缆网,在缆网上铺柳枝厚0.5~1.0m,压石0.2~0.3m,再置柳枝厚0.3~0.4m,将绳缆搂回拴于岸上的顶桩。照此逐坯加厢,直至追压沉至河底,上部压石或土封顶,迎水面抛枕护根。搂厢宽度一般2~4m,搂厢长度视裹护需要而定。柳石体积比7:3。当石料缺乏时,可以用淤土块代石;柳缺乏时,可以岗材、芦苇、竹子代替。柳石结构主要优点是体积大,有柔韧性,防护效果好,可就地取材,节约石料和投资。主要缺点是□露在水面以上部分易损毁,使用寿命不及块石。 ③混凝土块护面结构:混凝土块形状可呈方形或六角形,厚度在0.05~0.5m。把堤、岸削成缓坡,上铺沙石反滤层,其上即可铺混凝土块。其优点是可预制、施工快,
null 形状整齐美观,坚固耐用,主要用于基础较稳定的堤岸防护风浪。 ④石笼:用铅丝、竹篾、荆条做成各种笼状物体,内填块石、砾石或卵石,网格的大小以不漏石为度。施工时,可将这些物体依次从河底往上紧密排放,护住堤岸或丁坝的坡、脚。常用于堤岸、丁坝枯水位以下护脚。优点是体积大、抗冲力强,小块石也能利用。
⑤沉排:常用于实体建筑物护脚或护底。其特点是面积大,维修工作量小,整体性强,柔韧性好,易适应河床变形,随着水流冲刷排体外河床,排体随之下沉,可保护建筑物根基。但沉排结构比较复杂,施工技术性强。柴排是一种常用结构,由塘柴、柳枝或小竹子扎结成排体,上压块石做成。 null 1952年,中国在南京浦口长江沿岸做了大规模的沉排护岸工程。铰接式混凝土沉排形如帘子,由混凝土构件连接成一定规格的排体,从岸坡端起向水域铺设至设计宽度。排体铰接比较柔软,能适应河床变形。铺放排体的岸坡坡度一般削为1:2.5~1:3,排端一般在枯水位处或稍下。枯水位以上岸坡抛块石护坡。1931年美国密西西比河中、下游开始采用铰接式混凝土沉排,并总结出水下用铰接式混凝土沉排,水上抛石是最适宜的形式,已广泛应用。1984年中国长江武汉河段天兴洲采用了铰接混凝土板-聚酯纤维布沉排,由起反滤和抗冲作用的聚酯纤维布与其上压的铰接混凝土板组合而成。
null⑥土工织物:70年代以来在欧洲、美洲、日本等一些国家广泛应用化纤非织造布替代砂石作反滤层。人造纤维织成的用来灌注水泥砂浆或混凝土的袋状柔性模具,称为模袋。
实体建筑物修建后都要经受水流淘刷,有的用沉排护底,有的随着河床变形需抢修、加固到冲刷坑的相应深度,坡面也要不断维修,以适应水流,才能较为稳定。
二、透水建筑物 主要有以下几种结构。 ①桩坝 ②杩槎③沉树 ④编篱 ⑤植树
第三节 堤岸防护 第三节 堤岸防护护岸工程:在堤外无滩或滩地极窄,要依附堤身和堤基修建护坡和护脚的防护工程,用于堤防的防护工程,包括修建护岸及坝等。
护滩工程:堤前有滩地,滩地受水流冲刷,危及堤防或岸上设施安全,因而修建依附岸滩的防护工程。
流经城市市区的河段的滩地一般较窄或无滩地,因此市区河道主要是护岸工程。
海滨城市的海堤工程,既要护岸又要护滩。
常用的护岸类型:坡式护岸、重力式护岸、板桩及桩基承台护岸、坝式护岸。
护岸的选择:根据河流和河岸特性、城市建设用地、航运、建筑材料、施工条件等综合分析确定。
null
河床土质较好——宜采用坡式护岸、重力式护岸
河床土质较差——宜采用板桩及桩基承台护岸
冲刷严重河段的中枯水位以下部位——宜采用顺坝和短丁坝护岸
顺坝和短丁坝护岸常用来保护坡式护岸、重力式护岸的基础不被冲刷。
护岸设计应考虑的荷载:自重及其上部荷载、墙后主动土压力、墙前被动土压力、墙前水压力、墙后水压力、墙前波吸力、地震力、船舶系缆力、冰压力等。
§3-1 土堤防护
§3-1 土堤防护
一、土堤护坡:
1、分类和基本要求:
土堤迎水坡主要受水流冲刷、破浪淘刷、冰和漂浮物的撞击破坏,因此应采用护坡防护。
背水侧主要防雨冲刷等,可不设护坡,而设置排水设施,较重要堤段,可采用草皮护坡。
护坡形式:水泥土、干砌石、浆砌石、混凝土和钢筋混凝土板等。迎水坡根据风浪大小、水流、潮流情况,结合堤防等级、堤高、堤身、堤基等因素选用。背水坡根据暴雨强度、越浪要求,结合堤高等选用,一般采用草坡护坡。null2、护坡厚度
在波浪作用下,斜坡堤干砌石护坡的护面厚度可按下式计算:
式中:t——护面厚度,m
K1 ——系数,一般干砌石取0.266,砌方石、条石取0.225
r——水的比重,kN/m3
rb——块石的比重,kN/m3
L——波浪长度,m
H——计算波高,m。当d/L»0.125时,取4%H, 当d/L<0.125时,取13%H。堤为堤前水深,m
m——斜坡坡度。 斜坡的坡角,度。
null混凝土板作为土堤护面时,满足混凝土板整体稳定性所需的护面厚度按下式计算:
——系数,对开缝板可取0.075,对上部为开缝板,下部为闭缝板取0.1
B——沿斜坡方向(垂直于水边线)的护面板的长度,m
水泥土、浆砌石、混凝土和钢筋混凝土板护坡应设排水孔,孔径取50~100mm,孔距2~3m,宜呈梅花型布置。浆砌石、混凝土和钢筋混凝土板等护坡应设置变形缝。
二、护脚:
迎水坡应设置护脚,以支持护坡和防止水流冲刷坡脚。
null 其宽度和深度可根据水流流速和河床土质经冲刷计算确定。护脚宜护至冲刷线以下0.5~1.0m。对于有滩地和缓坡的河段,可以采用砌石护脚。若施工困难,可在砌筑护脚前首先采用抛石、排桩抛石、沉排等对坡脚进行处理。
§3-2 坡式护岸
§3-2 坡式护岸
一、坡式护岸分类:
坡式护岸,又称为平顺护岸,是用抗冲材料直接铺在岸坡及堤脚一定范围,形成连续的覆盖式护岸。坡式护岸对河床边界条件改变较小,对近岸水流影响也较小,是城市防洪过程中常用的护岸型式,应优先选择。
坡式护岸常用的结构型式有干砌石、浆砌石、抛石、混凝土和钢筋混凝土板、混凝土异形块等,其中以砌石应用得多。
护岸的型式选择应根据流速、波浪、岸坡性质、冻结深度以及施工条件等因素,经技术经济比较确定。在季节性冻土地区特别注意冰冻对砌石的破坏。null 坡式护岸设计坡度常比天然岸坡陡,以节约工程量。当岸坡高度较大时,宜设置戗道。
按施工条件和构筑物位置,坡式护岸可分为上中下三层。下层护岸常淹没在水下,要求能够承受水流冲刷、淘刷底部和河床变形。中层承受水流冲刷和风浪侵袭,水位经常变化,要求护岸材料具有抗朽性;上层护岸主要防止雨水冲刷和风浪冲击。坡式护岸上、中部的护岸与土堤部分的护坡基本相同。
二、材料、坡度和厚度
材料的选择:砌石和抛石护坡,应采用坚硬未风化的石料,砌石下设垫层、反滤层或土工织物。浆砌石、混凝土和钢筋混凝土板护坡应在纵横方向设变形缝,缝距不宜大null 于5m。
坡式护岸的坡度和厚度,应根据岸边土质、流速、风浪、冻结、护砌材料和结构形式等因素,通过分析计算确定。坡度主要根据岸边稳定确定,护岸厚度主要根据护岸材料、流速、冰冻等。对于抛石护岸厚度,不宜小于抛石粒径的的2倍,水深流急处应加厚。坡度应缓于1:1.5。材排护岸的坡度不应陡于1:2.5。
坡式护岸下层护岸应设置护脚。基础埋深宜在冲刷线以下0.5~1.0m。若施工有困难时,可采用抛石、沉排、沉枕等护底防冲措施。护脚设计必须保证其工作的可靠性,护脚形式和材料选择应满足水流冲击和泥沙推移质的磨损,以及便于施工等。护脚位于枯水位以下,必须水下施工,宜采用抛石、石笼、沉枕等护岸。护脚埋深要慎重确
null 定。因为护脚被冲刷,护岸也难以保住。埋深应根据冲刷深度设置,同时也要参考已有的工程经验,综合分析确定。
在水流作用下,抛石护坡、护脚块石保持稳定的抗冲粒径(折算粒径)按下式计算:
按球形折算的粒径
式中:d——抛石粒径,m g——重力加速度,m/s2
S——石块体积,m3 v——水流流速,m/s
r——水的比重,可取1KN/m
rb——石块的比重,可取2.65 KN/m3
nullC——石块的稳定系数。水平底坡时,C=0.9;倾斜底坡时,C=1.2。
《长江中下游护岸工程技术要求(试行稿)》推荐下面公式计算抛石的临界粒径:
d——块石抗冲临界粒径,m
v0——最大垂线平均流速,m/s
h——相应v0处的水深,m
null在波浪水流作用下,抛石采用人工块石或经过分选的块石作为斜坡护坡、护脚的面层时,单个块石、块石的质量Q以及护面厚度按下式计算:式中:
Q——单个块体、块石的质量,t;
t——护面厚度,m; r——水的比重,KN/m3
rb——石块的比重,KN/m3nullH——计算波高,m。当
时,取13%H;当时,取4%H; 为平均波高,m;d为堤前水深,m
m——斜坡坡度;n——护面块体层数
、C——系数§3-3 重力式护岸
§3-3 重力式护岸
一、特点和型式:
重力式护岸,又称墙式护岸,是依靠本身自重、填料重量和地基强度维持自身和构筑物的稳定性的挡土墙式护岸型式。
优点:整体性好,占地少、维修方便、施工简单。
对于河道狭窄、堤外无滩地,易受水流冲刷、保护对象重要、受地形条件或已建建筑物限制的塌岸河段应采用重力式护岸型式。
缺点:对地基要求高,造价也较高。
重力式护岸墙体的材料:钢筋混凝土、混凝土和浆砌石。
null 常用的护岸形式:整体式护岸、空心方块及异形方块式护岸和扶壁式护岸。临水侧可采用直立式、陡坡式,背水侧可采用直立式、斜坡式、折线式卸载台阶式等。
断面尺寸和墙基埋入深度,应根据具体情况和堤岸整体稳定性分析计算确定。选择重力式护岸结构形式时,应根据岸边的自然条件、当地材料以及施工条件等因素,经技术比较确定。
重力式护岸宜在较好的地基上采用,在较差的地基上采用时,必须进行加固处理,并应在结构上采取适当措施。
二、构造要求:
1、基础埋深和基床厚度
重力式护岸的基础埋深,应不小于1.0m,并要考虑有null 冲刷的情况。当采用水下安装时,或者地基承载力满足不了要求时,或者为了墙身能在施工水位以上砌筑或浇筑时,可考虑设置抛石基床。抛石基床应根据计算确定。对于岩石和砂砾石地基不宜小于0.5m。对于一般土基不宜小于1.0m。
2、变形缝和排水
重力式护岸沿长度方向必须设置变形缝,缝距可采用:浆砌石结构为10~20m;混凝土和钢筋混凝土结构为10~15m。同时在新旧护岸连接处、护岸高度或结构型式改变处、护岸走向改变处和地基土质差别很大的分界处等位置也必须设置变形缝。变形缝宽采用2~5cm,做成上下垂直通缝。现场浇筑混凝土或浆砌石的结构,缝内用弹性材料填充。
null 重力式护岸应设排水孔,孔后应设置反滤层或土工织物。排水孔大小以及布置应根据水位变化情况、墙后填料透水性和岸壁断面形状确定。最下一层排水孔应低于最低水位。3、重力式护岸的稳定性
设置重力式护岸时,应进行下列计算和验算:
护岸的稳定,护岸水平滑动稳定抛石基床面的水平滑动稳定;基床和地基应力;护岸底面合力作用位置;整体滑动稳定;护岸前冲刷稳定。
重力式护岸后土压力按主动土压力计算。护岸前土压力可按1/2被动土压力取值。
重力式护岸后地面无特殊使用要求时,地面荷载可取5~10KN/m2。重力式护岸前正向行进波高0.5m时,可不考null 虑波吸力。一般码头建筑物前的坡高超高0.5m时,应考虑波浪力的作用。
§3-4 板桩式及桩基承台式§3-4 板桩式及桩基承台式一、特点和分类:
在软弱地基上修建港口、码头、重要护岸,宜采用板桩式及桩基承台式护岸。
型式:按有无锚碇可分为无锚板桩和有锚板桩两类。
有锚板桩分为单锚板桩和双锚板桩。
单锚板桩适用于水深小于10m城市坡岸,仅设一个锚碇,具有施工方便,结构简单等优点。
双锚板桩适用于水深大于10m或软弱地基情况,结构较复杂。
无锚板桩受力情况相当于埋在基础上的悬臂梁,一般适用于水深小于10m情况。null二、板桩护岸构造:
组成:板桩、冒梁、锚碇结构和导梁。
锚碇结构通常由锚碇桩、锚杆组成。
板桩:护岸的主要部分。
冒梁:将各个板桩连接成整体。
导梁:是板桩与锚杆间的主要传力构件。
§3-5 坝式护岸§3-5 坝式护岸 一、分类和适用条件:
坝式护岸分类:顺坝、丁坝、丁坝与顺坝结合的丁顺坝。
适用范围:冲刷严重的河岸、海岸。
作用:引导水流、防冲、落淤、保护河岸。
顺坝轴线与水流方向相同,由于顺坝不改变水流结构,水流平顺,因此应优先采用。顺坝除了能防冲落淤形成新岸线,增大弯曲半径,还能引导水流方向,因而又称为导流坝。顺坝建成后不宜再调整。
丁坝具有导沙作用,为了减少对水流的影响,宜采用短丁坝,在多沙河流中下游应用,会获得比较理想的效果。
null 丁坝建成后效果不理想时,容易调整。但是坝头水流紊乱。
丁顺坝兼有丁坝和顺坝的作用。
顺坝和短丁坝护岸应设置在枯水位以下,可按以下情况选定:
1)在冲刷严重的河岸、海岸,可采用顺坝或短丁坝保滩护岸。
2)在波浪为主要破坏力的河岸、海岸、通航河岸以及冲刷河岸凹凸不规则的河段,宜采用顺坝保滩护岸。
3)在受潮往复作用而产生严重崩岸,以及多沙河流冲刷严重河段,可采用短丁坝群保滩护岸。
按坝建筑材料不同可以分为:土石坝、抛石坝、砌石坝、铅丝石笼坝、混凝土坝。
null 1)在流速较小时、河床土质较差、短丁坝坝高较低时,可采用土石坝、抛石或砌石坝;
2)流速较大时,宜采用铅丝石笼坝或混凝土坝。
铅丝石笼坝为透水坝型
混凝土坝、土石坝为不透水坝型
二、坝式护岸构造:
坝式护岸工程由坝头、坝身、坝根三部分组成。应做好坝头防冲、坝身稳定和坝根与岸边的连接,避免水流绕过坝根冲刷河岸。
不透水丁坝、顺坝或丁顺坝,可采用抛石坝、土心坝、沉排坝等结构型式。
null 坝顶宽度:坝的上下游坡度、结构尺寸应根据水流条件、运用要求、稳定要求以及经验确定:
1) 抛石丁坝:坝顶宽度宜采用1.0~3.0m,坝的上下游坡度不宜陡1:1.5
2) 土心坝:坝顶宽度宜采用5.0~10m,坝的上下游坡度宜缓于1:1,护砌厚度可采用0.5~1.0m,重要堤段应通过分析计算确定。
3) 沉排坝:坝顶宽度宜采用2.0~4.0m,坝的上下游坡度宜缓于1:1~1:1.5,护底层的沉排宽度应加宽,其宽度应满足最大冲刷坑的要求。坝头坡度可取1:3~1:5。
为防止水流绕穿坝根,可以在河岸上开挖侧槽,将坝根嵌入其中,或在坝根上下游适当范围加强护岸。丁坝坝
null 头水流紊乱,受冲击力大,应特别加固。宜采用加大坝顶顶宽和边坡系数,扩大护底范围等措施。
三、坝式护岸平面布置
坝式护岸工程的平面布置应根据河道整治规划、河势、水流流态及河床冲淤情况和工程经验等,由分析确定,必要时通过水工模型试验验证。
顺坝本身是整治线的一部分,其平面布置应与河道整治线一致,并与上下游岸边线协调。丁坝坝头的位置应在整治线上,并组成组布置。丁顺坝的顺坝部分与顺坝一样,应布置在整治线上。
丁坝按束窄河床的相对宽度可分为:长丁坝、短丁坝、圆盘坝。丁坝越长,挑流作用越强。丁坝按坝身轴线与水null 流的交角,可以划分为上挑丁坝、下挑丁坝和正挑丁坝。
丁坝的长度:决定于岸边至治导线的距离。确定丁坝长度应遵循兼顾上下游、左右岸要求,有利于导引水流的原则。一般坝长不宜大于50~100m,如距离岸边较远,可修土顺坝作为丁坝生根的场所。
丁坝的有效长度一般为丁坝实有长度的2/3。
丁坝的间距的确定,应遵循充分发挥每道丁坝的掩护作用,又使坝间不发生冲刷的原则,即使下一道丁坝的壅水正好达到上一道丁坝,可取坝长的2~3倍。
丁坝的间距可按下式计算:
null L——丁坝间距,m
——丁坝有效长度,一般取丁坝长度的2/3
——水流扩散角,一般采用9.5
——丁坝与岸边线的交角,度
——水流动力轴线与岸边线的交角,度 § 3-6 护岸冲刷计算 § 3-6 护岸冲刷计算 一、平行水流冲刷计算
水流流向平行于河道时,对岸边和河底的冲刷深度,可采用下式计算:
——局部冲刷深度,从水面起算,m
——冲刷后水深,一般用近似设计水位最大深度代替,m
——主河槽计算水位时的平均流速,m/s
——河床面上不冲流速,m/s
n——河槽平面形状系数,与防护岸坡在平面上的形状有关null 二、斜冲水流冲刷计算
由于水流斜冲河岸,水位升高,岸边产生自上而下的水流淘刷坡脚,其冲刷深度计算:
——从河底算起的局部冲刷深度,m
α——水流流向与岸坡夹角,度
m——防护建筑物迎水面边坡系数
d——坡脚处土壤计算粒径,mm
——水流局部冲刷流速m/s,根据下列情况分别计算null对于滩地河床:
式中:
Q1——通过河滩部分的设计流量
B1——河滩宽度,从河槽边缘到坡脚,m
H1——河滩水位,m
η——水流流速分配不均匀系数
水流流速分配不均匀系数null 对无滩地河床
Q——设计流量
W——原河道过水断面面积,m2
——原河道过水断面面积,m2
三、挤压水流冲刷计算
水流被挤压时则产生冲刷,如对河道进行护岸、缩窄河道等情况下,就会形成水流被挤压现象。挤压水流的平均冲刷按下式计算:
null ——水流被挤压时产生的平均冲刷深度,m
——水流被挤压前后水流断面面积之差,m
B——自对岸到堤坝坡脚的河岸底宽,m
四、丁坝冲刷深度
非淹没丁坝冲刷深度:
null v——丁坝的行进流速,m/s
——与丁坝在水流法线上投影长度有关的系数
——与丁坝边坡率m有关的系数
g——重力加速度,m/s2
α——水流轴线与丁坝轴线的交角,
当α/2>90时,取tg(α/2)=1
d——床沙粒径,m
当非淹没丁坝所在河流的河床质粒径较细时,可用粒径计算冲刷深度
式中:
——局部冲刷深度,从水面算起,m
v——丁坝的行进流速,m/s
——行进水流深度,m