黃河下游控導(dǎo)土工枕布護坡?lián)岆U關(guān)鍵技術(shù)研究

包家全，樊好河，羅延婷，陳彥來

（1.新鄉(xiāng)黃河河務(wù)局 原陽黃河河務(wù)局，河南 原陽 453500；2.新鄉(xiāng)黃河水利工程維修養(yǎng)護有限公司，河南 原陽 453500；3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

1 引 言

黃河下游不僅是舉世聞名的“地上懸河”，還是槽高、灘低、堤根洼的“二級懸河”，素有“三年兩決口、百年一改道”之說，此特點對其防洪工作構(gòu)成極大威脅。新中國成立后，人們在黃河下游修建了大量傳統(tǒng)柳石結(jié)構(gòu)的壩垛，該工程對控制主溜、縮窄河勢游蕩范圍具有重要作用，但壩體基礎(chǔ)施工不能一次性達到河床極限沖刷深度以下，主要靠多年搶險過程中搶險人員采取一定的搭配比例將土石料、柳秸料等搶險材料有機組合做成柳石枕、柳石摟廂等，通過緩流落淤、固腳防沖、濾水保土措施對土壩基進行護坡護根來維持壩坡穩(wěn)定性［1］。因此，傳統(tǒng)工程技術(shù)存在搶險頻繁、搶護費用高等問題，同時我國對生態(tài)環(huán)境保護日益重視，土石料、柳秸料等采集尤為困難，對于采集后遭到破壞的生態(tài)環(huán)境，需投入巨額資金才能得以修復(fù)，在一定程度上影響了搶險工作的順利進行。

土工織物的出現(xiàn)為搶險技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了條件［2］，其具有環(huán)保、耐腐蝕、抗撕裂、反濾排水效果好、儲存運輸方便、現(xiàn)場加工高效快捷等優(yōu)點。自2000年以來，工程施工及防汛搶險中土工織物的應(yīng)用逐年增多，工程防護經(jīng)常采用土工包，其閉氣效果好，但單個土工包質(zhì)量較小，多個土工包之間有間隙，受水流沖刷容易下滑走失，使其水下整體防護性差，固腳抗沖作用弱。針對以上問題，本文充分考慮搶險工程施工需求和險情類別，參考原陽馬莊潛壩［3］、武莊鉛絲籠沉排護岸［4］等有關(guān)土工織物筑壩設(shè)計資料，開展黃河下游控導(dǎo)土工枕布護坡?lián)岆U關(guān)鍵技術(shù)研究，將該技術(shù)應(yīng)用于原陽仁村堤護灘工程，進行應(yīng)急除險加固，同時對該技術(shù)產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益進行評估，以充分驗證其應(yīng)用效果。

2 土工枕布組成及壩坡布置

土工枕布主要由丙綸長絲機織土工布和沙土組成，其中：丙綸長絲機織土工布標(biāo)準(zhǔn)克重為260 g／m2，布幅寬3.5 m；沙土選用河灘土，河邊就地取材即可。在壩頂、水下坡腳各布置1個土工枕（上枕、下枕直徑均為1 m）；中間土工布緊貼壩坡鋪設(shè)，以避免土體流失，提高壩坡的穩(wěn)定性，且土工布將上枕、下枕連成一體，使其整體性好，防護力強。上枕的作用是通過壩坡土工布牽拉下枕，避免壩頂及水上壩坡水溝浪窩的形成；下枕的作用是護腳，在依靠其自重向下滾動的同時，壩坡表面土工布能夠完整展開，全面保護壩坡。土工枕布在壩坡布置的剖面示意見圖1（圖中：L1為水上坡長；L2為水下坡長；i1為水上坡比；i2為水下坡比）。

圖1 土工枕布在壩坡布置的剖面示意

3 土工織物的選擇

根據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB／T 50290—2014）［5］，用于反濾、排水的土工織物應(yīng)符合反濾準(zhǔn)則（保土性），即土工織物孔徑應(yīng)與被保護土粒徑相匹配，防止骨架顆粒流失引起土工織物滲透變形。土工織物的保土性要求如下：

式中：O95為土工織物的等效孔徑；d85為泥沙特征粒徑，被保護土中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土?？傎|(zhì)量的85%；B為與被保護土的類型、級配或土工織物品種等有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，取值見表1。

表1 經(jīng)驗系數(shù)B的取值

黃河下游河南段河道內(nèi)各級泥沙粒徑范圍對應(yīng)的泥沙含量見表2，該數(shù)據(jù)源自黃河水利科學(xué)研究院統(tǒng)計的黃河下游河道內(nèi)土壤顆粒級配試驗資料，可得河道泥沙特征粒徑d85為0.15～0.20 mm，且河槽泥沙粒徑明顯大于灘地泥沙粒徑。

表2 黃河下游河南段河道各級泥沙粒徑范圍對應(yīng)的泥沙含量 %

原陽河段位于花園口—中牟河段，被保護土的細粒含量＞50%，同時本文選用的丙綸長絲機織土工布為有紡織物土工布，其產(chǎn)品參數(shù)O95為0.087 mm，因此B值取1.0，則0.15 mm＜Bd85＜0.20 mm，O95＜Bd85，說明選用的土工布符合規(guī)范要求。

4 土工枕布護坡穩(wěn)定性計算與分析

為驗證土工枕布的護坡作用，結(jié)合仁村堤護灘工程的實際情況，通過建立幾何分析模型并采用摩根斯頓—普賴斯法計算天然工況下土工枕布使用前后的壩坡穩(wěn)定性系數(shù)［6－9］。根據(jù)工程資料并結(jié)合工程經(jīng)驗提出壩坡的穩(wěn)定性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：天然容重為17.0 kN／m3，飽和容重為17.5 kN／m3，內(nèi)聚力為23 kPa，內(nèi)摩擦角為21°。

4.1 未使用土工枕布的壩坡穩(wěn)定性分析

在壩坡未使用土工枕布之前，對原始土質(zhì)壩坡進行穩(wěn)定性系數(shù)計算，可得出該壩坡的最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.061（見圖2）。參考《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB／T 32864—2016），滑坡穩(wěn)定狀態(tài)可根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)Fs進行劃分：Fs＜1.00，滑坡不穩(wěn)定；1.00≤Fs＜1.05，滑坡欠穩(wěn)定；1.05≤Fs＜1.15，滑坡基本穩(wěn)定；Fs≥1.15，滑坡穩(wěn)定。

圖2 未使用土工枕布的壩坡穩(wěn)定性

在沒有使用土工枕布的情況下，在河水的侵蝕淘刷作用下，坡面上會產(chǎn)生侵蝕坑。假設(shè)坡面上產(chǎn)生一個較小的侵蝕坑，對有侵蝕坑的壩坡進行穩(wěn)定性系數(shù)計算，可得出最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.053（見圖3）。依據(jù)上述滑坡穩(wěn)定狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)可判斷壩坡仍為基本穩(wěn)定狀態(tài)，但其穩(wěn)定性有所降低［10］。

圖3 產(chǎn)生侵蝕坑的壩坡穩(wěn)定性

隨著侵蝕作用的加強，侵蝕坑逐漸變大，侵蝕坑上部土體產(chǎn)生塌方，在沒有人為干預(yù)的作用下，產(chǎn)生侵蝕坑—塌方—侵蝕坑變大—再塌方的現(xiàn)象會長期反復(fù)地發(fā)生。當(dāng)這種侵蝕作用在壩坡土體內(nèi)發(fā)展到一定程度時，會產(chǎn)生壩坡土體流失更多、壩坡更陡的狀況，計算得出侵蝕作用加強后壩坡的最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.048（見圖4），壩坡已處于欠穩(wěn)定狀態(tài)［11］。

圖4 侵蝕作用加強后的壩坡穩(wěn)定性

4.2 使用土工枕布后的壩坡穩(wěn)定性分析

對于采用土工枕布防護的壩坡，下枕起到一定的護腳作用，再結(jié)合土工枕外側(cè)散石強有力的護腳作用，下枕會長期保持穩(wěn)定。土工枕外側(cè)散石出現(xiàn)走失時，就立即拋散石，保證下枕穩(wěn)定，進而保證壩坡穩(wěn)定。在土工枕布的護坡作用下，只要下枕穩(wěn)定，坡面上就不會產(chǎn)生侵蝕坑，也不會存在侵蝕作用加強、侵蝕坑變大的問題。計算得出使用土工枕布后壩坡的最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.061（見圖5），說明壩坡能長期保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 采用土工枕布防護的壩坡穩(wěn)定性

5 土工枕布護坡現(xiàn)場搶險應(yīng)用實例

5.1 搶險應(yīng)用背景

2019年6月11日，黃河防洪運行機制啟動，小浪底水庫下泄洪水。此時，洪水自三官廟工程以橫河形勢頂沖仁村堤護灘工程，仁村堤護灘工程中1～19號垛靠河，其中：1～8號垛邊溜，9～19號垛主溜，且主溜有上提趨勢。按照設(shè)計單位編制的《仁村堤護灘工程應(yīng)急除險加固方案》（以下簡稱《加固方案》）要求，根據(jù)主溜上提趨勢與搶點護線原則，首先對水毀工程嚴(yán)重的3號垛進行除險加固。施工工序為土工包水中進占（進占長度為25 m，單個土工包尺寸為6 m×1 m×1 m）→水上土方填筑→拋散石→鉛絲籠護坡。

上述工序完成后，隨著河勢上提，3號垛由邊溜變?yōu)榇罅镯敍_，經(jīng)探測壩前水深，已由設(shè)計水深6 m變?yōu)?4～16 m。同時，水流淘刷壩基底部，備塌體走失，壩坡下部部分坦石走失，土工包發(fā)生位移，導(dǎo)致填筑土方坍塌入水。為控制險情發(fā)展，原陽黃河河務(wù)局立即組織施工人員按照《加固方案》重新進行土工包進占及水上土方填筑，待土方填筑完畢后，立即開展土工枕布的加工、鋪設(shè)、裝土、縫枕、推枕等工序。

5.2 土工枕布護坡現(xiàn)場搶險作業(yè)

土工枕布護坡操作共有七步。

第一步，按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)將進占土工包及水上土方填筑到位后，根據(jù)3號垛實際需要防護尺寸對土工布進行裁剪、縫制。具體操作如下：

（1）在迎水面、背水面直線段分別采用8塊和3塊長22.26 m、布幅寬3.50 m的土工布縫合成矩形土工布。土工布縫合方向與縱向受力方向一致，縫合寬度為0.30 m［5］，縫合4道。對于圓頭扇形土工布的縫合，先采用長22.26 m的矩形土工布沿對角線裁出7塊高22.26 m、底邊長3.50 m的三角形土工布，再與長22.26 m的矩形土工布縫合，按照一定順序?qū)⑷切瓮凉げ己途匦瓮凉げ伎p合成扇形，最終加工成的土工布示意見圖6。

圖6 土工布加工縫制示意

（2）用長54.83 m、布幅寬3.50 m的矩形土工布與上述加工好的土工布短邊縫合，用于制作上枕。縫合部位在距3.50 m寬土工布外邊緣1.00 m處，即把布幅寬3.50 m的土工布在1.00 m處對折，對折后土工布一邊寬2.50 m、一邊寬1.00 m；縫合時，接口處長邊為2.50 m，短邊為1.00 m，長邊在下，采用此縫合方法可以提高接縫處抗拉強度。采用同樣方法將長78.47 m、布幅寬3.50 m的矩形土工布與上述加工好的土工布長邊縫合，用于制作下枕，為防止縫合部位受下枕拉力過大而撕裂，縫合6道。

第二步，在壩垛外口下0.5 m處預(yù)留1條寬1.5 m左右的平臺，在平臺上挖出寬0.5～0.8 m、深0.5～0.8 m的溝槽。

第三步，將縫制好的扇形土工布短邊（長54.83 m）放在溝槽內(nèi)（縫合毛邊在上），余布放在壩頂內(nèi)沿處，用挖掘機向溝槽內(nèi)土工布上放土并均勻壓實，再用縫包機對上枕兩頭縫合結(jié)實緊密（見圖7）。

圖7 制作上枕過程

第四步，將余布拉到壩坡上，在上枕上面均勻覆蓋厚度為0.5～0.8 m的土層，用挖掘機鏟斗在其頂部外口處壓出深0.5～0.6 m、寬0.6～0.8 m的溝槽，將扇形土工布長邊（長78.47 m）上拉放于溝槽內(nèi)。

第五步，用挖掘機向溝槽內(nèi)土工布上放土，用縫包機對下枕兩頭縫合結(jié)實緊密（見圖8）。

圖8 縫合完成后的下枕

第六步，用挖掘機將縫合完成后的下枕推入水中，下枕拉動壩坡土工布向下滑動，使土工布緊貼壩坡，保護壩坡土體不被水流淘刷。

第七步，待下枕入水穩(wěn)定后，先在壩坡土工布表面覆蓋厚度為0.2～0.3 m的土層，再用挖掘機由下至上將土層壓實均勻，最后拋散石及鉛絲籠備塌體，鉛絲籠備塌體寬1.0 m、出水高度0.5 m（見圖9）。

圖9 土工枕布護坡穩(wěn)定后拋散石

施工完畢后，3號垛長時間遭受大溜沖刷，根石、坦石和鉛絲籠備塌體隨土工布下蟄入水，及時進行補石后，土工枕布防護使壩坡沒有再出現(xiàn)土體流失的險情，這充分說明土工枕布護坡?lián)岆U關(guān)鍵技術(shù)取得初步成功，該技術(shù)對壩坡防護效果良好。隨后，對2號垛、1號垛進行除險加固，在施工過程中，大溜逐漸上提。為避免出現(xiàn)3號垛的類似情況，在按照《加固方案》完成土工包水中進占、水上土方填筑后，及時增加鋪設(shè)土工枕布護坡護根工序，在土工枕布外側(cè)拋散石及鉛絲籠備塌體（寬4 m），經(jīng)長時間大溜沖刷，備塌體下蟄入水3 m后，壩坡土體沒有再出現(xiàn)險情，節(jié)約了搶險費用。土工枕布護坡的實施對仁村堤護灘工程及時、順利完工起到了關(guān)鍵作用。

2020年6月22日，黃河防洪運行初期，在該工程19號垛以下1 200 m護岸也采用了土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)，不但降低了險情發(fā)生概率，而且在雨季大大降低了壩坡土體的流失量。

5.3 土工枕布護坡效益分析

5.3.1 社會效益分析

1～3號垛以及19號垛以下1 200 m護岸應(yīng)用土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)至今，壩坡土體沒有出現(xiàn)險情，保障了沿黃生態(tài)大道和灘區(qū)群眾的生命財產(chǎn)安全，大大降低了主溜頂沖堤防的概率，防洪效益、社會效益顯著。

5.3.2 經(jīng)濟效益分析

（1）2019年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。仁村堤護灘工程3號垛按照《加固方案》完成施工后，由于水流淘刷壩基底部，鉛絲籠備塌體下蟄入水，下部部分坦石走失，土工包發(fā)生位移，導(dǎo)致填筑土方坍塌入水。經(jīng)現(xiàn)場探測與計算，走失工程量為坦石石方333.0 m3，進占土工包體積377.3 m3，填筑土方377.3 m3。

對于土工枕布的制作拋投，分配1名指揮員、3名技術(shù)人員、6名民工，使用1臺挖掘機、4臺封口機、1臺發(fā)電機、2把鐵鍬，使用丙綸長絲機織土工布、縫包線等，每完成1個土工枕布需3～4 h。3號垛坍塌體積恢復(fù)與土工枕布制作和拋投費用見表3（下枕土方為外調(diào)土方，單價為綜合單價；上枕土方利用壩體土方，其費用不予計算），可得3號垛坍塌體積恢復(fù)費用為150 066.59元，土工枕布制作、拋投費用為20 595.33元，二者費用之差129 471.26元即為產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

表3 3號垛坍塌體積恢復(fù)與土工枕布制作、拋投費用

（2）2020年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。2020年黃河防洪運行期間，為確保該工程19號垛以下1 200 m護岸的安全，緊急搶修了3座垛（編號為20～22）。其中20號垛沒有采用土工枕布護坡，導(dǎo)致出險3次，累計動用土方86.0 m3，石方250.0 m3，搶險費用為84 091.72元；21號垛采用了土工枕布護坡，僅部分坦石下蟄入水，累計動用石方30.0 m3，丙綸長絲機織土工布1 083.80 m2，搶險費用為18 707.80元。20號垛與21號垛搶險費用之差65 383.92元即為產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

對比2019年、2020年搶險情況可知，土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)的應(yīng)用，大大減少了搶險中人力、財力、物力的投入，經(jīng)濟效益十分顯著。

5.3.3 環(huán)境效益分析

土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)中主要應(yīng)用材料為土工布和沙土，其中：土工布環(huán)保，具有較高的耐酸堿性、耐老化性等，在水下壽命可達60 a；沙土可就地取材。因此，采用土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)可以大大減少對土石料、柳秸料、木樁等傳統(tǒng)搶險材料的使用，一定程度上避免了土石料開采、柳樹砍伐等造成的生態(tài)環(huán)境破壞，環(huán)境效益顯著。繼2020年6月在仁村堤護灘工程19號垛以下1 200 m護岸對土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)進行推廣應(yīng)用后，2021年6月3日又在該工程1 700 m至1 900 m護岸進行了應(yīng)用，效果良好，說明該技術(shù)具有較大的推廣應(yīng)用價值。

6 結(jié) 語

應(yīng)用土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)能夠有效控制險情的發(fā)展，大大降低水流對壩坡土體沖刷而造成的垮壩、斷壩等出險概率，減輕或避免灘區(qū)群眾的財產(chǎn)損失。通過與傳統(tǒng)保護壩穩(wěn)定的搶險方法對比，土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)有以下優(yōu)點：一是整體性好，防護力強；二是預(yù)留了壩前沖刷長度，能適應(yīng)洪水沖刷深度；三是利用上枕、下枕自身質(zhì)量使壩坡土工布處于繃緊狀態(tài)，大大提高了壩坡的穩(wěn)定性；四是搶險費用明顯降低。