长江中游航道整治建筑物护滩带稳定性研究（刘怀汉,付中敏,陈婧,闫军）

时间：2021-01-10 08:08:41　来源：柠檬阅读网本文已影响人

【摘要】：本文在对长江上已建的护滩工程进行调研的基础上，系统总结了护滩带的平面布置型式和破坏形式，对护滩带的破坏机理进行了分析；
通过水槽概化模型试验，分析了护滩带周边水流泥沙运动特征，提出了护滩带宽度和间距的确定方法；
通过护滩带边缘防冲现场试验，总结了边缘防冲措施，以便在今后的设计中，根据护滩带所护滩体特征及来水来沙的实际情况合理选择防护措施，提高护滩工程的整体稳定性。

【关键词】：长江中游；
航道整治；
护滩带；
稳定性

1 研究背景及意义

长江中游河道为冲积型河道，分布有大量的、形态各异的成形淤积体，其中具有一定规模的淤积体通常称为滩体，是构成河道的重要组成部分。在航道整治工程中，为了稳定河岸和洲滩，控制河道格局，进而稳定枯水航槽，需对一些滩体按现状加以保护和控制，维持其相对稳定。从目前已实施的工程及研究情况看，护滩工程具有护岸及筑坝工程所不能代替的作用。因此，采取护滩带来保护滩体免遭破坏已成为长江中游河道及航道治理中需要重点研究的内容之一。

三峡水库蓄水运用后，由于下泄水流含沙量锐减，长江中游河段河床将发生长时段、长距离的冲刷调整。在冲刷调整过程中，一些洲滩有可能被冲失或解体，高程可能被刷低，有的支汊或窜沟可能冲刷发展，对航道产生不利影响。为此，在今后航道系统治理中，为了稳定洲滩或防止支汊、窜沟的发展，防止边滩、心滩的冲刷，护滩带将运用的越来越广泛。为了更有效地发挥护滩带的功能和整治效果，迫切需要对护滩带稳定性问题进行研究。另外，本研究成果将推广应用到长江航道系统治理工程中，不仅有利于延长整治建筑物的寿命，而且还将丰富航道整治学科的内容[1][2][3]。

2 主要研究成果

2.1 护滩带的平面布置型式及破坏形式

2.1.1 护滩带的平面布置型式

目前，在长江中游航道整治工程中护滩带的平面布置主要有三种型式：

条状间断守护型：护滩带的布置参照丁坝间距进行布置成条状间断守护型，主要适用于控制主流横向摆动，且滩体变形以侧蚀为主的边滩守护的河段。

集中守护与间断守护结合型：对于心滩的守护，可以考虑头部集中守护与心滩中下部间断守护相结合的方式进行。

整体守护型：对于较大的滩体处于强烈的漫滩水流和纵向水流的共同作用下的强冲刷状态时，需要采用整体守护的方式加大守护范围和力度。

根据对已建工程建筑物稳定性的分析，护滩带对防止滩面冲刷及轻微侧蚀效果较好，但对防止滩体较强侧蚀效果较差。相对而言，整体守护结构稳定性较好，集中守护次之，条状间断守护最差。

2.1.2 护滩带破坏形式

护滩带的破坏形式可归纳为以下四大类：

边缘塌陷形成陡坡，边缘排体变形较大甚至悬挂：（1）砼排体和系结条外露，进而老化；
（2）系结条松开，砼块移动或滑落；
（3）排体撕裂。

边缘排体下部河床局部淘刷，形成空洞：局部排体所护滩面塌落并撕裂（一般从接缝处），进一步向排内淘刷，最后形成垛状。

排中部塌陷或鼓包：主要由于接缝处理不牢，造成接缝处泥沙冲失或泥沙从接缝处挤入排底，造成排体外露、老化，所护滩体破坏。

排体基础整体冲刷坍塌：排整体塌陷并破坏，所护滩体破坏。

2.2 破坏机理分析

护滩带破坏的型式多种多样，破坏机理非常复杂，不仅与护滩带自身的强度有较大的关系，而且与护滩带平面布置、守护区域内的水流泥沙条件、滩体地质条件有关系，同时与施工质量也有一定关系。

2.2.1 护滩带自身的结构强度较低是护滩带遭受破坏的内因。主要表现在三个方面：一是排布及系结条强度低，在排体悬空或变形较大时，经常出现排布撕裂，系结条散开，砼块散落的现象；
二是排体搭接时的强度较低，如果排体外侧出现一定程度的变形后，可能会引起排体搭接处遭受破坏；
三是排垫在阳光下易老化，老化后强度降低，这是护滩带破坏的一个关键因素。

2.2.2 护滩带平面布置不合理、宽度不满足要求、守护区域的水流作用较强以及施工质量不高等是护滩带遭受破坏的外因。

（1）护滩带平面布置包括护滩带的间距、宽度等是否合理，直接关系到护滩带守护范围能否维持稳定。如果守护范围过大，势必造成工程量的浪费；
如果守护范围过小，则起不到应有的效果，因此护滩带的间距和宽度是护滩带设计过程中的一个重要技术参数。

（2）水流条件是造成护滩带破坏的动力因素。一种是护滩带边缘的紊动水流，在其作用下，护滩带边缘被淘刷而形成陡坡，造成排体不均匀变形甚至排体悬空，进而排布外露老化，强度降低，导致排布撕裂，造成护滩带破坏。第二种是渗透水流。渗透水流能从护滩带底部破坏被保护的滩体，形成局部沉降或者鼓包，护滩带不能适应较大的变形时就容易被破坏。第三种是漫滩水流对滩尾的冲刷，水流流过护滩带，尚有足够的动力，回落在滩面，对护滩带下游未被保护的滩面形成冲刷，这种“抄后路”的破坏形式也不容忽视。

（3）施工质量，特别是接缝位置强度直接关系到护滩带的稳定。从现场调研看，排垫撕裂部位往往位于接缝处，接缝处是整个排体强度的薄弱部位，因此，接缝位置的施工质量直接关系到护滩带的稳定。

2.3 护滩带周边水流泥沙运动特征

通过试验可以发现，护滩带间滩面冲刷，初期是由于滩面上的水流流速大于泥沙的起动流速所致，属于一般冲刷过程。此时，由于护滩带的保护，冲刷仅发生在护滩带以外区域，在护滩带保护下的滩面尚未能产生冲刷变形。

随着冲刷的发展，未受保护的滩面逐渐刷低，护滩带周边水流变的较为紊乱，加剧了其周边局部范围内河床的冲刷，特别是护滩带头部，因贴近护滩带边缘流速较大，紊动强度较大，冲刷比其它地方严重，护滩带头部较早出现局部冲刷变形，紧接着两侧也开始出现蛰陷，使护滩带相对突出于河床上。随着各护滩带之间滩面的继续冲刷降低，护滩带头部和两侧不断向下塌陷，中间受护滩带保护的滩面更加突出在床面之上，形成类似淹没丁坝的水流结构形式。这时滩面的冲刷除了一般冲刷之外，更重要的是漩涡水流作用造成的局部冲刷。一般在护滩带头部流速较大，所以，形成丁坝结构形式后，护滩带头部水流紊动强度更大，河床冲刷较强。由于坝前后形成的漩涡水流，不断地将床面泥沙卷起，并随水流带向下游，在漩涡水流的作用下，局部冲刷坑不断冲深加大。图1和图2为试验中拍摄到的护滩带周边变形过程和局部冲刷坑发展变化过程。

各护滩带之间滩面的冲刷过程，是一般冲刷和漩涡作用下的局部冲刷伴随发生的过程。初期一般性冲刷占主导地位，后期漩涡作用下的局部冲刷起决定性作用。在流量恒定的情况下，漩涡水流的强度随着冲刷坑的加大而逐渐减弱，直至达到冲刷平衡为止。冲刷平衡后，若相邻两护滩带间距较大，可以明显看出靠近护滩带边缘的局部冲刷坑和中间出现的一般冲刷区。

稳定状态下的护滩带冲刷变形最终会形成淹没式丁坝结构，在这种情况下，水流通过护滩带所出现的结构形式与淹没丁坝基本相同，大致可分为两层，即丁坝顶面以上的面流和以下的底流。在靠近护滩带头部，流态十分紊乱，部分底流绕过坝头后向坝后涡流区扩散，出现竖轴环流，另一部分底流绕过坝顶后在坝下形成较强的水平轴环流，环流区长度约为（4～6）hs，（hs为护滩带头部冲刷深度）；
在靠近护滩带头部的面流因边滩一侧河床阻力较大而向主流区偏移，造成护滩带头部流速增大，这是沿护滩带头部河床冲刷较多的主要原因之一。

2.4护滩带头部冲刷深度与流速的关系

为了弄清护滩带头部冲刷深度与流速之间的关系，试验中对不同宽度的护滩带与冲刷坑深度的关系进行研究。发现护滩带冲刷深度与其宽度的关系不明显，而影响护滩带冲刷深度的主要因素是流速。

由试验资料得出护滩带头部局部冲刷深度与流速的关系式为：

2.5 护滩带宽度和间距的确定

2.5.1 护滩带宽度的确定

在正常情况下，护滩带周边因河床冲刷而随之变形，产生蛰陷现象，在护滩带不发生破坏的前提下，最终会形成类似丁坝形态。

假定护滩带周边因河床冲刷变形蛰陷成接近泥沙的水下休止角、形成稳定坡面时，作为护滩带宽度的设计依据之一。

按照这一标准，护滩带设计宽度B应为

例如，当护滩带两侧最大冲刷深度为20m时，若按照床沙形成稳定的坡度计算，护滩带设计宽度可取为80m。

2.5.2 护滩带间距的确定

第1种方法：在第一条护滩带位置确定之后，下一条护滩带的摆放位置应该在前条护滩带下游局部冲刷坑下缘附近，即护滩带间距为最大局部冲刷坑的长度。试验研究表明：在护滩带受冲刷变形形成丁坝后，护滩带下缘局部冲刷坑的长度与坝体的高度有关。一般淹没丁坝下游涡流区范围约为坝高的4～6倍，假定局部冲刷坑的长度同涡流区长度为同一数量级，则局部冲刷坑的长度即为坝高的4～6倍。例如，假定冲刷坑最大深度为20m时，其下游冲刷坑长度约为80～120m，护滩带间距便可定为100m左右。

第2种方法：以受到冲刷后的滩体对水流的阻力与原滩体未冲刷前基本接近来作为确定护滩带间距的依据。可以大致确定护滩带的间距约为120～160m之间。

第3种方法：从限制各护滩带之间滩缘最大冲刷凹进宽度确定护滩带间距。在河床组成一定的情况下，各护滩带之间滩缘冲刷凹进最大宽度，主要与水流流速和护滩带间距有关，流速越大，护滩带间距越宽，其间冲刷凹进宽度就越大，甚至于造成除了护滩带外整个滩面的冲刷降低。因此，必须对护滩带之间冲刷凹进宽度加以限制，以此确定护滩带间距。研究表明，对于流速大于2.0m/s的地方，护滩带间距不应超过上一个护滩带长度的2倍值；
若流速在1.0～2.0m/s之间，护滩带间距可以取上一个护滩带长度的2～5倍值。总之，护滩带间距的确定，应视当地流速与河床组成具体条件而定。

2.6 护滩带边缘的防冲措施

目前护滩带边缘的防冲措施主要有两大类：

一类措施是在护滩带边缘采取预埋处理。即考虑到护滩带边缘在使用过程中可能产生的冲刷而预先将护滩带边缘预埋入床面以下，降低护滩带头部高程，以提前适应冲刷变形后的河床，减小排体在河床冲刷变形中产生的破坏。

二类措施是在护滩带边缘设置预留变形区，将护滩带的变形或破坏限制在预留变形区，从而保护预期稳定区的正常使用，其防护措施主要有四面六边透水框架群、铰链排、钻孔灌注桩防护墙等。

3 研究结论

本文以目前在长江航道整治中常用的系砼块软体排护滩带为范例，重点研究了护滩带的稳定性。主要研究了护滩带的平面布置型式、破坏形式以及破坏机理；
探讨了护滩带周边的水流特征，同时分析了护滩带头部冲刷深度与流速的关系，提出了护滩带宽度和间距的确定方法；
通过护滩带边缘防冲现场试验，提出了两类护滩带边缘的防冲措施。

参考文献

[1] 泥沙手册，中国水利学会泥沙专业委员会，1992。

[2] 崔承章等，治河防洪工程，中国水利水电出版社.2004。

[3] 长江航道局，航道工程手册，2004．1，949。

作者简介刘怀汉，1965年9月生，1989年毕业于清华大学，工学硕士，长江航道规划设计研究院，副院长兼总工、教高，全国劳动模范。

相关热词搜索：长江航道中游 建筑物 整治