堤防工程新型护岸技术

　　一、前言

　　我国河流两岸有许多淤积形成的滩地，其抗冲性能差；大部分堤防是多年不断培修加高而成。随着人类活动和自然界的破坏，这些滩地和堤防均存在多种隐患，每年都有崩岸险情发生。仅1998年大洪水期间，长江中下游就发生崩岸险情达327处。

　　在枯水季节也常发生特大崩岸事例，如江西省彭泽县长江马湖段1996年1月3日与8日连续发生崩岸，毁坏防洪大堤1.2km、电排灌站一座、耕地272亩、民房92间、死亡24人，直接经济损失五千多万元。同样，在水位上升期或水位下降期也常出现崩塌，如湖北省咸宁大堤北门口在1994年6月11日，近百公里堤段后退400m，最大崩塌速率为55m/h，1998年10月14日又再次发生3小时内崩塌100m的险情。

　　崩岸造成堤外无滩直接导致堤防溃决，严重威胁堤防安全。如湖北省黄岗地区巴铺大堤的外滩自1959年到1989年一共后退1.3km.

　　由于崩岸给江岸堤防工程、两岸工农业生产及人民生命财产带来严重的威胁。因此开展对河道崩岸治理问题的研究， 具有重要的现实与长远意义。

　　二、河流崩岸的形式与成因

　　崩岸是河床演变过程中水流对河岸的冲刷、侵蚀作用产生累积后的突发事件。崩岸从破坏形式上可分为滑落式和倾倒式。滑落式崩岸的破坏过程是以剪切力破坏为主，分为主流顶冲产生的窝崩和高水位状态下水位快速下降过程中产生的溜崩。倾倒式崩岸的破坏过程主要是拉裂破坏，可分为主流顺岸贴流造成的条崩和表面流入渗产生的洗崩。窝崩强度最大，一些重要崩岸段大都属于窝崩，主要分布于弯道顶部和下部；条崩多位于深泓近岸，且平行于岸线，水流不直接顶冲的河段。

　　崩岸的原因是复杂的，有时是多种因素造成的后果。地质条件差、土质疏松是崩岸的内在基本因素，而水流条件（主流顶冲、弯道环流、高低水位突变等）则是造成崩岸的重要外在原因。另外，土壤中孔隙水压力增大，会使土壤抗剪强度降低甚至丧失，当承受瞬时冲击荷载时，土壤即发生液化，这是土力学因素；还有人为因素（河道非法采沙、堤边取土成塘、船行波浪等）加剧了崩岸的强度和频率，而近岸过度采沙则是导致崩岸的重要原因之一。

　　三、国内外崩岸治理工程概况

　　由于崩岸的机理比较复杂，对不同的河段，应根据崩岸成因、现场施工条件、堤防运行要求及综合经济效益等因素综合考虑，选择最优的治理措施。目前，崩岸治理的方法和形式很多，如采用抛石护坡、各种沉排护底等平顺式护坡或采用木桩、钢板桩等垂直护岸方法，在河床宽阔、水流较缓的地方还可以修建丁坝、顺坝等间断性护岸方法。近年来，随着土工合成材料在堤防除险加固工程中的应用，各种复合式护岸方法不断被采用和推广。通常堤防护岸工程包括水上护坡和水下护脚两部分。水上与水下之分均指枯水施工期而言。

　　水上护坡工程是堤防或河岸坡面的防护工程，它与护脚工程是一个完整的防护体系。护坡工程的型式很多，主要有块石护坡、混凝土护坡、模袋混凝土护坡、水泥土护坡、天然植被护坡等几类。

　　水下护脚工程位于水下，经常受水流的冲击和淘刷，需要适应水下岸坡和河床的变化，所以需采用具有柔性结构的防护型式，常采用的有抛石护坡、石笼护脚、沉枕护脚、铰链混凝土板沉排、铰链混凝土板-聚酯纤维布沉排、铰链式模袋混凝土沉排、各种土工织物软体沉排等。

　　四、江新洲试验工程中使用的新型护岸技术

　　中国水科院根据国家计委“水利科技救灾实用技术推广项目”的要求与江西省水利厅协作，在长江九江河段开展了崩岸治理工程的试验研究工作。试验工程位于江新洲洲头北侧崩岸频发段，堤防桩号15＋500～16＋500间，总长1000m.试验工程于1999年12月底开工到2000年5月底竣工，当年9月由江西省长江干流堤防加固整治建设总指挥部组织进行了完工验收。经过汛期和枯水期的考验，试验段崩岸治理已取得初步成效。今年3月由水利部国科司又组织了成果鉴定。获得三项护岸工程措施的实用新型专利，一项拖拉铺排施工方法的发明专利已公开。在试验工程中使用了一些新的工程措施和施工方法。

　　（一）带锚桩的钢筋混凝土框架梁组成护坡工程的锚固系统

　　水上护坡工程施工相对水下工程而言要容易得多，坡度最好为1：3，再陡也不要超过1：2.5.崩岸严重的河岸多为沙性土，粘结力较差。而且经过挖方或填方整出的岸坡，其填方处力学性能更差，如何能使这种岸坡承受整个护坡工程的下滑力，是护岸工程能否稳定的重要问题。为此可在岸坡上设计一套带有钢筋混凝土锚桩（2m长）的钢筋混凝土框架梁，每格框架的宽15m，高约12m，梁截面为20cm×40cm的矩形；锚桩每4m布设一根，截面为20cm×20cm的正方形。底层框架梁与锚定沟浇筑在一起，可使水下护坡工程的下滑力通过锚定沟及钢筋混凝土框架梁分散到各个锚桩上。在每格框架梁中铺入坡面防护材料。框架梁也同样可通过锚桩阻止这些水上护坡材料的下滑。

　　（二）防冲、反滤、环保的护坡措施

　　汛期水位上升，水上护坡工程将经受风浪的冲刷，因此坡面防护材料需具有抗冲能力。如试验工程的框架梁中铺入的坡面防护材料为预制混凝土锁块（50cm×50cm×12cm）、部分为现浇混凝土面板或模袋混凝土护坡（厚12cm）。

　　当水位由高处向下降落时，岸坡内的水份必须能较快地排出来，否则对护坡工程的稳定不利，因此护坡工程的排渗问题需要认真考虑。水下冲沙模袋排渗没问题，模袋混凝土每隔1.1m左右就有一处加筋带，这些加筋带正好是排渗的好地方。水上护坡工程在混凝土锁块下均垫有土工布反滤，土工布下的坡面上还开挖了截面为30cm×30cm的排水盲沟，每隔5m一条，在锚定沟内设有直径为5cm的排水管，确保水上护坡工程的排渗需要。

　　运行一年后可见采用预制锁块防护的坡面，在锁块间的缝隙内长满了蒿草。护坡工程中减少了块石的用量，对环保也有利，因大量开山采石是对生态环境的一种破坏。

　　（三）长年枯水位以下的框格型充沙模袋

　　水下护坡工程是整个护岸工程的重点，试验工程在水位变动区采用模袋混凝土，在长年水下则采用框格型充沙模袋护脚，其设计横断面如图1所示。

　　模袋排布上部20m为充混凝土的模袋，厚20cm，强度C20.下部36m为框格型充沙模袋软体排，铺至近岸深槽。在生产厂家加工成长56m、宽15.3m一整块，沿岸线铺了850m，每块搭接1～2m.

　　框格型模袋排布采用410g/m2的高强机织丙纶长丝土工布制成，有效孔径由充灌泥沙的粒径确定。框格型模袋尺寸的设计需考虑抗漂浮能力，试验工程在模袋铺完后，还在坡脚处抛长沙袋压脚，既抗滑又抗漂。框格型充沙模袋在垂直水流方向有主管袋，充沙后直径达到34cm～38cm，每隔25cm布设一条。为了防止铺设时两条主管袋之间不能展平，每隔0.64m布设一条肋袋，肋袋顺水流方向，充泥后直径为27cm.这种充沙模袋可均匀加糙，减缓水流对坡面的冲刷。为了不致某处破损后管内泥沙都漏出，在横向每6m缝合为一段，而沿纵向每1.1m左右又缝有7cm宽的双层加筋带，使其互相隔开。这些加筋带除隔仓外，主要功能是传递拉力。用江中的淤沙注入特制的模袋中，作为护坡材料，其最大的优点是材料费比混凝土低，另外，充沙模袋具有柔性特点，在护脚时能较好地适应河床及坡面的变形。

　　（四）模袋固化沙浆的应用

　　试验中采用的模袋固化沙浆为水泥基的复合材料。优点是成本低，虽然采用了品质较差的三级粉煤灰，但固化沙浆的强度仍然能够达到设计要求，即模袋固化沙浆28天龄期的抗压强度不低于5MPa.对于不同细度模数的沙料，在满足泵送性和强度要求的前提下，单方胶凝材料的用量是不同的。根据施工现场沙料细度模数的实测资料，得出单方胶凝材料为500 kg/m3 （水泥用量约200 kg/m3）。虽然固化沙浆在强度性能上不及混凝土，但它在单方成本上占有一定优势。

　　（五）长充沙管袋的应用

　　长充沙管袋在崩岸治理中有多种用途，如垫坡、压脚防冲、防风浪淘刷和治理窝崩等。窝崩频发河岸一般坡度都较陡，水下削坡很困难，可用长充沙管袋垫坡；水上整坡施工时，如遇大风浪天可用长充沙管袋压脚防冲；当排体铺完后，需要在坡脚增加压重时，可在坡脚抛投这种充沙管袋。如试验工程中沿水流方向每10m抛10个，每个充沙管袋长度为10m，直径为0.65m.

　　充沙管袋可用一块176g/m2的机织丙纶长丝土工布对折后缝合制成，两头各缝一个直径20cm、长30cm的袖口，一个为灌沙口，一个为沉沙后的溢水口。当管袋充满泥沙后需用绳子将袖口困紧。

　　（六）水下拖拉铺排的新方法

　　崩岸整治工程中，采用排体护坡是一种新的护坡技术。这些排体在静水及浅水中施工比较好做，有沉排及水下充灌模袋等。但在长江这样水深、流急的大河中进行铺排，即使用大型铺排船其难度也相当大。我们在试验工程中创造了一套水下拖拉铺排的施工新方法，无须大型铺排船，只用了一条600t的工程驳船、6台卷扬机来拖排，施工成本比用大型铺排船要低。

　　水下拖拉铺排除了拖排设备，排布上要缝有能承受拖排拉力的加筋带这是个技术关键。应根据受力情况进行计算，确保在拖拉铺排过程中排体不被拉坏。铺排时拖排船应在岸上定位的经纬仪严格控制下运行，确保排体的搭接满足设计要求，这是水下铺排的技术关键。

　　（七）软体排上抛石压重的水下护脚措施

　　抛石护脚是护岸工程中采用最为普遍及有效的方法， 但在土质松软的一些崩岸严重河段，由于抛石不设反滤垫层， 经过一段时间水流的淘刷后， 抛石将逐渐下沉流失。因此造成护岸工程的稳定性较差。如果抛石前铺设了土工布反滤垫层，则抛石护脚工程的效果能大大提高。 问题是在流动的水下铺设土工布反滤层，有相当难度。以往在长江上很少使用这种护坡技术。在本次试验工程中由于我们成功地创造了框格型充沙模袋与水下拖拉铺排方法，使先在水下铺放复合土工布，等待抛石的困难迎刃而解。

　　试验段上游有130m的水下坡度陡于1：2，不宜采用模袋混凝土排体；另外下游端20m为了防止排体下游端的冲刷，都选用垫土工布抛石措施。在工厂缝制出只在周边与中间有充沙管道的框格很大的排布，充沙管袋在纵向有三条、横向有五条，直径40cm.每块排56m长、12m宽。因为有充沙管袋压在土工布排体上，所以当排体贴岸坡被拉入水下并铺到位后，就不会被水流立即冲走。尤其是许多排体相互扣压成一大遍后更不易被冲动。抛石时要注意船舶定位，按设计抛石量抛投。由于垫了土工布，抛石不会流失，抛石厚度可降低，减少了抛石量。因此垫土工布抛石护坡的成本与一般抛石护岸相差不多。

　　垫复合土工布抛石护岸工程的优点是能适应岸坡的沉降变形；工程造价比模袋混凝土、铰链混凝土块软体排等都低得多；便于施工、便于维修；不怕船只碰撞；抛石使岸坡加糙，对减低流速而促淤有利。

　　（八）窝崩抢险措施

　　试验河岸是崩岸严重地段，除了窝崩，就是条崩。小窝崩不计，原河岸有两个几乎相连的老窝崩，窝口长达100m，而且新的窝崩不断发生。就在施工期间，岸坡整好后，不到半天在16 420处就崩出一个半圆形的窝，窝口长50m，最大水深5m.这种在施工期出现的突发性窝崩，必须立即填平补齐，否则护坡工程在此处将出现一个大缺口。为此，我们设计了一种抢治窝崩的新工艺。即先在窝口向水中抛投10m长的大沙袋，形成一个大沙袋坝，直至沙袋露出水面，要求沙袋坝的外边坡不陡于1：2.5.然后向窝内吹填泥沙，直到窝内淤满。再在沙坝顶部叠放长沙袋，窝内继续吹填泥沙。沙坝一步步顺坡面向上升，直到把窝崩全部填满。做上护坡工程后，已看不出此处曾发生过3000多方的大窝崩。显然这是一种比抛石更经济而有效的治理窝崩的新方法。

　　（九）多波束水下地形测量仪的应用

　　水下地形测量可采用单波束或多波束水下测深仪并配备有GPS来进行，前者是单点测量，后者为条带状的多点测量，一次可获得上百个测点的水深，这种仪器测量精度高、测量速度快。今年2月下旬水位8.14m时请江西水科所用多波束水下测深仪，对水下护脚工程及近岸水下地形进行了观测。测量结果显示，试验工程上游500m护脚工程无变化，但外围的河床有淤涨，对护岸工程的稳定是有利的。试验工程的下游 500m河岸虽受水流顶冲，流速较大，但护脚工程及外围的河床均无冲淤变化。说明崩岸治理已取得初步成效。

　　（十）在试验段埋没仪器进行监测

　　为了研究和探讨崩岸的机理，必须加强对试验工程的监测。为此，在试验工程上布设了两个孔压观测断面，每个断面上有两个测孔。还对1000m试验段护岸工程进行了水平位移控制点的布设，均进行定期观测。经过半年多的观测资料分析得知：压计观测时程线与江水位时程线表现出良好的一致性，表明堤坡具有较好的透水性；坡体顺坡向向下的位移不大，表明工程竣工至今的半年中整个护坡是稳定的；观测结果表明，汛前各个测点的顺坡向水平变形很小。汛期各个测点发生了程度不同的水平位移。汛后的观测结果显示，指向水侧的最大水平位移趋于稳定，变形速率也明显降低亦趋稳定。

　　六、结语

　　经过近一年的努力，我院崩岸治理试验工作取得了一些成绩，但崩岸治理是堤防工程中较复杂的问题之一。大规模的堤防整治工程结束后，崩岸现象还会存在。为使崩岸治理工程的研究进一步深入，还需结合实际护岸工程继续进行试验研究工作，在已有经验的基础上进一步开展技术创新，寻求既科学又经济的护岸新技术，以利应用与推广。（考试考试网一级建造师编辑整理）

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