自適應(yīng)球體模袋岸坡防護技術(shù)研究及應(yīng)用探討

徐新華 徐雷諾 彭光華 王大勝 高慶國

（1.淮河水利委員會水文局（信息中心）蚌埠 233001 2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司合肥 230601 3.安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司 合肥 230000 4.淮河水利委員會沂沭泗水利管理局 徐州 221018）

1 岸坡崩塌破壞機理及防護技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前廣泛應(yīng)用的河道拋石護岸，由于石塊大小不易控制，棱角分明，拋投定位不準確等因素，石塊周圍形成的局部流態(tài)極為紊亂，當水流變化時，局部沖刷增加，沖坑加大，隨著時間的累積，石塊失衡，進而岸坡失衡，拋投的石料因厚度不均，在岸坡失衡后形成挑壩挑流，主流線局部改變，河勢不穩(wěn)定，不斷自然演變，形成新的險工，河道沖淤特性相應(yīng)改變。對于整體模袋混凝土、軟體排、雷諾護墊等防護方法，從目前統(tǒng)計資料看，由于受施工技術(shù)、材料、基礎(chǔ)墊層、岸坡基礎(chǔ)處理等多種條件限制，整體防護多因基礎(chǔ)淘空、局部沖刷而發(fā)生破壞，防護效果不理想。

2 自適應(yīng)球體模袋柔性護岸技術(shù)原理

針對目前護岸防護技術(shù)受局部沖刷影響失衡，拋投的石塊防護體不穩(wěn)定等問題，提出自適應(yīng)球體模袋柔性護岸技術(shù)方法（專利ZL201510692115.6），依靠土工布球體模袋柔性好的特點，可較好地適應(yīng)水下復雜地形，對水下因水流淘刷形成的局部沖坑，可依靠水流動力自動充填，從而保護岸坡及河底沖坑不再一步發(fā)展。球體模袋外形近似球型，水流條件較好，流線平順流態(tài)平穩(wěn)，可有效減少局部沖刷造成的塊體失穩(wěn)。球體模袋重量大小可依據(jù)河道實際情況調(diào)整及控制，球體模袋易加工，模袋內(nèi)沖填石子、黃砂等充填物，水位變動區(qū)根據(jù)情況添加水泥、粘土及膠粘緩凝劑形成人工石，球體模袋適應(yīng)河床變形后，外形穩(wěn)定。

針對拋石石塊大小不一，局部流態(tài)紊亂，局部沖刷造成石塊失衡。經(jīng)數(shù)值模擬分析，將拋投物體設(shè)計為球體模袋，減小局部沖刷，水流平順，流態(tài)平穩(wěn)，符合流體力學原理，當受水流作用時，明顯減小局部沖刷，模袋趨于穩(wěn)定，能保護岸坡穩(wěn)定。

3 主要技術(shù)特征分析

3.1 球體模袋外形設(shè)計及計算分析

經(jīng)計算并考慮人體力學原理，一般球體模袋直徑設(shè)計為30cm，模袋外層采用反濾針織土工布（一般200～250g/m2）,內(nèi)置充填物為1～20mm 的石子、黃砂及粘合劑（按比例配方），一般單個重量為22～25kg。根據(jù)《堤防設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）計算，可抵抗水底流速2.5m/s 左右。

根據(jù)土工布技術(shù)規(guī)范，土工布在水下無紫外線照射情況下，壽命可超過50年。

球體模袋：V=4/3·πR3=0.1413m3，充填物比重按1.8t/m3計，單個重量25.4kg。

3.2 球體模袋鏈式結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)局部調(diào)研分析，考慮到天然河道沖坑，水流動力等原因，試驗球體模袋直徑按30cm 左右設(shè)計采用，重量控制在20～25kg 左右，一般不超過30kg，以便于人工運輸及拋投并考慮自適應(yīng)要求，拋投采用雙層設(shè)計并設(shè)計3～5m 水平基礎(chǔ)平拋段，利于球體適應(yīng)水下地形。根據(jù)河道及工程情況可研究調(diào)整，考慮到淮河一般流速較小，球體之間暫不考慮增加聯(lián)系結(jié)構(gòu)，如流速加大，則考慮采用不同材質(zhì)進行外形及重量控制。

3.3 模袋生產(chǎn)加工技術(shù)

模袋采用土工布裁剪加工成球體，在后方工廠按專利要求集約化加工，保證模袋及充填物質(zhì)量。

模袋封口條帶為自帶索扣式，模袋扎口帶之間備有搭扣連接，便于模袋相互串聯(lián)或并聯(lián)，可根據(jù)需要串聯(lián)或并聯(lián)兩個或三個模袋，增加拋投重量。對長江等流速較大河段(拋投流速大于3m/s)，根據(jù)河道流速對球體模袋單體重量進行分析計算，加大單體重量設(shè)計，或?qū)⑶蝮w模袋聯(lián)成鏈式結(jié)構(gòu)，以增加拋投重量和穩(wěn)定防護效果。多個球體模袋串聯(lián)或并聯(lián)，形成更大球體，增加抗沖刷能力。

3.4 模袋充填物設(shè)計

模袋內(nèi)置充填物一般為2～20mm 的石子、黃砂等，單個重量控制為22～25kg，防汛搶險時可就地取材，充填粘土及石塊防止崩岸。

水位變動區(qū)因長時間受紫外線照射容易老化，采用人工石技術(shù)，根據(jù)情況增加水泥粘土及膠粘緩凝劑的混合物（石子、黃砂、水泥、粘合劑及水=4 ∶2 ∶1 ∶0.5 ∶0.5），達到不低于C15 混凝土強度，在30～60 天內(nèi)，逐步適應(yīng)河床變形后，穩(wěn)定敷在岸坡上，保護河床及岸坡穩(wěn)定，可較好地適應(yīng)表面不平的天然河道岸坡或河床。

4 施工工藝及方法研究

4.1 模袋拋投

首先對擬拋投斷面進行網(wǎng)格化分隔定位，每個網(wǎng)格為6m×6m，以便對拋投位置進行定位拋投。其次，球體模袋通過汽車運輸?shù)竭_施工現(xiàn)場后，采用船用或汽車起重機吊運拋投，每平方米拋投20～22 個模袋(雙層)，在河道岸坡與坡腳形成厚約60cm 的雙層模袋防護層，保護土體不受水流淘刷。

4.2 模袋水下拋投

采用多功能自動拋投船進行，模袋通過皮帶機自動轉(zhuǎn)運至拋投船并擺放整齊，拋投船通過GPS 自動定位及施工網(wǎng)格，自動均勻拋投，目前自動拋投船每次可拋投12m2。拋投完成后進行施工測量及檢測，發(fā)現(xiàn)不均勻部位，適當補拋。

5 應(yīng)用實例及前景展望

自適應(yīng)球體模袋岸坡防護技術(shù)能充分發(fā)揮現(xiàn)代土工布及普通中小顆粒碎石、泥土等充填物的優(yōu)點，通過專利技術(shù)形成合力用于岸坡防護，對緩解開采砂石資源量和保護環(huán)境有重要意義。球體模袋更符合液體力學原理，減少局部沖刷。常水位以上采用生態(tài)混凝土砌塊結(jié)合一體化模袋反濾墊層（專利技術(shù)）防護，可保證河道護坡墊層在大風浪淘刷情況下，墊層不流失，從而保證了岸坡穩(wěn)定。目前該技術(shù)已用于沙潁河支流商合杭高鐵泉河特大橋、淮南淮河大件碼頭、淮河取水口等工程岸坡防護，取得初步防護效果。今后將進一步總結(jié)積累經(jīng)驗，探索工程實踐，發(fā)揮其工程作用■