治河工程中護(hù)岸導(dǎo)流新結(jié)構(gòu)研究綜述

繆吉倫，張永祥，周家俞

治河工程中護(hù)岸導(dǎo)流新結(jié)構(gòu)研究綜述

繆吉倫1，2，張永祥1，周家俞2

（1．重慶大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400030；2．重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程研究所，重慶 400016）

河道整治工程中護(hù)岸導(dǎo)流多采用土石結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易受沖蝕，造成生險頻繁、搶險被動，工程維護(hù)費(fèi)用高。多年來水利工作者一直在探索施工簡便、投資省、效果好的新型護(hù)岸導(dǎo)流結(jié)構(gòu)型式?？偨Y(jié)了國內(nèi)外護(hù)岸導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的最新應(yīng)用技術(shù)，并比較了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，指出了今后的發(fā)展方向，可供設(shè)計參考。

護(hù)岸；結(jié)構(gòu)；丁壩

1 概 述

我國自古以來在許多水利工程中就采取了丁順壩作為護(hù)岸導(dǎo)流的手段。壩體傳統(tǒng)上采用土石材料，如木樁式丁壩、土丁壩、柳石丁壩或拋石筑壩。它們有時難以滿足護(hù)岸工程的需要，如柴排、柴枕、榪槎耐久性差；拋石易遭水流沖刷而走失；砌石和混凝土面板護(hù)坡適應(yīng)變形的能力弱，且常因水流淘刷而被架空破壞等。特別是平原地區(qū)石料缺乏，拋石結(jié)構(gòu)造價高、進(jìn)度慢、需要人力多，同時大量石料開采也有悖生態(tài)環(huán)保要求。因此，應(yīng)用新理論、新材料、新工藝開發(fā)研制新型護(hù)岸結(jié)構(gòu)一直是人們努力的目標(biāo)。近年來，水利工程者不斷利用新材料、新技術(shù)和新工藝進(jìn)行新型護(hù)岸導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的試驗研究，并在長江、黃河上得以運(yùn)用，如鋼筋混凝土灌注樁壩、充沙土工反濾布長管袋褥墊沉排壩、鋼筋混凝土水力插板樁新結(jié)構(gòu)壩等都被證明是較成功的新壩型。在長江、淮河上也采用沙枕填芯塊石蓋面的混合型結(jié)構(gòu)。本文將對國內(nèi)外護(hù)岸導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的最新應(yīng)用技術(shù)作一總結(jié)，供設(shè)計施工參考。

2 新型壩體結(jié)構(gòu)

護(hù)岸結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)上采用土石體，但由于石料缺乏的原因或因易于沖刷破壞，混凝土結(jié)構(gòu)在護(hù)岸導(dǎo)流工程中得到了廣泛應(yīng)用。同時，鋼塑復(fù)合材料或土工合成材料結(jié)構(gòu)也迅速發(fā)展。

2．1 雷諾護(hù)墊壩

河南黃河河務(wù)局采用意大利馬克菲爾公司生產(chǎn)的雷諾護(hù)墊在新鄉(xiāng)原陽武莊控導(dǎo)工程中修建了一道雷諾護(hù)墊試驗壩。雷諾護(hù)墊因其最先應(yīng)用于意大利的雷諾河得名，系采用以機(jī)編六邊形低碳鋼絲網(wǎng)面制成的網(wǎng)墊，鋼絲表面處理采用鍍鋅＋覆塑雙重防腐，在網(wǎng)墊內(nèi)填充合乎一定規(guī)格的石塊共同構(gòu)成防護(hù)結(jié)構(gòu)。一般雷諾護(hù)墊大小為厚0．3 m，寬2 m，長6 m。

圖1 雷諾護(hù)墊示意圖Fig．1 Sketch diagram of Reynolds protection pad

雷諾護(hù)墊由于采用機(jī)編六邊形低碳鋼絲網(wǎng)面加上硬質(zhì)石頭聯(lián)合形成了耐久性很強(qiáng)的整體，能適應(yīng)河岸的局部沉陷變形，并且可以自行調(diào)整愈合，阻止變形繼續(xù)發(fā)展。表面經(jīng)自然沉積泥沙后，可較迅速地生長植被，促進(jìn)周邊微生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，能保證天然水體與地下水的自然交換，透水性好，環(huán)保效果佳。同時網(wǎng)墊內(nèi)還可采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法利用的碎石或鵝卵石，較拋石成本低。結(jié)構(gòu)使用壽命長，且無需維護(hù)。

2．2 混凝土榪杈

傳統(tǒng)上透水減速護(hù)岸結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土網(wǎng)格排、木榪杈、掛柳等，這類結(jié)構(gòu)能局部改變水流流態(tài)，降低流速，使其沖淤態(tài)勢轉(zhuǎn)變，達(dá)到淤岸護(hù)坡的效果。鋼筋混凝土網(wǎng)格護(hù)岸效果雖好，但基礎(chǔ)需要有足夠的埋深，水下施工較為復(fù)雜。木榪杈、掛柳等易于腐爛沖毀，維護(hù)工程量大，一般作為臨時性結(jié)構(gòu)。

西北水利科學(xué)研究所的科研人員提出了鋼筋混凝土四面六邊體透水框架結(jié)構(gòu)（混凝土榪杈）治河護(hù)岸技術(shù)。該結(jié)構(gòu)由6根長度相等的混凝土桿件相互連接構(gòu)成，呈正三棱錐體（見圖2），桿長1 m?；炷翗q杈為透水建筑物，能柔性地調(diào)整水流，顯著地降低流速；其自身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，耐久性好。此外，它四面是等腰三角形，接觸面積較大，穩(wěn)定性能良好，不存在基礎(chǔ)與根石沖刷問題，具有良好的防沉陷等優(yōu)點。施工簡便，可以在河床上按需要布置移動，可任意拋放，重復(fù)使用?；炷翗q杈構(gòu)件可實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。據(jù)有關(guān)資料分析，透水框架一次性施工費(fèi)用與拋石固腳費(fèi)用大致相當(dāng)，但其長期維護(hù)費(fèi)用明顯低于拋石結(jié)構(gòu)，且護(hù)岸效果優(yōu)于拋石體。在長江江西河段和陜西渭河下游已得到試驗應(yīng)用［1］。

圖2 混凝土榪杈結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure chart of concrete fork

2．3 鋼筋混凝土插板樁壩

黃河中下游河道河床多為粉質(zhì)細(xì)砂，抗沖性差，近幾年來，鋼筋混凝土水力插板樁新結(jié)構(gòu)壩在河口地區(qū)得以應(yīng)用［2］。水力插板樁運(yùn)用水力沖填技術(shù)，通過板樁底部的噴水管產(chǎn)生的高壓噴水切槽，靠自重使板樁沉入地基。板樁與設(shè)置在板樁頂部的聯(lián)系梁共同維持穩(wěn)定。板樁預(yù)制成型后，再運(yùn)至施工現(xiàn)場后即可進(jìn)行沉樁施工，施工速度快。

插板樁壩不需要大量的土方和石料。運(yùn)用水力插板樁做成的壩岸，施工速度快，抗沖刷效果明顯，能有效地減少搶險概率。插板樁壩施工造價較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)土石壩一般都有較大幅度的增加，但從已建工程近幾年搶險及管理費(fèi)用來看，插板樁壩明顯較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)土石壩減少。因此雖然插板樁壩一次性工程投資較大，但搶險維護(hù)費(fèi)用減少，經(jīng)濟(jì)效益較大。黃河下游河口地區(qū)八連控導(dǎo)工程、十四公里工程等在設(shè)計中采用水力插板樁護(hù)岸，勝利油田管理局已在河口地區(qū)全面推廣使用該技術(shù)，施工方式及方法已比較成熟，在技術(shù)上是可行的。

類似結(jié)構(gòu)有PHC管樁丁壩［3］、板樁丁壩護(hù)岸結(jié)構(gòu)，這種護(hù)岸技術(shù)在阿姆河、密西西比河、密蘇里河及漢江上都有成功的先例。

2．4 混凝土鉸鏈沉排

混凝土連鎖板早在20世紀(jì)30年代就應(yīng)用在美國密西西比河上。鉸鏈混凝土沉排（簡稱鉸鏈沉排）是通過鋼制扣件或套環(huán)將預(yù)制混凝土塊連接并組成排體的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式。

鉸鏈排單元由系排梁、排墊、鉸鏈混凝土板、壓載體（砂枕或拋石等）組成。系排梁起固定排首的作用；排墊采用200 g／m2的單層聚丙烯編織布加筋而成；鉸鏈混凝土板起抗沖和壓重作用，單塊板之間用鋼筋圓環(huán)或加筋帶連接；壓載體通常采用拋石或沙枕，將混凝土板在排墊上鋪好綁扎后，用沉排船沉放在岸灘上，再拋投壓載體。

混凝土鉸鏈排為平順護(hù)岸結(jié)構(gòu)，能較好地適應(yīng)河床在頂沖水流作用下出現(xiàn)的調(diào)整，整體性和穩(wěn)定性好，不改變河流近岸水流結(jié)構(gòu)，防沖保沙性好、且能增強(qiáng)河床河岸的抗沖能力。板塊可以在工廠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化大量生產(chǎn)，適用于大小江河的整治工程。

圖3 混凝土鉸鏈排示意圖Fig．3 Sketch diagram of concrete hinge tier

2．5 土工材料結(jié)構(gòu)

土工合成材料是以人工合成的聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯等作為原材料制成的產(chǎn)品。國外在水利工程中應(yīng)用土工合成材料較早，由于土工合成材料具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、施工簡便、工期短、造價低等諸多優(yōu)點，因而在國內(nèi)引進(jìn)后發(fā)展很快，并取得了一些成功經(jīng)驗。土工合成材料護(hù)岸型式可歸結(jié)為以下幾種：①模袋混凝土護(hù)岸；②充填長管袋沉排壩體；③土工網(wǎng)或土工格柵石籠；④土工網(wǎng)墊草皮護(hù)坡。

2．5．1 模袋混凝土護(hù)岸

模袋混凝土護(hù)岸是將混凝土或砂漿用泵灌入由合成纖維制成的模袋內(nèi)固化形成混凝土護(hù)面層鋪護(hù)在岸坡上。模袋混凝土護(hù)岸整體性好，抗風(fēng)浪沖擊能力強(qiáng)；施工機(jī)械化程度高，施工質(zhì)量易于控制，不需要模板；適合各種復(fù)雜的地形，可以在水上及水下同時施工，無需鋪設(shè)反濾層，并能大面積一次鋪筑成型，施工速度快，但造價相對較高；水下施工不需要修筑圍堰，因此也可在搶險工程中發(fā)揮重要作用。模袋混凝土護(hù)岸在長江中下游采用模袋混凝土護(hù)岸時間還不長，近幾年在江陰、九江、揚(yáng)州等地實施了模袋混凝土護(hù)岸試驗工程，取得了一定的效果。

2．5．2 充填長管袋沉排壩體

抽沙充填長管袋褥墊沉排壩施工首先進(jìn)行泥槳泵基坑開挖，人工鋪設(shè)好長管袋褥墊后，用泥槳泵充填泥沙至褥墊內(nèi)。待第1個管袋充沙完成后，將袖口暫時扎死，再開始充第2個、第3個管袋，直到塊體管袋全部充沙。為解決管袋充滿后充沙量達(dá)不到設(shè)計要求的問題，實際操作中采取循環(huán)充填4至5遍的方法，使充填后管袋內(nèi)泥沙飽滿度為70%～80%。最后將充沙袖口用尼龍繩扎死，即完成了沉排塊體的鋪設(shè)。以同樣方式鋪設(shè)、充填長管袋，反復(fù)上述過程，直至完成沉排施工。

充填長管袋沉排壩為新材料、新結(jié)構(gòu)壩型。材料為抽取的河砂，便于就地取材，構(gòu)造成砂袋壩，可代替柳石枕，投資省，工期短。黑崗口－柳園口河段左岸封丘縣荊隆宮鄉(xiāng)順河街河道整治工程采用此工藝。

2．5．3 土工網(wǎng)或石籠

土工網(wǎng)、土工格柵石籠采用高強(qiáng)度的土工繩網(wǎng)或土工格柵制成的圓柱形或矩形籠罩（如耐特籠），內(nèi)裝卵石、塊石、礫石等，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴枕、鉛絲石籠護(hù)岸護(hù)腳，也可用于臨時搶險。土工網(wǎng)或土工格柵石籠的主要優(yōu)點是較傳統(tǒng)的柴枕、鉛絲石籠經(jīng)濟(jì)、耐用，對土壤與水質(zhì)無污染，且制作容易。黃河上也有些護(hù)岸工程采用土工網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)。

2．5．4 土工網(wǎng)墊草皮護(hù)坡

土工網(wǎng)墊草皮護(hù)岸是近年來國內(nèi)引進(jìn)的一種護(hù)岸新技術(shù)。它將草的根系固土作用和土工網(wǎng)墊固草防沖作用結(jié)合起來，比一般草皮護(hù)坡具有更高的抗沖能力，在河道工程中適用于水流平緩處。

采用土工材料護(hù)岸結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：①適應(yīng)河床變形，抗沖性能好；②節(jié)約石料，就地取材，料源充足，降低工程造價40%～60%；③施工簡易，操作方便；④環(huán)保污染小。缺點是長期暴露在水上受紫外線照射易老化，強(qiáng)度很快降低，須加強(qiáng)保護(hù)措施。

2．6 其它結(jié)構(gòu)

美國衣阿華水利研究所（IIHR）于20世紀(jì)80年代提出潛沒式導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，是一項保護(hù)彎道凹岸的新技術(shù)。日本學(xué)者Odgaad對翼板法防侵蝕技術(shù)進(jìn)行了研究。這兩種結(jié)構(gòu)的原理是改變彎道的環(huán)流結(jié)構(gòu)，使環(huán)流變形，離開凹岸向凸岸發(fā)展，達(dá)到保護(hù)河灣的目的。我國浙江省結(jié)合浙北平原地區(qū)航道的實際情況，選取透水性預(yù)制砼沉箱式護(hù)岸，對混凝土劈離塊護(hù)岸也進(jìn)行了研究。在遼河上采用了前控式孔板護(hù)岸技術(shù)［4］，經(jīng)過實際應(yīng)用，均取得了良好效果。

3 各種護(hù)岸結(jié)構(gòu)特點比較

護(hù)岸結(jié)構(gòu)多種多樣、各具特色，從材料看可分石料、混凝土、土工織物等；從型式看可分為散拋體、樁板式、模袋式等。結(jié)構(gòu)的選擇涉及河勢、河床演變、施工工藝、投資等諸多因素，實際應(yīng)用的護(hù)岸效果也不同。各種護(hù)岸結(jié)構(gòu)比較見表1。

表1 各種護(hù)岸結(jié)構(gòu)比較表Table 1 Comparison of various bank protection structure

4 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，河道護(hù)岸導(dǎo)流工程中傳統(tǒng)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)逐步被新材料、新結(jié)構(gòu)所代替。在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合河道水流特點、河勢條件，以及材料來源、投資、施工等比較后選擇合理的防護(hù)結(jié)構(gòu)，今后還應(yīng)加強(qiáng)對護(hù)岸工程新材料、新技術(shù)護(hù)岸工程的破壞機(jī)理、適應(yīng)條件及護(hù)岸效果的研究工作。

傳統(tǒng)的河道護(hù)岸工程，采用土石或混凝土結(jié)構(gòu)，形式單一，生態(tài)性差，景觀效果不理想，資源耗費(fèi)嚴(yán)重。近年來，國內(nèi)外對河道整治護(hù)岸型式提出了新理念，歐美國家提出了“自然設(shè)計方法”，發(fā)展了全新的“親近自然河流”概念和“自然型護(hù)岸”技術(shù)，日韓等國提出“與自然親近的治河工程”等理念。未來護(hù)岸導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，總體上是朝著生態(tài)護(hù)岸方向演化［5］。生態(tài)護(hù)岸是一種新型的護(hù)岸技術(shù)，它集生態(tài)效應(yīng)、自凈效應(yīng)、景觀效應(yīng)和防洪效應(yīng)于一體，是現(xiàn)代河流治理的發(fā)展趨勢。

［1］ 徐錫榮，唐洪武，宗 競，等．長江南京河段護(hù)岸新技術(shù)探討［J］．水利水電科技進(jìn)展，2004，（8）：26－28．（XU Xi-rong，TANG Hong-wu，ZONG Jin，et al．Study on Bank Protection Technology in Nanjing Reach［J］．Advance of Hydro-electricity Science and Technology，2004，（8）：26－28．（in Chinese））

［2］ 李宏偉，程紹杰．鋼筋混凝土插板樁壩在河道整治中的應(yīng)用［J］．中國水利，2003，（4）：60－61．（LIHong- wei，CHEN Shao-jie．Application with Reinforced Con-crete Pile Spiling-dike to River Regulation［J］．Chinese Journal China Hydraulic，2003，（4）：60－61．（in Chi-nese））

［3］ 張寶森．不搶險PHC管樁丁壩研究［J］．人民黃河，2008，（10）：31－32．（ZHANG Bao-sen．Study on No-rescue PHC Tube Spur-dike［J］．Chinese Journal Peo-ple’s Yellow River，2008，（10）：31－32．（in Chinese））

［4］ 李 良，董巧紅，于 穎．新型前控式孔板護(hù)岸原理及應(yīng)用［J］．東北水利水電，2007，（5）：6－7．（LI Liang，DONG Qiao-hong，YU Ying．The Principle＆Application of New Type Front-controlled Bank Protection［J］．Chi-nese Journal North-eastern Hydro-electricity，2007，（5）：6－7．（in Chinese））

［5］ 徐朝輝，步海濱，程巍華，等．內(nèi)河航道生態(tài)護(hù)岸的發(fā)展及應(yīng)用分析［J］．水運(yùn)工程，2009，（9）：107－110．（XU Zhao-hui，BU Hai-bin，CHENG Wei-hua，et al．Development and Application of Ecological Protection Bank for Inland Waterway［J］．Chinese Journal Port＆Waterway Engineering，2009，（9）：107－110．（in Chi-nese））

［6］ 趙渭軍，嚴(yán) 盛，宣偉麗．強(qiáng)潮河口樁式丁壩減沖促淤效果研究［J］．水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2006，（5）：324－329．（ZHAOWei-jun，YAN Sheng，XUANWei-li．Study of Erosion-lessening and Siltation-promotion Effect for Sheet-pile Groins under Strong Tidal Estuary［J］．Chi-nese Journal of Hydrodynamics，2006，（5）：324－329．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Review of New Structures of Bank Protection and Water Diversion in River Regulation Engineering

MIAO Ji-lun1，2，ZHANG Yong-xiang1，ZHOU Jia-yu2
（1．Department of Engineering Mechanics，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2．Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400016，China）

Soil-rock structure is often adopted to bank protection in river regulation engineering．It is easy to be de-stroyed．Dangerous situation happens frequently，and the maintain cost is high．In recent years，hydraulic engi-neers have looked forward to finding new structure，new materials，new process to reduce emergency．In this paper，the latest technology of bank protection and water diversion structure is summarized，and the advantages and short-comings of various structure are compared，the development direction in the future is also indicated．Thismay be a reference for the design of bank protection works．

bank protection；structure；spur dike

TV145

A

1001－5485（2011）03－0001－04

2010-04-06

繆吉倫（1971-），男，四川閬中人，副研究員，主要從事水利工程科研設(shè)計，（電話）023-68899688（電子信箱）jimcqcu＠163．com。