长江中下游河道崩岸治理工程浅析

长江中下游河道崩岸治理工程浅析

由于河流形势的变化、主导水流的倾斜和河岸土壤的较差，长江中下游河流往往会发生坍塌。中华人民共和国成立50年来，对长江崩岸的治理基本采用平顺抛石护岸工程形式，至2000年年底，仅安徽省内完成的抛石工程量就达1879万m3。由于抛石工程量大，且大都在枯水期同时开工，造成石料供应紧张，使护岸工程质量、工期难以保证，尤其虚吨位较难控制。大量采石也严重破坏了生态环境和自然景观，使得沿江山峦满目疮痍，且被破坏的生态与环境很难恢复。由于抛石受水位、流速、流态及风浪等影响较大，抛石均匀度控制很难按要求均匀覆盖设计的河床岸坡，工程整体结构性差，需加大断面抛石方量，一般在长江干流旁每延米抛石量达100～150m3左右。每年随着洪水的淘刷，又需不断进行抛石加固，增加了抛石工程造价。由于长江崩岸是由水流特性、河岸地质、尤其是主流动力轴线的摆动等因素引起，不同水文年及不同河岸边界条件总会发生崩岸。大水年时，河床急剧调整，崩岸往往加剧，大面积深崩往往短时间内就使长江干堤面临溃堤危险，需及时抢护。因此，治理长江崩岸不仅是一项长期工作，还是一项公共安全的应急处置任务。2002年，安徽省水利厅会同中国水利水电科学研究院，在芜湖市东梁山下游实施东梁山崩岸治理试验工程，这是安徽省首次在江河崩岸治理中实施新材料、新工艺、新技术试验工程。一、东梁地下河宽长，坡岸严重，生态难以控制试验工程段崩岸直接影响芜湖市城市防洪安全和马鞍山河段河势稳定，芜湖和马鞍山河段均为长江中下游一类重点整治河段，芜当江堤为长江重要2级堤防。长江流经东西梁山卡口时，由于两山对峙，河道窄深，水下最深处达65m(黄海高程)，河宽仅950m，为长江安徽段河道最深、最窄处。尤其东梁山伸出江边达100多m，东梁山下形成400多m长的强烈洄流，近10十年来造成河床下切，深槽贴岸，边坡陡峻，回流翻滚，导致东梁山下游江岸连续发生严重窝崩，地裂树倒,岸壁直立,且以30m/a的速度逼近芜当江堤。采用常规的平顺抛石护岸已不能有效控制崩岸的恶性发展。东梁山崩岸治理试验工程设计水上护坎形式为带锚桩的钢筋混凝土框架，梁内铺土工布混凝土锁块护坎，水下护岸为复合加筋土工布充砂管袋软体排，抛石压重。1.结构体系及布置(1)设计带锚桩的钢筋混凝土框架梁，斜梁长14.23m，顶梁、底梁各长50m，为一个结构整体，分为5个单元格。所有梁下每隔3.5m布置一个锚桩。锚桩长度分别为2.0m、2.5m、3.0m，锚桩预制，与梁现浇，形成完整的锚定结构。(2)框架梁的顶梁至底梁间隔5m开挖一条排水盲沟。(3)排水盲沟上铺设土工布反滤，土工布为300g/m2的无纺布。(4)混凝土锁块尺寸为50cm×50cm×12cm，两腰部有梯形槽，腰部宽36cm，以便自锁。(5)锚定沟与软体排的连接,在梁下锚桩前开挖0.5m×0.5m沟槽，槽底与锚桩边壁铺土工布，埋设软体排第一根纵向充砂管袋，将软体排上所有加筋带拉环拴在底梁的钢环上，上部砌浆砌石枯水平台。2.管袋、加筋带充砂模袋排布采用410g/cm2的高强机织丙纶长丝土工布，模袋设计成框格型，垂直于水流方向有主管袋，充砂后直径34～38cm，隔5m设一条，两主管袋之间顺水流方向设肋袋。管袋留有长30cm、直径20cm的充砂口，当管袋充满河砂后立即将充砂口系紧。在垂直于水流方向每间隔1m左右设7cm宽的双层加筋带，加筋带头尾设有拉环，带尾拉环与水上框架梁底梁锚钩连接,带头拉环与拖排船上的排架连接,加筋带的作用主要是传递拉力。水下充砂模袋由专业厂家加工，每块宽13m，长分别为63.8m、68.8m、73.8m、83.8m。二、施工技术和创新1.充砂船的协调作业施工中采用700t级经改造的小型工程船，辅以配套充砂船协调作业，由下游至上游，由近岸至深槽进行沉排作业，完成的排体为顺水流搭接。对施工设备、工艺进行多项革新，并由潜水员配合进行排体水下搭接及质量检查。2.拖地排水过程排布定位分节叠好、拖排船定位→布置留排、充砂系统→排头上排架→拖排船排架测量定位→分节充砂→分节拖排→割拉环（拔销子）→排尾固定。3.充砂管线无砂料(1)充砂船布置在拖船下游独立工作，充填河砂，就地取材。充砂船距拖排船距离20～30m，太近影响拖排船工作，太远充砂管线长，易堵管。充砂管布置应尽量平直，减少高差、拐弯；充砂管线在充砂船与岸坡段应硬性支托，不能悬空，否则该处最易堵管。充砂软管从下游向上排布，逐格充砂。(2)充砂设备用17kW、生产能力50m3/h的泥浆泵，将泥浆泵吊放至砂舱中，用水枪向泵四周射水，使水砂混合，再开启泥浆泵，通过与泵连接的充砂软管向管袋中充砂，砂水中的含砂量控制在70%～85%，浓度过大，管线易堵；浓度小，管袋内需二次甚至三次充砂，才能达到设计要求。充砂时泥浆泵一般不停，边充边拖，或充一节拖一节，每个管袋充砂一般需60s。管袋充满后立即将充砂口扎牢。4.留排地锚的布置留排系统包括地锚、钢丝绳、留放装置。能否根据岸坡、河床的变化合理布置，是保证拖排成功及质量的关键。(1)留排用钢丝绳，后面跟地锚连接固定并留放，前面跟排布连接，排布上下游各布置三根钢丝绳，其中上下游各两根作交替留排，另两根固定留排尾两角，排布拖到最后两节时，下游移一根钢丝绳到排尾中间留排。(2)留排地锚的位置根据水下地形岸坡长短而定，若拖排位置水下地形变化大，上游高下游低，排体拖拉时易向下游滑，下游留排地锚距排布应近一点，上游留排地锚距排布远一点，形成侧向拉力，避免排体向下游滑，这样可以控制排体的上下游搭接宽度，反之则相反布置，若水下河床平顺则等距布置。(3)留排钢丝绳应始终拉紧，以控制排体的前进速度，如速度过快，排体惯性大，要边留边松，不能一下子留死，否则易造成钢丝绳拉断，进而造成排体滑脱，或空排滑入水中。5.．排架、拖排拖排前，先将工程船尾抛“八”字锚，中间抛主锚，船头往岸上系“八”字缆定位。拖排船移至近岸，岸上排布定位叠好，排尾拉环接挂到框架底梁拉钩上，每个拉环用丙纶带缠绕，拖排船排架用准50钢销子，卸扣跟排头10个拉环连接，销子末端用准12钢丝绳系到船上，然后将排架吊起，再用经纬仪定位，定位时要保证上、下排体的搭接宽度。拖排时，将排架缓慢放下，并开始充砂，充完水面线以上一节或两节管袋后开始启动拖排，边充边拖，岸上与船上协调作业。排体拖到位后，留排钢丝绳要固定好，让排体先稳定一段时间后，割除排头或拔去销子，潜水员检查排体搭接情况，并将上、下游排体用带子绑好，即完成一块排体水下拖排工序。6.双管锚定位施工由于开工晚，长江水位上涨快，施工现场坡脚出现严重淘刷，急需处理。为确保已整坡脚，施工方果断将原定一次铺拖长排改为二次铺拖；即长排一分为二，排体原设计长度不变；先铺设近岸10m短排，将短排充砂后迅速覆盖水边坡脚，施工中预留排尾管袋不充砂，待底梁初凝后立即开挖锚定沟，再将空管袋翻转起铺设在锚定沟内，系上拉环充砂灌压，短排铺完，紧接着再自下而上铺设水下长排，并与短排连接，同时进行锚定沟的砌筑。实践证明，水下软体排能灵活分次拖排施工，不仅为水上护坎框架梁施工赢得了时间，解决了水上水下施工工序交叉的矛盾，而且及时护住已整坡脚，保护坡脚不受江水淘刷，防止发生新的崩塌。7.控制压桩技术水上护坎工程框架梁下共需压桩778根，由于工期紧,没有任何类似施工经验及案例。如采用人工挖坑埋设或其他方案，经现场模拟至少需35天时间，而且还不能准确定位，4月下旬江水必然上涨，工程肯定失败。经探索试验,采用挖掘机启桩定位、反铲挖斗压设，水准仪监控压桩技术，人工将桩身扶正垂直桩位，桩头套上特制钢帽后，用反铲挖斗在水准仪监控下压设到位。有效解决了斜坡压桩施工技术难题，提高了工程进度，达到压桩130根/d，仅用5个工日就完成了全部桩基压设，桩位及高程精度完全符合设计要求。8.预应力锁块护坎的施工护坎工程创新采用框架梁内铺混凝土锁块工艺，由于混凝土锁块相互咬合，彼此嵌合紧密，其整体牢固性大大优于传统六角形混凝土块护坡。但质量控制难度较大。经过试验及持续改进，创造了混凝土锁块护坎完整的施工流程。选择专业厂家预制锁块，模具钢度及尺寸精度是锁块护坡质量控制的关键。钢度不够会发生胀模，锁块变形；尺寸不准会造成铺砌困难，缝隙增大，影响工程质量及外观。混凝土锁块铺设前，要在坡面上设置纵、横、斜向的砌体坡面控制线，以保证锁块铺设整齐和表面平整度符合要求。为保证大面积整体平整度和外观质量，采用熟练技工按10m框格逐格多作业面平行施工。三、工程效果分析1.水下试验工程东梁山崩岸治理试验工程由于采取了一系列科技创新技术，主体工程在当年汛前完工，汛期发挥效益。2009年年初专家组再次到现场回访勘察，工程区江岸稳定，局部出现回淤。水上带锚桩的钢筋框架梁护坎工程完好，经抽样翻检水下充砂管袋软体排亦完好无损。而试验区上端原传统抛石护岸区近岸，仍然发生几处垮塌。显示试验工程结构牢固、安全，工程效果良好。为分析水上岸坡工程位移变化，设8组观测点，安排技术人员定期观测。经5年观测分析，工程完工后至今，水上护坡工程安全稳定，基本没有出现位移沉降变化。为分析水下软体排工程效果，通过连续7年水下测图跟踪观测，水下复合加筋土工布充砂管袋软体排工程安全稳定。施工区范围河床普遍淤积，水下原有深槽淤平，岸坡明显变缓，反映了该段河床由冲转淤,强烈崩岸受到明显遏制，河势已经稳定。2.经济防护效果分析。在注意不可比东梁山崩岸治理试验工程总造价559万元，如采用单纯抛石护岸，按正常设计及当年市场价为642.6万元，工程投资相对节省。但软体排工程由于整体结构性好，柔韧服帖，能适应河床变形，防护效果明显优于抛石。从研究分析看，软体排上设计抛石压重工程量可以减少。由于软体排设计为框格管袋冲砂，自重较大，稳定性好，又是整体覆盖河床，因此，上部抛石压重设计标准能降低50%；则试验工程总造价为465万元，将大大低于单纯抛石工程。3.新型材料土工布产业(1)由于创新采用带锚桩的钢筋混凝土框架梁内铺土工布混凝土锁块护坎，水下复合加筋土工布充砂管袋软体排、抛石压重护岸形式，工程上下相连、结构牢固。经测算，充砂模袋软体排寿命为50年，能适应不同水下地形条件，可使排体紧贴河床，整体覆盖，造床固基，稳定河势，护岸工程效果可靠而持久。(2)新材料土工布软体排能工业化大量生产，可广泛应用于河道治理工