長江中下游河道崩岸治理工程淺析

長江中下游河道崩岸治理工程淺析

由于河流形勢的變化、主導水流的傾斜和河岸土壤的較差，長江中下游河流往往會發(fā)生坍塌。中華人民共和國成立50年來，對長江崩岸的治理基本采用平順拋石護岸工程形式，至2000年年底，僅安徽省內完成的拋石工程量就達1879萬m3。由于拋石工程量大，且大都在枯水期同時開工，造成石料供應緊張，使護岸工程質量、工期難以保證，尤其虛噸位較難控制。大量采石也嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境和自然景觀，使得沿江山巒滿目瘡痍，且被破壞的生態(tài)與環(huán)境很難恢復。由于拋石受水位、流速、流態(tài)及風浪等影響較大，拋石均勻度控制很難按要求均勻覆蓋設計的河床岸坡，工程整體結構性差，需加大斷面拋石方量，一般在長江干流旁每延米拋石量達100～150m3左右。每年隨著洪水的淘刷，又需不斷進行拋石加固，增加了拋石工程造價。由于長江崩岸是由水流特性、河岸地質、尤其是主流動力軸線的擺動等因素引起，不同水文年及不同河岸邊界條件總會發(fā)生崩岸。大水年時，河床急劇調整，崩岸往往加劇，大面積深崩往往短時間內就使長江干堤面臨潰堤危險，需及時搶護。因此，治理長江崩岸不僅是一項長期工作，還是一項公共安全的應急處置任務。2002年，安徽省水利廳會同中國水利水電科學研究院，在蕪湖市東梁山下游實施東梁山崩岸治理試驗工程，這是安徽省首次在江河崩岸治理中實施新材料、新工藝、新技術試驗工程。一、東梁地下河寬長，坡岸嚴重，生態(tài)難以控制試驗工程段崩岸直接影響蕪湖市城市防洪安全和馬鞍山河段河勢穩(wěn)定，蕪湖和馬鞍山河段均為長江中下游一類重點整治河段，蕪當江堤為長江重要2級堤防。長江流經(jīng)東西梁山卡口時，由于兩山對峙，河道窄深，水下最深處達65m(黃海高程)，河寬僅950m，為長江安徽段河道最深、最窄處。尤其東梁山伸出江邊達100多m，東梁山下形成400多m長的強烈洄流，近10十年來造成河床下切，深槽貼岸，邊坡陡峻，回流翻滾，導致東梁山下游江岸連續(xù)發(fā)生嚴重窩崩，地裂樹倒,岸壁直立,且以30m/a的速度逼近蕪當江堤。采用常規(guī)的平順拋石護岸已不能有效控制崩岸的惡性發(fā)展。東梁山崩岸治理試驗工程設計水上護坎形式為帶錨樁的鋼筋混凝土框架，梁內鋪土工布混凝土鎖塊護坎，水下護岸為復合加筋土工布充砂管袋軟體排，拋石壓重。1.結構體系及布置(1)設計帶錨樁的鋼筋混凝土框架梁，斜梁長14.23m，頂梁、底梁各長50m，為一個結構整體，分為5個單元格。所有梁下每隔3.5m布置一個錨樁。錨樁長度分別為2.0m、2.5m、3.0m，錨樁預制，與梁現(xiàn)澆，形成完整的錨定結構。(2)框架梁的頂梁至底梁間隔5m開挖一條排水盲溝。(3)排水盲溝上鋪設土工布反濾，土工布為300g/m2的無紡布。(4)混凝土鎖塊尺寸為50cm×50cm×12cm，兩腰部有梯形槽，腰部寬36cm，以便自鎖。(5)錨定溝與軟體排的連接,在梁下錨樁前開挖0.5m×0.5m溝槽，槽底與錨樁邊壁鋪土工布，埋設軟體排第一根縱向充砂管袋，將軟體排上所有加筋帶拉環(huán)拴在底梁的鋼環(huán)上，上部砌漿砌石枯水平臺。2.管袋、加筋帶充砂模袋排布采用410g/cm2的高強機織丙綸長絲土工布，模袋設計成框格型，垂直于水流方向有主管袋，充砂后直徑34～38cm，隔5m設一條，兩主管袋之間順水流方向設肋袋。管袋留有長30cm、直徑20cm的充砂口，當管袋充滿河砂后立即將充砂口系緊。在垂直于水流方向每間隔1m左右設7cm寬的雙層加筋帶，加筋帶頭尾設有拉環(huán)，帶尾拉環(huán)與水上框架梁底梁錨鉤連接,帶頭拉環(huán)與拖排船上的排架連接,加筋帶的作用主要是傳遞拉力。水下充砂模袋由專業(yè)廠家加工，每塊寬13m，長分別為63.8m、68.8m、73.8m、83.8m。二、施工技術和創(chuàng)新1.充砂船的協(xié)調作業(yè)施工中采用700t級經(jīng)改造的小型工程船，輔以配套充砂船協(xié)調作業(yè)，由下游至上游，由近岸至深槽進行沉排作業(yè)，完成的排體為順水流搭接。對施工設備、工藝進行多項革新，并由潛水員配合進行排體水下搭接及質量檢查。2.拖地排水過程排布定位分節(jié)疊好、拖排船定位→布置留排、充砂系統(tǒng)→排頭上排架→拖排船排架測量定位→分節(jié)充砂→分節(jié)拖排→割拉環(huán)（拔銷子）→排尾固定。3.充砂管線無砂料(1)充砂船布置在拖船下游獨立工作，充填河砂，就地取材。充砂船距拖排船距離20～30m，太近影響拖排船工作，太遠充砂管線長，易堵管。充砂管布置應盡量平直，減少高差、拐彎；充砂管線在充砂船與岸坡段應硬性支托，不能懸空，否則該處最易堵管。充砂軟管從下游向上排布，逐格充砂。(2)充砂設備用17kW、生產(chǎn)能力50m3/h的泥漿泵，將泥漿泵吊放至砂艙中，用水槍向泵四周射水，使水砂混合，再開啟泥漿泵，通過與泵連接的充砂軟管向管袋中充砂，砂水中的含砂量控制在70%～85%，濃度過大，管線易堵；濃度小，管袋內需二次甚至三次充砂，才能達到設計要求。充砂時泥漿泵一般不停，邊充邊拖，或充一節(jié)拖一節(jié)，每個管袋充砂一般需60s。管袋充滿后立即將充砂口扎牢。4.留排地錨的布置留排系統(tǒng)包括地錨、鋼絲繩、留放裝置。能否根據(jù)岸坡、河床的變化合理布置，是保證拖排成功及質量的關鍵。(1)留排用鋼絲繩，后面跟地錨連接固定并留放，前面跟排布連接，排布上下游各布置三根鋼絲繩，其中上下游各兩根作交替留排，另兩根固定留排尾兩角，排布拖到最后兩節(jié)時，下游移一根鋼絲繩到排尾中間留排。(2)留排地錨的位置根據(jù)水下地形岸坡長短而定，若拖排位置水下地形變化大，上游高下游低，排體拖拉時易向下游滑，下游留排地錨距排布應近一點，上游留排地錨距排布遠一點，形成側向拉力，避免排體向下游滑，這樣可以控制排體的上下游搭接寬度，反之則相反布置，若水下河床平順則等距布置。(3)留排鋼絲繩應始終拉緊，以控制排體的前進速度，如速度過快，排體慣性大，要邊留邊松，不能一下子留死，否則易造成鋼絲繩拉斷，進而造成排體滑脫，或空排滑入水中。5.．排架、拖排拖排前，先將工程船尾拋“八”字錨，中間拋主錨，船頭往岸上系“八”字纜定位。拖排船移至近岸，岸上排布定位疊好，排尾拉環(huán)接掛到框架底梁拉鉤上，每個拉環(huán)用丙綸帶纏繞，拖排船排架用準50鋼銷子，卸扣跟排頭10個拉環(huán)連接，銷子末端用準12鋼絲繩系到船上，然后將排架吊起，再用經(jīng)緯儀定位，定位時要保證上、下排體的搭接寬度。拖排時，將排架緩慢放下，并開始充砂，充完水面線以上一節(jié)或兩節(jié)管袋后開始啟動拖排，邊充邊拖，岸上與船上協(xié)調作業(yè)。排體拖到位后，留排鋼絲繩要固定好，讓排體先穩(wěn)定一段時間后，割除排頭或拔去銷子，潛水員檢查排體搭接情況，并將上、下游排體用帶子綁好，即完成一塊排體水下拖排工序。6.雙管錨定位施工由于開工晚，長江水位上漲快，施工現(xiàn)場坡腳出現(xiàn)嚴重淘刷，急需處理。為確保已整坡腳，施工方果斷將原定一次鋪拖長排改為二次鋪拖；即長排一分為二，排體原設計長度不變；先鋪設近岸10m短排，將短排充砂后迅速覆蓋水邊坡腳，施工中預留排尾管袋不充砂，待底梁初凝后立即開挖錨定溝，再將空管袋翻轉起鋪設在錨定溝內，系上拉環(huán)充砂灌壓，短排鋪完，緊接著再自下而上鋪設水下長排，并與短排連接，同時進行錨定溝的砌筑。實踐證明，水下軟體排能靈活分次拖排施工，不僅為水上護坎框架梁施工贏得了時間，解決了水上水下施工工序交叉的矛盾，而且及時護住已整坡腳，保護坡腳不受江水淘刷，防止發(fā)生新的崩塌。7.控制壓樁技術水上護坎工程框架梁下共需壓樁778根，由于工期緊,沒有任何類似施工經(jīng)驗及案例。如采用人工挖坑埋設或其他方案，經(jīng)現(xiàn)場模擬至少需35天時間，而且還不能準確定位，4月下旬江水必然上漲，工程肯定失敗。經(jīng)探索試驗,采用挖掘機啟樁定位、反鏟挖斗壓設，水準儀監(jiān)控壓樁技術，人工將樁身扶正垂直樁位，樁頭套上特制鋼帽后，用反鏟挖斗在水準儀監(jiān)控下壓設到位。有效解決了斜坡壓樁施工技術難題，提高了工程進度，達到壓樁130根/d，僅用5個工日就完成了全部樁基壓設，樁位及高程精度完全符合設計要求。8.預應力鎖塊護坎的施工護坎工程創(chuàng)新采用框架梁內鋪混凝土鎖塊工藝，由于混凝土鎖塊相互咬合，彼此嵌合緊密，其整體牢固性大大優(yōu)于傳統(tǒng)六角形混凝土塊護坡。但質量控制難度較大。經(jīng)過試驗及持續(xù)改進，創(chuàng)造了混凝土鎖塊護坎完整的施工流程。選擇專業(yè)廠家預制鎖塊，模具鋼度及尺寸精度是鎖塊護坡質量控制的關鍵。鋼度不夠會發(fā)生脹模，鎖塊變形；尺寸不準會造成鋪砌困難，縫隙增大，影響工程質量及外觀?；炷伶i塊鋪設前，要在坡面上設置縱、橫、斜向的砌體坡面控制線，以保證鎖塊鋪設整齊和表面平整度符合要求。為保證大面積整體平整度和外觀質量，采用熟練技工按10m框格逐格多作業(yè)面平行施工。三、工程效果分析1.水下試驗工程東梁山崩岸治理試驗工程由于采取了一系列科技創(chuàng)新技術，主體工程在當年汛前完工，汛期發(fā)揮效益。2009年年初專家組再次到現(xiàn)場回訪勘察，工程區(qū)江岸穩(wěn)定，局部出現(xiàn)回淤。水上帶錨樁的鋼筋框架梁護坎工程完好，經(jīng)抽樣翻檢水下充砂管袋軟體排亦完好無損。而試驗區(qū)上端原傳統(tǒng)拋石護岸區(qū)近岸，仍然發(fā)生幾處垮塌。顯示試驗工程結構牢固、安全，工程效果良好。為分析水上岸坡工程位移變化，設8組觀測點，安排技術人員定期觀測。經(jīng)5年觀測分析，工程完工后至今，水上護坡工程安全穩(wěn)定，基本沒有出現(xiàn)位移沉降變化。為分析水下軟體排工程效果，通過連續(xù)7年水下測圖跟蹤觀測，水下復合加筋土工布充砂管袋軟體排工程安全穩(wěn)定。施工區(qū)范圍河床普遍淤積，水下原有深槽淤平，岸坡明顯變緩，反映了該段河床由沖轉淤,強烈崩岸受到明顯遏制，河勢已經(jīng)穩(wěn)定。2.經(jīng)濟防護效果分析。在注意不可比東梁山崩岸治理試驗工程總造價559萬元，如采用單純拋石護岸，按正常設計及當年市場價為642.6萬元，工程投資相對節(jié)省。但軟體排工程由于整體結構性好，柔韌服帖，能適應河床變形，防護效果明顯優(yōu)于拋石。從研究分析看，軟體排上設計拋石壓重工程量可以減少。由于軟體排設計為框格管袋沖砂，自重較大，穩(wěn)定性好，又是整體覆蓋河床，因此，上部拋石壓重設計標準能降低50%；則試驗工程總造價為465萬元，將大大低于單純拋石工程。3.新型材料土工布產(chǎn)業(yè)(1)由于創(chuàng)新采用帶錨樁的鋼筋混凝土框架梁內鋪土工布混凝土鎖塊護坎，水下復合加筋土工布充砂管袋軟體排、拋石壓重護岸形式，工程上下相連、結構牢固。經(jīng)測算，充砂模袋軟體排壽命為50年，能適應不同水下地形條件，可使排體緊貼河床，整體覆蓋，造床固基，穩(wěn)定河勢，護岸工程效果可靠而持久。(2)新材料土工布軟體排能工業(yè)化大量生產(chǎn)，可廣泛應用于河道治理工