新型護(hù)岸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

新型護(hù)岸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

護(hù)岸工程是防止河流崩塌的有效措施，在防止和持續(xù)防洪洪水穩(wěn)定方面發(fā)揮了重要作用。作為防洪工程體系的組成部分，也是防洪工程計劃的重要工程措施。已有水下護(hù)坡工程諸如丁壩、拋石、拋礦渣、沉排、沉籠等;水上護(hù)坡采用削坡砌石、鋪墊混凝土預(yù)制塊、澆筑混凝土等,都在一定程度上具有保護(hù)岸坡、維持河道穩(wěn)定的作用。但這些護(hù)岸工程主要是增強(qiáng)岸坡表層的抗沖能力,防止岸坡土體沖失、岸坡變陡來影響其穩(wěn)定性的外部因素。從本質(zhì)上講,河岸物質(zhì)構(gòu)成是岸坡穩(wěn)定性的決定性內(nèi)部因素。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,考慮到岸坡的內(nèi)部因素,新的護(hù)岸方式也在不斷出現(xiàn)。本文通過對崩岸機(jī)理的分析和護(hù)岸的工程實踐,論述當(dāng)今世界新的護(hù)岸技術(shù)和方法。1岸坡抗滑穩(wěn)定因素的研究岸坡系指具有一定傾斜面的土體,岸坡土在自重及其他外力作用下,整個土體都有從高處向低處滑動的趨勢,如果岸坡內(nèi)部某一個面上滑動力超過土體抵抗滑動的能力,崩岸就會發(fā)生。按岸坡變形失穩(wěn)產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理及變形程度可歸納為三大類型:侵蝕型、崩塌型、滑移型。如果按照崩岸后的形態(tài)則可劃分為兩種:條崩和窩崩。條崩是崩塌產(chǎn)生后近似平行岸坡的外部形態(tài),屬于崩塌型與侵蝕型。窩崩是崩塌或滑移后產(chǎn)生的另一種外部形態(tài),有的屬于崩塌有的則屬于滑移型。岸坡的穩(wěn)定性受多種因素的影響,大致可分為四大類:地質(zhì)因素、河流及水動力學(xué)因素、水文氣象因素、人類活動等因素。決定崩岸機(jī)理的具體相關(guān)因素與作用如下:(1)地質(zhì)、地形因素。地質(zhì)因素主要指岸坡土質(zhì)特性、耐沖刷性能。它關(guān)系到岸坡土層結(jié)構(gòu)、土體的孔隙比、水力坡降、滲透壓力等因素,是決定岸坡土體抗滑穩(wěn)定的內(nèi)在因素。即岸坡的組成條件越好,抗沖刷能力就越強(qiáng);地形因素主要指岸坡的坡比、岸坡與常年水位的相關(guān)因素。(2)河流及水動力學(xué)因素。主要指河流的形態(tài),及河道縱向流量與地下水、波浪沖擊等,是崩岸發(fā)生的主要外動力因素。河道的平面形態(tài),它決定著環(huán)流強(qiáng)度的大小,泥沙橫向輸移的程度;河道的過流量及縱向比降決定水流挾沙能力的大小。主流的方向和作用點(diǎn)決定了河岸的崩坍部位。此外,岸坡地下水的外滲、船浪和風(fēng)浪的沖擊等都將對岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生破壞性影響。當(dāng)河道彎曲、縱向坡降陡、河道過流能力大,則水流環(huán)流強(qiáng)度與挾沙能力大,加上岸坡地下水活動頻繁,則河岸的崩岸強(qiáng)度大。(3)氣象因素。氣象因素主要是考慮風(fēng)的作用。強(qiáng)風(fēng)使岸坡邊的水位壅高,同時產(chǎn)生風(fēng)浪作用于岸坡。由于大風(fēng)、臺風(fēng)的發(fā)生具有偶然性,因此這類岸坡的破壞不確定因素較多。(4)水文因素。水文因素包括流速的影響、自然風(fēng)化的影響、波浪的影響。流速影響,在河床邊界條件和地質(zhì)組成一定的情況下,流速的大小和方向?qū)哟布鞍镀碌臎_刷起決定性因素。自然風(fēng)化影響,在自然狀態(tài)下,岸坡表面總是在不斷緩慢地風(fēng)化著。但水位變化范圍內(nèi)的岸坡,其自然風(fēng)化速度,要比水下部位與水位變化范圍以上部位的岸坡要快得多。波浪的影響,波浪包括風(fēng)成波、氣壓波、地震波、船行波等。(5)人類活動因素。人類活動包括岸坡開墾、圍灘造田、岸坡承重、航船等等。人類活動使岸坡受力不均帶來的危害是明顯的。就船行波而言,上世紀(jì)70年代中期之前,由于機(jī)動船只較少,船行波對河道岸坡的破壞影響不大。70年代后期,特別是80年代以來,由于機(jī)動船只急劇增加,船行波對河道岸坡的破壞也日趨嚴(yán)重,而且對岸坡沖刷破壞的部位,也正是自然風(fēng)化作用最劇烈之處。河道岸坡在自然風(fēng)化作用(包括凍融)和波浪力的共同作用下,岸坡粘土土粒之間的連接被迅速破壞,粘土一層層、一片片被迅速沖刷掉。當(dāng)沖刷到一定程度時,被沖刷部位上部的岸坡常由于重力作用而崩塌。加上地下水長時期的滲壓作用,當(dāng)大雨過后,或河水位急劇下降時,被沖刷部位還會引起更大的岸坡崩落。2高純度保護(hù)岸壁材料的應(yīng)用2.1河間接性護(hù)岸的建設(shè)黃河的埽工,沿用歷史悠久。除埽工外,還采用壩(丁壩)、垛(堆、磯頭)等建筑物。長期以來,許多中外專家對治黃設(shè)想,主張整治和泥沙處理相結(jié)合的綜合措施。美國護(hù)岸經(jīng)驗認(rèn)為,防止河岸沖刷,應(yīng)采用連續(xù)平鋪?zhàn)o(hù)岸,一般建在河彎凹岸,間接性護(hù)岸的效益常難于預(yù)測,尤以河岸土質(zhì)易沖,水流湍急者為甚。俄羅斯和獨(dú)聯(lián)體一些國家,曾采用各類丁壩、預(yù)制混凝土環(huán)形體、混凝土砌塊四面體等。近來,中亞各河流開始采用柔性沉排,工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)各種護(hù)岸制件。綜觀國內(nèi)外護(hù)岸歷史當(dāng)數(shù)我國的護(hù)岸歷史悠久,利用塊石護(hù)岸具有較豐富的傳統(tǒng)經(jīng)驗。我國用塊石護(hù)腳或護(hù)底、砌石護(hù)坡為護(hù)岸工程的主要形式。1999~2002年長江重要堤防隱蔽工程護(hù)岸型式絕大部分也是用塊石護(hù)岸。由此可見,在我國和其他國家,塊石曾是護(hù)岸工程的主要材料。此外,護(hù)岸工程的材料還采用梢料、瀝青等。2.2護(hù)岸工程和土工織物應(yīng)用隨著高分子工業(yè)和科學(xué)的發(fā)展,與高分子化合物相關(guān)的土工織物愈來愈多地應(yīng)用于護(hù)岸工程,如模袋混凝土、各種軟體排等新護(hù)岸技術(shù)。在發(fā)達(dá)國家,與高分子化合物有關(guān)的新護(hù)岸技術(shù)有取代傳統(tǒng)護(hù)岸材料的趨勢。1957年,在荷蘭沿海海岸的護(hù)岸工程中首先應(yīng)用尼龍纖維制成的砂袋護(hù)岸。1958年,美國在佛羅里達(dá)州海岸工程中采用聚氯乙烯單線編織物代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂礫石護(hù)岸材料。1959年,日本成功地使用尼龍制成“織墊”或“砂袋”,以抗御水流的侵蝕。20世紀(jì)60年代末,土工織物在國外海岸防護(hù)工程中得到廣泛的應(yīng)用。1974年10月,江蘇省江都縣用聚氯乙烯編織布、上扣混凝土預(yù)制塊的“軟體排”,首次在長江下游嘶馬段應(yīng)用。1983年冬,湖北省荊州地區(qū)長江修防處設(shè)計的紡織布上壓編織土枕護(hù)岸試驗工程,經(jīng)洪水沖刷考驗,證明抗沖性能良好?！八茏o(hù)”經(jīng)過長江上車彎新河、天星閣、天字一號、洪湖田家口等處試行,實踐證明已取得良好效果。據(jù)統(tǒng)計,“塑護(hù)”試點(diǎn)工程比同樣的拋石護(hù)岸工程水下部分造價低30%。由于“塑護(hù)”工程造價低、投資少、并行之有效,故1985年汛前對位于八姓洲彎道水流頂沖與旁岸部位的七弓嶺中段1120m岸線,采用塑料編織袋土枕與塑料(尼龍)編織物枕墊進(jìn)行護(hù)坡護(hù)底和塊石護(hù)坡。1988年3月竣工的下荊江熊家洲河彎上段,后洲塑護(hù)段施工長度350m,至1991年經(jīng)歷四個水文年的水流沖刷,且水下工程未作加固,但其工程仍然完好,取得了較為顯著的工程效果和經(jīng)濟(jì)效益。1990年為安全渡汛,在下荊江荊江門河彎處實施塑枕護(hù)岸整險加固試驗工程,一期工程于1990年4月下旬竣工,收到一定的工程效果。為確保武漢鋼鐵公司泵站的正常運(yùn)用,長江水利委員會應(yīng)用鉸鏈混凝土板——聚酯纖維布沉排,取得了預(yù)期效果,為我國江河整治提供了采用土工織物的新型結(jié)構(gòu)型式。長江重要堤防隱蔽工程2001~2002年度護(hù)岸工程,在熊家洲彎道河段做了兩段模袋混凝土護(hù)岸的試驗工程,從最新施工情況中了解到,該項護(hù)岸技術(shù)較為成功。黃河試用了塑料編織袋土枕(簡稱土袋枕)護(hù)底新技術(shù)。1985~1987年,先后在山東鄄城、東明老君堂和高村等河段實施。工程建成后,經(jīng)過幾年汛期洪水考驗,抗沖性能強(qiáng),達(dá)到了預(yù)期的效果。遼河位于我國北方,年結(jié)冰期長,河岸土質(zhì)為粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土,在遼寧省康平縣蘭家護(hù)岸工程中采用了土工織物軟體排,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前遼寧省河道護(hù)岸工程較為普遍采用土工織物。現(xiàn)今,我國土工織物的應(yīng)用發(fā)展較快,在工程實踐中累積了不少的經(jīng)驗。近年來,國內(nèi)生產(chǎn)土工織物的廠家經(jīng)過努力,在產(chǎn)量和質(zhì)量上都有了很大提高。對土工織物應(yīng)用的學(xué)術(shù)理論研究正在許多大專院校和科研單位積極開展,土工織物方面的情報交流也不斷加強(qiáng)?？梢灶A(yù)料,土工織物在護(hù)岸工程中的應(yīng)用將獲得更大的發(fā)展。2.3土工織物護(hù)岸土工織物具有強(qiáng)度高,耐磨性能好,塑性良好的優(yōu)點(diǎn),且造價低,材料來源廣。從工程效果中得出土工編織布對河床變形的適應(yīng)性較好,可作為護(hù)坡護(hù)底防沖材料;配合壓枕用作“枕墊”將起到軟體排的作用。雖然土工織物在紫外線作用下易老化,但用于設(shè)計枯水位以下的護(hù)岸,其使用壽命大大增加,加之用于就地取材的壓載沙枕袋與河床有較好的親和力,使得該項護(hù)岸技術(shù)既廉價又先進(jìn)可靠。編織布用于水下護(hù)岸必須有較強(qiáng)的整體性,并使之緊貼床面才能有效地防止水流淘刷岸腳,同時在上面需加足夠的壓載,以防出現(xiàn)大的流速時,不致將枕墊掀起或卷走。土枕入水后,枕內(nèi)空氣泡冒出時易將枕袋鼓穿,袋中泥沙隨即散失,因此填充枕袋砂料要保證密實。缺點(diǎn)是它的抗沖和調(diào)整能力不如塊石,易受港區(qū)船泊拋錨等機(jī)械破壞。研究土工織物護(hù)岸的意義在于:(1)護(hù)岸工程在學(xué)科方面涉及到河流動力學(xué)、水力學(xué)、高分子化學(xué)、化學(xué)工藝學(xué)和土力學(xué)等多門科學(xué)領(lǐng)域。土工織物護(hù)岸工程的推廣使用,有助于使這些學(xué)科的基本知識結(jié)合起來,在工程實踐中加以運(yùn)用與探索,并在規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理、運(yùn)用與科學(xué)試驗等方面得到進(jìn)一步的發(fā)展。(2)開展和推廣土工織物在護(hù)岸工程上的應(yīng)用,不僅具有經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,而且對巖土工程的發(fā)展和整個國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著深遠(yuǎn)的歷史意義。它是對傳統(tǒng)技術(shù)的一項挑戰(zhàn),專家們譽(yù)之為土木工程界迄今最深刻的一場革命。(3)我國河流眾多,河道護(hù)岸戰(zhàn)線長,任務(wù)重,傳統(tǒng)的拋石護(hù)岸方法,已使石源匱乏,因而石材價格上漲,昂貴的塊石成本,無論是國家或集體投資都難以承受;另外,大量用塊石護(hù)岸需開山采石,嚴(yán)重影響環(huán)境保護(hù)。土工織物護(hù)岸有著優(yōu)于傳統(tǒng)的護(hù)岸方法的功能與特點(diǎn),推廣使用,盡量節(jié)省投資,是治河工作者的光榮職責(zé)。3反濾、過濾材料工業(yè)的發(fā)展以高分子化合物為主的軟體排和土工模袋護(hù)岸新技術(shù)是當(dāng)今