天然河道由于自然属性有深潭浅滩，有冲有淤，尤其是感潮河段，更为明显，如何在堤防设计中解决堤脚冲刷问题，成为设计成败的关键，本文采用u型板桩很好地解决了这个问题。
1、河段基本情况
奉化江属高冲刷河道，据志载：“此段江曲岸回，潮势冲激特甚，而内河有河漕插入，无塘则江河通咸，害及田禾，其塘为堵挡咸潮内灌而设，关系重大”。本工程范围内共有8个河道转弯段，其中包括史载“屡筑屡圮（注：pǐ，塌坏，倒塌）”的狗颈塘，近年来常有险情出现的联丰村段、黄隘村段、翻石渡、14#砂厂码头及电镀城段。根据最新测量地形图，现状河道凹岸冲刷深度约为14m左右，部分转弯半径相对较小的河段，冲坑深度达18m以上，冲刷现象较为严重。奉化江上游主支流洪水全面归槽后，奉化江干流冲刷现象将进一步加剧，为保障工程的安全运行，需根据规划条件下奉化江干流水流特点，合理确定“冲刷段”。然而由于奉化江尚未建立冲刷模型进行分析计算，因此本阶段工程冲刷段主要根据水流特点、现状河床情况以及我院在其他工程项目评估中的基本结论进行判断，并归纳出本段奉化江的流速分布特点和范围作为结构设计的依据。
2、冲刷初步计算
所谓“冲刷”是指水流对河床的冲蚀淘刷过程。河床泥沙在水流作用下，向下游搬移而引起河床降低或岸线后退。凡水流的挟沙能力大于上游的来沙量时，河床都发生冲刷。冲刷又分为在河床上较普遍发生的一般冲刷和受工程影响而发生的局部冲刷。受工程影响的冲刷多见于桥墩、丁坝等段，河道弯曲的凹岸也是冲刷比较严重段。在地球偏向力作用下，河道一岸发生侵蚀作用，另一岸发生堆积作用，长时间发生会使河道逐渐偏向侵蚀岸（凹岸）一边，从而形成自由河渠。
根据奉化江现状河床情况、岸坡冲—淤情况、历年抛石护脚情况以及规划情况下水流变化情况，以及我院在其他工程项目评估中的基本结论，确定“冲刷段”，局部最大流速为断面平均流速的1.55~2.0倍。
左岸KL0+000~KL0+300，该段河道最小转弯半径为133m，现状冲坑最深高程为-13.8m，规划50年一遇该段设计流量为2498m3/s，河道平均流速为2.08m/s，局部最大流速可能达到3.74m/s（按照经验系数1.8）；
右岸KR2+000~KR3+580，该段河道最小转弯半径为416m，现状冲坑最深高程为-11.58m；规划50年一遇该段设计流量为2460m3/s，河道平均流速为1.9m/s，局部最大流速可能达到3.04m/s（按照经验系数1.6）
左岸KL3+250~KL3+900，该段河道最小转弯半径为211m，现状冲坑最深高程为-14.10m；规划50年一遇该段设计流量为2445m3/s，河道平均流速为1.6m/s，局部最大流速可能达到2.72m/s（按照经验系数1.7）
右岸KR5+750~KR6+550，该段河道最小转弯半径为274m，现状冲坑最深高程为-10.m；规划50年一遇该段设计流量为2432m3/s，河道平均流速为1.8m/s，局部最大流速可能达到3.06m/s（按照经验系数1.7）
左岸KL5+780~KL6+400，该段河道最小转弯半径为1m，现状冲坑最深高程为-14.58m；规划50年一遇该段设计流量为2430m3/s，河道平均流速为1.5m/s，局部最大流速可能达到2.55m/s（按照经验系数1.7）
右岸KR7+450~KR8+200，该段河道最小转弯半径为116m，现状冲坑最深高程为-17.7m；规划50年一遇该段设计流量为2422m3/s，河道平均流速为1.6m/s，局部最大流速可能达到3.04m/s（按照经验系数1.9）
左岸KL7+200~KL8+000，该段河道最小转弯半径为248m，现状冲坑最深高程为-12.3m；规划50年一遇该段设计流量为2417m3/s，河道平均流速为1.9m/s，局部最大流速可能达到3.23m/s（按照经验系数1.7）
右岸KR9+380~KR9+887.61，该段河道最小转弯半径为195m，现状冲坑最深高程为-12.05m；规划50年一遇该段设计流量为2413m3/s，河道平均流速为1.7m/s，局部最大流速可能达到2.m/s（按照经验系数1.7）。以上冲刷严重堤段，堤线布置中尽可能退堤，在退堤困难的地方，应加大河岸、堤脚的防护措施。
3、冲刷段抗冲设计
3.1、基本原则
由于对奉化江规划状况下河势变化了解的有限性，堤防整治不可能“一劳永逸”，因此本次堤防整治设计中，考虑到可能出现的深弘线摆动和下切、冲刷段范围扩大，冲淤平衡不稳定等情况，同时结合工程总投资问题，确定本次堤防结构设计以“岁修”为基础，即每年汛期加强日常检查并有计划地对各种建筑工程进行的维修和养护工作，堤防管护与堤防整治相结合，合理控制投资的情况下，做到堤防的“长治久安”。
3.2、冲刷深度计算
根据奉化江现状河床情况、岸坡冲刷情况、历年抛石护脚情况以及规划情况水流变化情况，本章5.2.2.2节及表5-1已确定现状冲坑深至-10.0m以下、规划局部流速超过2.5m/s 的“严重冲刷段”共计8处，局部最大流速超过3.7m/s。
根据《堤防工程设计规范》对这些“严重冲刷堤段”进行堤岸冲刷深度计算，其中：
①顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式为：
（5-2）
式中：hB——局部冲刷深度（m），从水面算起；
hp——冲刷处的水深（m），以近似设计水位最大深度代替；
Vcp——平均流速（m/s）；
V允——河床面上允许不冲流速（m/s）；
n——与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4；
②水流斜冲防护岸坡产生的冲刷计算公式为：
（5-3）
式中：Δhp——从河底算起的局部冲深（m）；
α——水流流向与岸坡交角（度）；
m——防护建筑物迎水面边坡系数；
d——坡脚处土壤计算粒径（cm）；
Vj——水流的局部冲刷流速（m/s）；
根据以上公式，结合奉化江8段冲刷段的实际情况，对堤岸冲刷深度进行计算，计算成果详见表3-1。
表3-1 冲刷段堤岸冲刷深度计算成果表
注：冲刷深度起算点均为0.00m
3.3、冲刷段堤岸抗冲设计
据志载：奉化江“江曲岸回，潮势冲激特甚，而内河有河漕插入，无塘则江河通咸，害及田禾，其塘为堵挡咸潮内灌而设，关系重大”。其中北岸有一段名曰“狗颈塘”，“其地置乌金、积渎两碶之下，行春碶之上”，“外江内河，中限以塘，御咸蓄淡，恃为巨防。”该处地势险要，当地百姓深受其害，以前亦曾筑过土塘，但屡筑屡圮。狗颈塘上游有风棚碶，下有水菱池碶，从整条河流地势来看，狗颈塘又处于低洼地段，因此外遭江潮冲激，内受洪水泄排之患，《鄞县通志》称该处是最为紧要地带。
从测量断面上看，狗颈塘（KL7+200~KL8+000段）外不过3米即是深漕，横断面坡比陡过1:1，非常险要（参见测量断面），表5-9中所述8段岸线外10m内为深槽的还有3处，分别为KR2+000~KR3+580、KR5+750~KR6+550、KR7+450~KR8+200，其余4段均为退堤段，但新岸线位置距离深槽也不超过20m。由于奉化江凹岸冲刷严重，虽每年抛石防护堤脚，但每逢较大洪水过后都有局部堤防出现较深冲坑，虽堤防未垮塌，但险情频出，若“上三江”归槽，奉化江洪水的流量、流速将成倍增加，现有堤防及抛石护脚措施无法应对设计洪水的考验，在奉化江冲刷段堤防结构设计“岁修”这一基本原则的指导下，以前述岸墙比选成果为基础，针对奉化江冲刷堤段，保证设计工况下堤防不倒，岸墙不倒的设计原则，根据以上冲刷段堤岸冲刷深度计算成果和工程实际情况，现拟定以下几个方案进行技术经济比选：
方案一：灌砌石重力式挡墙 + 混凝土预制短桩 + 抛石
该方案下抛块石，抛石体平台顶标高为0.63m，宽度为15m，并以1：2延入江内，经初步估算，防冲抛石粒径须达到0.5m以上（按球形折算），单块抛石重量要在300kg以上，抛石厚度须取抛石粒径2倍以上，其中抛石体表面大块石进行理砌处理。该方案的优点是施工简单方便，无需围堰，而且维护方便。缺点是石料要求较高，备料较困难，抗冲效果一般，并需经常维护，年维护费用约20万元/公里。
方案二：灌砌石重力式挡墙 + 混凝土预制短桩 + 模袋混凝土护坡
该方案设模袋混凝土护坡，下部护底宽度12m，上部护至平均潮位以上50cm，模袋砼厚0.5m，该方案优点是无需围堰施工，但缺点是需进行水下定位，施工较麻烦，而且永久性不够，维护工程量较大。
方案三：沉井+箱式挡墙方案
在堤脚外口沉放钢筋砼预制小沉井，沉井内采用砂砾料回填压实墙上接钢筋砼空箱式挡墙，经初步计算应对平均冲坑深度为1.8m的强冲刷段，沉井下埋深度须达6.0m以上，沉井尺寸为2.50m×2.50m，沉井上部为钢筋砼空箱式挡墙，高2.0m，宽1.5m，边墙壁厚0.4m，估算投资量化至每延米约为13500元。该方案的优点是抗冲效果好，永久性好，维护工程量较小；缺点是施工较麻烦，速度慢，临江侯潮施工危险系数高，投资较大。
方案四： 预制钢筋砼U型板桩墙
在堤脚外插打预应力钢筋砼U型板桩，桩顶浇筑钢筋砼帽梁锁定，形成堤前防护墙。该方案的优点是抗冲效果好，永久性好，施工方便，维护工程量较小；缺点是悬臂高度大易造成墙顶外倾变形，造价较高。
各方案技术经济比较成果详见表3-2
表3-2 冲刷段抗冲设计技术经济比较表
注：按假定墙脚涂面标高0.50m，冲深1.8m计算
通过上表比较，结合本此工程中的8段严重冲刷段实际情况，分别进行设计计算和防冲方案选择：
首先对于8段中最为险要的狗颈塘（KL7+200~KL8+000）段，由于堤防宽度受限，岸线外3m内即是深槽，墙外水深坡陡，无法进行抛石施工和围堰施工。古时狗颈塘据记载为清嘉庆十一年(1806)，知县周镐带领修筑，“就其倾陷之处填以乱石，石与水平，然后加土，其上复以巨甃（音zhòu，砌，垒）其两旁”，大意为侯潮施工，在损毁的土塘上采用乱石填至常水位然后铺土砌石，条石交叉错落有致，各块条石接缝处用巨大石钉扣紧，极有规则，从堤上观望，外露的钉端密密麻麻呈扇形，如右图。
若保留老岸墙作为本工程加固后的堤防的第一道防线，无法验算其抗冲能力；若在其后3m（避免碰到石钉）设板桩墙或沉井，则置狗颈塘于激流而不顾，且奉化江与南塘河间原本狭窄的堤防将更加狭窄；我院经反复商讨比选决定在狗颈塘外新建防冲岸墙，但由于老墙外3m即为深槽，退潮不见墙基，抛石无法立脚，传统施工方法无法进行，由此我们推荐采用预制高强度，耐久性好的预制钢筋砼U型板桩直接在老墙外2m打设成墙，保护老墙及堤防。
出于安全经济考虑，我们在可研基础上降低岸墙顶高程至2.60m，变堤岸合一为堤岸分离，从而减少板桩墙的桩顶变形量，内侧堤防采用双直墙式，减少堤身荷载，节省投资，处理断面示意图如下：
图3-2 狗颈塘（KL7+200~KL8+000）段设计断面
对于与狗颈塘类似的机场路延伸段紧邻江堤处（KR7+450~KR8+200段）堤防，我们同样推荐采用老墙外打设预制钢筋砼U型板桩成墙。
4、板桩方案结构计算
预制钢筋砼U型板桩作为本工程重点防护堤段（严重冲刷段）的主要防冲措施，是保护奉化江堤防乃至鄞州新城区的主要屏障，其重要性不言而喻。我们对本KL7+200~KL8+000段和KR7+450~KR8+200段的板桩的嵌固深度及桩长进行计算明确，并对板桩的抗弯、变形和桩身强度进行复核。
根据严重冲刷段的位置、地质分布情况和堤防断面代表性，板桩计算选取桩号KL7+700和KR7+750断面作为各严重冲刷段计算典型断面。板桩的嵌固深度计算及桩身变形验算选取最不利工况：经设计洪水淘蚀坡脚后水位骤降至年平均低潮位工况（冲坑深度见表5-8）；根据《水工挡土墙设计规范》，无锚碇板桩墙体入土深度计算简图（图B.0.2）和公式如下：
t=t0+Δt （5-4）
（5-5）
式中： t——墙体入土深度（m）；
t0——墙体入土点至理论转动点N的深度（m）；
Δt——N点以下的墙体深度（m）；
Ep'——主动和被动土压力作用下对N点以上墙体求矩至N点合力矩为零时的合力（kN/m）；
Ka——主动土压力系数；
Kp——被动土压力系数。
无锚碇的板桩式挡土墙的墙顶水平位移计算简图(图C.5.1)和公式如下：
Δ=χ0+φ0H+χ1 （5-6）
式中： Δ——无锚碇的板桩式挡土墙墙顶水平位移（m）；
χ0、φ0——板桩式挡土墙入土点的水平变位（m）和转角变位（rad），可按”m“法或其他竖向弹性地基梁法计算；
H——挡土高度（m）；
χ1——假定墙体为悬臂梁（入土点为固端）时的墙顶水平变位（m），可按材料力学方法计算。
根据以上公式对上述2个典型断面的无锚碇的板桩式挡土墙进行极限平衡嵌固深度验算及板桩自身变形计算，计算结果见表4-1。
表4-1 冲刷段代表断面板桩墙计算成果表
根据计算结果可选用先张法U形预应力混凝土板桩（图集号ZPZ-QG-BZ001 2010）中的U-CS-600-Ⅲ能满足要求。顶点位移的控制采用桩顶浇筑钢筋砼帽梁将成排数桩锁定，以20m为一个单元，合20根板桩为一体，可有效减小桩顶变形量至2cm以内。
5、结语
目前，奉化江U形板桩已经施工完成，作为一种新技术、新工艺在天然河道防冲设计中有值得推广的的价值。
需咨询业务请联系舒工：TEL：315593592；QQ：315593582；
