長江中下游崩岸整治方法研究

長江中下游崩岸整治方法研究

1研究意義的現(xiàn)實意義長江中下游兩岸的大部分海灘都是沉積物的分層結(jié)構(gòu)，無法去除。隨著人類活動和上游作業(yè)沙的變化，一些河流上游的海灘發(fā)生了坍塌，給河岸上的建設(shè)、兩岸的工農(nóng)業(yè)和人民的生命財產(chǎn)帶來了嚴重威脅。近幾年大規(guī)模的長江干流加固整治工程,使長江堤防的防洪能力得到了大幅度的提高,取得了舉世矚目的成績,但穩(wěn)定河勢、治理崩岸仍是一項長期任務(wù)。大型工程的建設(shè)可能改變下游河道的水流、泥沙條件,從而引起下游河床的沖淤變化,誘發(fā)新的崩岸。因此,開展對河道崩岸問題的研究,具有重要的現(xiàn)實意義?？紤]到傳統(tǒng)護岸技術(shù)的不足和發(fā)生崩岸的特點,開展新型護岸技術(shù)的試驗研究,不僅在水利工程,在航運、國土保護等領(lǐng)域也都有廣泛的應(yīng)用價值。2土壤侵蝕因素產(chǎn)生崩岸的原因是復雜的,有時是多種因素造成的后果。地質(zhì)條件差、土質(zhì)疏松是崩岸的內(nèi)因,而水流條件(主流頂沖、彎道環(huán)流、高水位驟降等)則是造成崩岸的外因。另外,土壤中孔隙水壓力增大,會使土壤抗剪強度降低甚至喪失,當承受瞬時沖擊荷載時,土壤即發(fā)生液化,這是土力學因素;還有人為因素(河道非法采沙、堤邊取土成塘、船行波浪等)加劇了崩岸的強度和頻率,而近岸過度采沙則是導致崩岸的重要原因之一。護岸工程包括水上護坡和水下護腳兩部分。護腳工程的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)具有柔性,以適應(yīng)河床的變形,常采用的有拋石護腳、石籠護腳、沉枕護腳、鉸鏈混凝土排、各種土工織物軟體沉排等。護坡工程主要有塊石護坡、混凝土護坡、模袋混凝土護坡、水泥土護坡、天然植被護坡等幾類。對不同的河段,應(yīng)根據(jù)崩岸成因、現(xiàn)場施工條件、堤防運行要求及綜合經(jīng)濟效益等因素綜合考慮,選擇最優(yōu)的治理措施。3坍塌修復工程詳細3.1試驗工程及施工方法試驗工程長1000m,位于九江江新洲洲頭北側(cè)崩岸頻發(fā)段(圖1),工程于1999年12月底開工,2000年5月底竣工。經(jīng)過3年來汛期和枯水期的考驗,試驗段崩岸治理已取得顯著成效(圖2)。在試驗工程中采用了一些新的護岸工程措施和施工方法。江新洲試驗工程的水上護坡為帶有錨樁的鋼筋混凝土框架梁,內(nèi)鋪混凝土預(yù)制塊(含部分現(xiàn)澆混凝土面板)或模袋混凝土護坡措施。水下護腳分兩部分:水位變動區(qū)用模袋混凝土護岸;永久水下為框格型充沙模袋軟體排護腳(圖3、圖4)。試驗河岸上游有130m的水下邊坡略陡于1∶2;另外下游端20m為防止沖刷,都采用了墊復合土工布拋石的措施。試驗工程中還使用長充沙管袋墊坡、壓腳、防沖、防風浪淘刷和治理窩崩等。3.2試驗段2002年3月該工程位于蕪湖市長江干流南岸,東梁山下游蕪當江堤崩岸嚴重的河岸(圖5),試驗段全長850m。2002年3月開工,2003年1月完工(圖6)。護岸工程亦采取平順護岸形式,設(shè)計枯水位以下全為復合土工布軟體排拋石壓重護腳,水上采用鋼筋混凝土框架梁內(nèi)鋪混凝土預(yù)制鎖塊護坡(圖7)。3.3水上護坡方面棉船洲鐵塔段崩岸整治試驗工程于2002年3月開工,6月中旬完工,試驗段全長約600m,位于棉船洲臨江高壓線鐵塔附近的江岸上。受對岸馬磯挑流的影響,鐵塔段岸前水流異常紊亂,漩渦連串,岸灘崩塌嚴重,形成上、中、下游3個相連的大窩。對此段崩岸險情,曾先后采用拋石、充沙管袋等防護措施進行治理,但無法阻止岸線的逐年崩退,高壓線鐵塔的安全已受到威脅。棉船洲試驗工程的水上護坡部分在中、下游窩高程11.5m(文中高程均系黃海高程)以下采用帶錨樁的鋼筋混凝土框架梁,框架梁內(nèi)布置排水盲溝,鋪土工布壓混凝土鎖塊等措施;高程11.5m以上及上游窩采用干砌塊石護坡。水下護腳部分在中、下游窩的淺水區(qū)采用分塊模袋固化砂漿排(長20m),長年水下部分采用管袋固化砂漿軟體排(長50～75m)拋石壓重;上游窩因原先在岸坡上已有四面六邊透水框架(圖8),難以鋪排,故采用拋石加固及在坡腳拋四面六邊透水框架防沖。也可在實際工程運行中比較單一拋石與排體護岸的效果差異。4岸坡區(qū)護岸工程上述3個試驗工程中雖各有特點,但總的設(shè)計思路是相同的,即根據(jù)岸坡不同區(qū)域,不同的水流、土質(zhì)條件,采用不同的護岸工程措施,組成一個既穩(wěn)定牢靠又經(jīng)濟合理的護岸工程體系。下面就其整治方案中采用的各種新措施、新材料及設(shè)計要點概述如下。4.1帶錨樁框架梁的水下排體設(shè)計崩岸嚴重的河岸多為沙性土,經(jīng)過挖方或填方整出的岸坡,因泥土含水量大無法夯實,其力學性能很差。如何能使這種岸坡承受整個護岸工程的下滑力,是護岸工程能否穩(wěn)定的技術(shù)關(guān)鍵。為此,試驗工程在岸坡上設(shè)計了一套帶有錨樁(截面:20cm×20cm,長:2～3m)的鋼筋混凝土框架梁(截面:20cm×40cm)。底梁與錨定溝澆筑在一起并拴掛水下排體,可使水下護腳工程的下滑力通過錨定溝及鋼筋混凝土框架梁分散到岸坡各個錨樁上。在框架梁中鋪護坡材料,框架梁還可通過錨樁阻止這些水上護坡材料下滑,使水上護坡與水下護腳工程連成一個整體。護腳排體的長度要滿足最大沖深條件下排體穩(wěn)定的要求,而整個護岸工程的結(jié)構(gòu)型式、尺寸還必須滿足局部及整體岸坡土體穩(wěn)定的要求。崩岸實質(zhì)是岸坡失穩(wěn),因此護岸工程是否穩(wěn)定,是設(shè)計的重要標準。4.2錨定溝的設(shè)置錨定溝的高程必須考慮施工進度及當?shù)厮蛔兓?guī)律來確定,當完成整坡后,開挖錨定溝、澆筑底梁、拴掛排體及澆筑枯水平臺時需要在水上施工。但錨定溝的位置又不能設(shè)計得過高,這將增加水下護腳排體的長度,增大工程造價。因在深泓逼近的岸段,排體常需越過深泓。4.3現(xiàn)澆混凝土護坡汛期水位上升,水上護坡工程將經(jīng)受風浪與暴雨的沖刷,除布置必要的明溝排水外,坡面防護材料應(yīng)具有抗沖能力。在試驗工程的框架梁中鋪入的護面材料可為預(yù)制混凝土鎖塊(50cm×50cm×12cm)(圖6)、現(xiàn)澆混凝土面板或模袋混凝土護坡(厚12cm,標號C20)。當水位驟降時,岸坡內(nèi)的水份需要較快地排出來,否則對護岸工程的穩(wěn)定不利,故排滲問題需認真考慮。水上護坡工程在混凝土鎖塊下墊有土工布及填滿碎石的排水盲溝反濾,排水盲溝底端接有直徑為5cm的排水管穿過錨定溝通到外面,確保水上護坡工程的排滲需要。水下充沙模袋排滲沒問題,而模袋混凝土或模袋固化砂漿排,垂直水流方向,每隔2m左右就有一條雙層加筋帶(寬8cm)系排,加筋帶處也可以排滲。4.4模袋結(jié)構(gòu)及參數(shù)水下護腳工程是整個護岸工程的重點,江新洲試驗工程在長年水下采用框格型充沙模袋護腳。排體上部20m為充混凝土的模袋,厚20cm,標號C20。下部36m為框格型充沙模袋軟體排,鋪至近岸深槽。框格型模袋排布采用410g/m2的高強機織丙綸長絲土工布制成,有效孔徑由充灌泥沙的粒徑確定。框格型模袋尺寸的設(shè)計需考慮抗漂浮能力等,試驗工程在模袋鋪完后,還在坡腳處拋長沙袋壓腳,既抗滑又抗漂?？蚋裥统渖衬４诖怪彼鞣较蛎扛?5cm有一主管袋,順水流方向每隔64cm有一肋袋。這種充沙模袋可均勻加糙,減緩水流對坡面的沖刷。為了不致某處破損后袋內(nèi)泥沙都漏出,在橫向每6.0m,縱向每1.0m左右縫有加筋帶,使其互相隔開。加筋帶除隔倉外,主要功能是傳遞拉力。這種軟體排適用于無船只拋錨的水下護腳,最大優(yōu)點是材料費比較低并具有柔性特點,在護腳時能較好地適應(yīng)河床及坡面變形。4.5模袋排布及土工布試驗中采用的模袋固化砂漿為水泥基的復合材料。優(yōu)點是成本低,雖然采用了品質(zhì)較差的三級粉煤灰,但固化砂漿的強度仍然能夠達到設(shè)計要求,即28d齡期的抗壓強度不低于5MPa。分塊模袋排由縱、橫加筋帶分成若干小塊,來適應(yīng)岸坡地形變化。模袋排布采用420g長絲機織土工布,充灌固化砂漿后為20cm厚,適應(yīng)的坡度范圍為1∶2.5～1∶3.0。在軟基上鋪長度較大的模袋混凝土有可能產(chǎn)生斷裂,而分塊模袋排即可避免這個缺陷,棉船洲試驗工程中采用的分塊模袋固化砂漿排的尺寸平均為3.0m×1.7m(圖9)。4.6長充沙管袋墊坡長充沙管袋在崩岸治理中有多種用途,如墊坡、壓腳防沖、防風浪淘刷和治理窩崩等。窩崩頻發(fā)河岸一般坡度都較陡,水下削坡很困難,可用長充沙管袋墊坡;水上整坡施工時,如遇大風浪天可用長充沙管袋壓腳防沖;當排體鋪完后,需要在坡腳增加壓重時,可在坡腳拋投這種充沙管袋。每個充沙管袋長度為10m,直徑為0.65m。用230g/m2機織丙綸長絲土工布縫制,兩端分別留有灌沙或溢水袖口。4.7復合土工布產(chǎn)業(yè)的排放方式拋石護腳是護岸工程中最普遍且有效的方法,但在土質(zhì)松軟的崩岸嚴重河段,由于拋石不設(shè)反濾墊層,經(jīng)過一段時間水流的淘刷,拋石將逐漸下沉流失,護岸工程的穩(wěn)定性較差。我院泥沙所通過實體模型的對比試驗,已知軟體排拋石壓重比一般拋石護岸的適應(yīng)能力強,效果好。具有反濾與強度雙重要求的復合土工布軟體排是一種在周邊與中間縫有充沙或充砂漿管袋的雙層排布,管袋直徑32～36cm,平行間距為5～6m。因為有充沙管袋壓在軟體排上,當排體在岸上灌滿沙貼岸拉入水下(圖10)鋪放到位后,在等待拋石前就不會被水流立即沖走,何況許多排體相互扣壓成片。拋石需定位、定量,拋石量約為單一拋石護岸的60%～70%。這種護岸措施的優(yōu)點是能適應(yīng)岸坡的變形、造價低、便于施工、不怕船只碰撞。軟體排結(jié)構(gòu)示意見圖11。4.8跟蹤觀測方法試驗工程完工后,水上護坡及水下護腳工程將經(jīng)受近岸水流的沖刷考驗,工程是否穩(wěn)定,排滲效果如何,如果有較大的移動情況出現(xiàn),需盡早發(fā)現(xiàn),分析原因,找出處理措施。因此,跟蹤觀測非常重要。這些試驗工程均安排了5年的觀測任務(wù),其觀測資料不僅是分析試驗工程穩(wěn)定性的依據(jù),而且對護岸工程的穩(wěn)定問題研究有著重要參考價值。跟蹤觀測的內(nèi)容包括測點的水平與垂直(沉降)位移、岸灘地下水位及近岸水下地形斷面測量。測點位移采用水準儀及經(jīng)緯儀進行觀測,地下水位用敞開式測壓管進行觀測,每半個月測一次。水下地形可用超聲測深儀汛前汛后各測一次。5坍塌修復新技術(shù)的施工經(jīng)驗5.1水下拖排的施工崩岸整治工程中,采用排體護腳是一種新的護岸技術(shù)。這些排體在靜水及淺水中施工比較容易,有沉排及水下充灌模袋等。但在長江這樣水深、流急的大河中進行鋪排,即使用大型鋪排船其難度也相當大。作者在試驗工程中創(chuàng)造了一套水下拖拉鋪排的施工新方法,無須大型鋪排船,只用了一條400t的工程駁船、6臺卷揚機來拖排,施工成本比用大型鋪排船要低。水下拖拉鋪排除了拖排設(shè)備外,排布上應(yīng)縫有能承受拖排拉力的加筋帶是技術(shù)關(guān)鍵。應(yīng)根據(jù)受力情況進行計算,確保在拖拉鋪排過程中排體不被拉壞(圖10)。如何在已拋石塊的床面上拖拉鋪排是鋪排施工的難題。棉船洲試驗工程就遇到此問題。經(jīng)過反復研究,將拖排鋼架底部焊接加長鋼板,使水下拖拉鋪排方法,在已拋過石的床面上拖排獲得成功。當岸坡上無施工場地或水下已有拋石的情況時,最好采用兩船夾一塊滑板的退放鋪排法,排體在滑板上充灌,操縱船只離岸后退,將排體鋪放在河床上。最近廣東省北江某護岸工程中采用了這一建議,使在拋石基礎(chǔ)上鋪模袋混凝土排取得成功。拖拉或退放鋪排的共同特點是在水上充灌向水下鋪放,便于對充灌質(zhì)量進行監(jiān)測。5.2水下拖排的設(shè)計水下拖拉鋪排的施工質(zhì)量,與多種因素有關(guān)。如船舶的拖拉能力、機械設(shè)備、排體本身的抗拉性能等,但排體能被拖入水下,并不等于就能鋪好。如果水下整坡任務(wù)沒有完成好,排體在動水中就很難鋪平。水下拖拉鋪排每塊排體有13～15m寬,上游排搭在下游排上,搭接量為1～2m,鋪排時拖排船應(yīng)在岸上定位的經(jīng)緯儀嚴格控制下運行,確保排體的搭接滿足設(shè)計要求,這也是水下鋪排的技術(shù)要點。用滑板退放鋪排時,潛水員可在水下滑板頭旁引導船只移動,進行排體搭接。5.3填平補齊的護坡由于江新洲試驗工程處在崩岸嚴重地段,施工中岸坡整好不久,在樁號16+420處不到半天就崩出一個半圓形的大窩,窩口長50m,最大水深5m(圖12)。對這種在已整好的坡上出現(xiàn)突發(fā)性窩崩,必須填平補齊,否則護坡工程在此處將出現(xiàn)一個大缺口。為此設(shè)計了一套搶治窩崩的技術(shù)。即先在窩口向水中拋投10m長的大沙袋,形成一個大沙袋壩,直到沙袋露出水面,要求沙袋壩本身是穩(wěn)定的,外邊坡至少達到1:2.5。然后向窩內(nèi)吹填泥沙至淤滿,再在沙壩頂部疊放長沙袋,窩內(nèi)繼續(xù)吹填泥沙。沙壩一步步順坡面向上升,直到把窩崩全部填滿(圖13)。做上護坡工程后,已看不出此處曾發(fā)生過3000m3多的大窩崩。5.4錨定溝混凝土澆筑東梁山與棉船洲試驗工程開工都較晚,如果按整塊大排一次鋪放則施工時間較長,不等鋪完,水位就會上升超過枯水平臺,而無法進行排體錨定及枯水平臺澆筑,必須加快鋪排速度。為此,將整塊長排分成兩段,先將上段分塊模袋固化砂漿排(長20m)在水位上升到枯水平臺之前鋪完,將排尾拉環(huán)拴在底梁預(yù)留的鋼筋鉤上,用混凝土澆筑在錨定溝及枯水平臺內(nèi),防止排體下滑。再進行下段管袋固化砂漿軟體排(長50～75m)的鋪設(shè),此時即使水位淹沒枯水平臺,水下鋪排施工可照常進行,只是軟體排尾的拉環(huán)需要有潛水員拴在模袋固化砂漿排的排頭拉環(huán)上,下滑力由加筋帶傳至錨定溝,防止排體下滑,等待拋石壓載。5.5錨定溝重新開挖崩岸嚴重的岸坡土質(zhì)疏松,極易被風浪淘刷沖塌,棉船洲工程施工過程中曾因受大風浪襲擊,使坡腳崩塌,只得后退3m重新開挖錨定溝。為了保護已整好坡的岸腳,錨定溝以下全線鋪蓋13m寬的軟體排,后經(jīng)受了多次大風浪考驗,證明這是一種很有效的臨時