長江航道整治邊灘守護及護底工程關(guān)鍵技術(shù)研究

1、長江航道整治邊灘守護及護底工程關(guān)鍵技術(shù)研究報 告 簡 本1 概述長江作為我國第一大河流，是全國內(nèi)河航運最重要的水運主通道，水運條件十分優(yōu)越。長江干線航運是連接我國東、中、西部地區(qū)的重要紐帶，是實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重要依托，也是長江沿江經(jīng)濟持續(xù)、快速發(fā)展的重要支撐。為保障長江干流航道的暢通，從根本上解決淺灘礙航問題，特別是三峽水庫蓄水運用后，上游來沙量逐漸減少，受其影響，長江中下游河道內(nèi)的洲、灘受到不同程度的沖刷，水流特性更加復(fù)雜，從而對護灘建筑物的穩(wěn)定性提出了更高、更新的技術(shù)要求。在新的形勢下，要求積極探索新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的研究思路，確保整治工程效果以及全壽命成本最低。因此，為適應(yīng)長江中

2、下游不同類型灘體的沖刷變形特點，保證整治工程的質(zhì)量和整治效果，不僅需要對已有護邊灘（底）建筑物的平面布置、結(jié)構(gòu)型式進行總結(jié)、優(yōu)化，更需要對不同種類的新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的創(chuàng)新和提高。本項目針對長江航道整治邊灘護灘（底）工程關(guān)鍵技術(shù)問題，開展以下三個專題研究：專題一“邊灘水沙運動特點及護灘（底）建筑物破壞機理研究”；專題二“長江航道整治護灘（底）建筑物模擬技術(shù)研究”；專題三“邊灘護灘（底）建筑物布置與結(jié)構(gòu)研究”。2 主要研究內(nèi)容及成果2.1 主要研究內(nèi)容2.1.1專題一（1）在專題二對長江中下游各類邊灘形態(tài)、演變特征、護灘建筑物損毀類別、特征及原因等分析的基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的一種邊灘形態(tài)進

3、行水槽概化模型設(shè)計、制作及驗證；（2）通過水槽概化模型的定、動床試驗，研究無護灘建筑物條件時邊灘上的水流結(jié)構(gòu)與泥沙運動特性；（3）通過水槽概化模型的定、動床試驗，研究有護灘建筑物條件下的邊灘上水流結(jié)構(gòu)、泥沙運動特性及灘面受力特點；（4）護灘建筑物的沖刷變形及破壞過程與水力要素、灘體形態(tài)、組成的相互關(guān)系；（5）進行護灘建筑物保沙護灘及損毀機理研究。2.1.2 專題二（1）分析長江中下游各類邊灘的成因、河床組成和水流分布特性等，研究灘體和護灘建筑物的分類特點；（2）通過收集整理長江中下游航道整治護灘工程河段的基本資料，分析護灘建筑物的破壞情況及影響護灘建筑物穩(wěn)定性的主要因素；（3）研究護灘建筑物概

4、化模型的模擬技術(shù)，包括：護灘建筑物模擬的相似條件、模擬材料的選擇與特性、模型沙的選擇以及模型操作控制技術(shù)等方面。2.1.3 專題三（1）收集國內(nèi)外，特別是長江中下游已有邊灘護灘（底）建筑物的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究成果；（2）結(jié)合工程運行后的實際情況，通過典型案例對散拋塊體、壩體、軟體排等護灘（底）建筑物的適用條件、優(yōu)缺點進行分析；（3）通過水槽試驗，進行軟體排和四面六邊透水框架護灘效果研究；（4）結(jié)合專題一研究成果，從護灘（底）建筑物結(jié)構(gòu)和功能破壞兩方面進行護灘（底）工程總體效果判別標準探討；（5）根據(jù)專題一、二研究成果確定護灘帶守護部位、重點，采用水槽概化模型試驗手段，研究護灘（底）帶的平面布置；（

5、6）采用現(xiàn)場調(diào)研、水槽概化模型試驗、現(xiàn)場試驗等手段，對四面六邊透水框架、SX型排和三維植被網(wǎng)草皮護灘結(jié)構(gòu)進行研究，提出加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的措施。2.2 項目研究取得的主要成果2.2.1專題一主要成果（1）根據(jù)邊灘的形態(tài)特征進行水槽概化，灘體形態(tài)采用邊灘壓縮比20%、30%、45%，長寬比5:1、6:1、8:1，灘頂高15cm；采用正態(tài)模型比尺1:60，河床質(zhì)泥沙采用=0.14mm和的木屑進行模擬，選用專題二研制的護灘帶、四面透水框架，基本滿足各項相似性要求。（2）試驗結(jié)果揭示了邊灘水沙運動具有以下主要特點：一般灘體側(cè)的縱比降較大，流速越大、或者灘體壓縮比越大，縱比降越大；隨著水深的增加，或者灘體長

6、寬比增大時，縱比降趨緩。非淹沒時邊灘上下游的橫向比降方向相反；淹沒時，在壓縮比較大才出現(xiàn)上下游橫比降相反方向；邊灘附近的橫比降隨水深增加、壓縮比增加、或者長寬比增大而減小；流速越大，橫比降越大，各因素引起的比降變化也越明顯。灘體上游流速較小、水流行近灘體時，受灘體擠壓影響使得流速沿程快速增加，灘腳附近橫向流速梯度達到最大，在灘體的中下游灘唇處縱向流速達到峰值，而后逐漸減小，最終在離開灘體下游一定距離趨于平穩(wěn)。淹沒時灘體下游出現(xiàn)回流，灘體頂部為灘面流速峰值區(qū)，非淹沒時灘體下游、邊灘順直段灘唇附近出現(xiàn)回流，灘體迎流面與順直段交界處為灘面流速峰值區(qū)。流速高值區(qū)一般對應(yīng)水位低值區(qū)。灘體壓縮比、或者長寬

7、比越大，灘唇流速越大；水深越大，流速峰值位置靠向灘體中心；流速越大、水深越小，流速變化愈明顯。上游泥沙向下輸移接近灘體時，泥沙繞灘體側(cè)緣呈帶狀下行。灘體的上、下游部位有泥沙淤積。水深越大，泥沙輸移帶趨直、靠近灘體更高部位而下，灘體附近泥沙輸移愈分散。邊灘在無防護狀態(tài)下，灘體變化以灘槽的重新塑造為主，灘體上、下游端均出現(xiàn)淤積，灘體沖淤部位及沖淤量與水流條件、灘型等有關(guān)，灘體總體向下游移動。非淹沒情況時灘體迎流面與順直段交界處為主要沖刷部位，灘腳附近形成深而陡的沖刷坑，灘體瘦長、高大；淹沒時水流漫灘，灘體頂部遭受沖刷，灘體寬長、低矮。流速較大時，灘槽變化較明顯，灘體上、下游端淤積程度也較明顯；流速

8、越大、或者水深越大、或者灘體長寬比越大，灘體沖刷量越大。（3）根據(jù)大量已建護灘建筑物的效果觀測資料分析，認為：護灘帶護灘后，灘體沖刷量大部分得到控制。四面透水框架護灘后灘體沖刷量明顯減小，護灘效果較護灘帶好。影響護灘帶破壞的主要因素包括水流條件、河床組成、護灘帶平面布置、自身結(jié)構(gòu)及施工工藝等。流速大小是護灘帶破壞的動力因素，局部沖刷坑的形成是護灘帶破壞的誘發(fā)原因，編織布、系結(jié)條、及接縫部位的抗拉強度不夠是護灘帶破壞的直接原因。邊灘在有防護狀態(tài)下，灘體下移速度減緩，受護灘面難以沖刷，而未護灘面受水流作用逐漸沖刷下切，護灘帶邊緣蟄陷，凸起部位的周邊水流局部紊動強烈，加速護灘帶邊緣沖刷坑的形成，隨著

9、沖刷坑的發(fā)展，因護灘帶具有一定延展性而逐漸下降覆蓋沖刷坑，護灘帶邊緣出現(xiàn)“懸掛、架空”現(xiàn)象。護灘帶與灘面間出現(xiàn)空隙，水流從護灘帶下部穿過，直接作用于受護灘面；此外，護灘帶表面不同部位的流速差造成護灘帶底下不同位置的壓力差，使得護灘帶底下泥沙發(fā)生運動，促使護灘帶出現(xiàn)鼓包或者塌陷現(xiàn)象。（4）護灘建筑物受力試驗表明：沖刷初始階段，塊體間脈動拉力迅速增大，沖刷至某一階段達到最大值，之后沖刷坑逐漸達到?jīng)_刷平衡，脈動拉力逐漸趨于穩(wěn)定；流速越大、或者水深越小，脈動拉力就越大。（5）經(jīng)試驗研究，護灘帶的破壞機理為：水流沖刷未護灘面后，護灘帶邊緣沖刷坑形成，水流紊動加劇，護塊與護塊之間的脈動力迅速增加，排體下降

10、貼合受沖灘面繼續(xù)護灘，當(dāng)坡度較陡時，系結(jié)條可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，塊體移動或脫落，護灘效果減弱；隨著沖刷坑的發(fā)展，邊緣排墊出現(xiàn)“懸掛、架空”等變形，原受護灘面受水流淘刷，當(dāng)沖刷坑發(fā)展到一定階段，變形的護灘帶受力達到一定值或排體脈動壓力瞬時增大，護灘帶變形一側(cè)或兩側(cè)的排墊受力大于其抗拉強度，排墊撕裂，系結(jié)條斷裂、塊體脫落，護灘帶破壞，撕裂處灘面失去保護，直接受水流沖刷，沖刷坑向護灘帶內(nèi)部發(fā)展。2.2.2 專題二主要成果 （1）通過收集整理長江中下游邊灘灘體沖刷破壞的實例等基本資料結(jié)合理論分析，給出影響灘體破壞的主要因素為河段特性、水流特性、泥沙特性、沖刷時間和有無護灘建筑物等。（2）研究解決了護灘建

11、筑物概化模型試驗?zāi)M關(guān)鍵技術(shù)，包括模型沙選擇、邊灘附近的水流結(jié)構(gòu)模擬、護灘建筑物變形及破壞模擬、護灘建筑物受力模擬等。這些模擬技術(shù)能較好的應(yīng)用于整治建筑物破壞機理研究和整治方案的物理模型試驗研究。 選定X型系砼塊軟體排(簡稱X型排)作為進行模擬的護灘建筑物，選取兩種比尺（1:60和1:10），從幾何相似、重力相似、平面布置相似以及變形相似等方面進行相似模擬，解決了護灘建筑物概化模型相似性設(shè)計技術(shù)。系統(tǒng)模擬了灘體周圍有無護灘建筑物守護時灘體沖刷破壞情況。無護灘建筑物守護的沖刷主要表現(xiàn)為灘面沖刷，而且灘面沖刷幅度有隨流量的增大而加大的趨勢；有護灘建筑物守護的左岸灘面基本不動，灘槽交界處受到嚴重沖刷

12、，而且沖刷力度和沖刷坑的深度隨流量的增大而加大，隨水深的增加而減弱。較好地模擬出軟體排型護灘帶邊緣塌陷、排中部鼓包、排中部塌陷及邊緣排體懸掛等主要破壞形式，基本反映了原型河床與護灘帶的變形特征，進一步證明本文提出的護灘建筑物的模擬和試驗控制技術(shù)，能夠用于試驗解決護灘建筑物的破壞機理和實體模擬技術(shù)問題。 原型護灘帶邊緣塌陷照片 模型護灘帶邊緣塌陷照片 原型護灘帶中部鼓包照片 模型護灘帶中部塌陷照片 原型護灘帶中部塌陷照片 模型護灘帶中部塌陷照片 原型護灘帶邊緣排體懸掛照片 模型護灘帶邊緣排體懸掛照片（3）通過定床試驗和清水沖刷試驗，分析研究了邊灘附近的水流結(jié)構(gòu)及水流紊動規(guī)律，建立了邊灘附近水流紊

13、動及壓力脈動頻率、能量、流速與沖刷之間的關(guān)系。脈動動能的變化趨勢為：靠近左岸的灘面處脈動動能較小，灘槽交界處的脈動動能變化很大，深槽處脈動動能較小變化也比較平穩(wěn)。脈動動能較強的地方位于灘頭和灘尾處，隨著流量的增加，灘尾紊動區(qū)的分布范圍越來越廣泛，其值也越來越大，隨著水深的增大，邊灘頭部和灘尾處的水流紊動動能逐漸變小。（4）通過試驗研究分析了邊灘護灘帶頭部沖刷坑深度的主要影響因素，提出了沖刷坑范圍的確定方法和沖刷坑深度的計算公式。2.2.3 專題三主要成果 （1）根據(jù)對國內(nèi)外主要河流上已建護灘建筑物的調(diào)研分析，將護灘建筑物分為實體建筑物和透水建筑物結(jié)構(gòu)兩類。實體建筑物結(jié)構(gòu)不允許水流透過壩體，導(dǎo)流

14、能力強，建筑物前沖刷坑深，多用于重型永久性工程。透水結(jié)構(gòu)允許水流穿越壩體，導(dǎo)流能力較實體建筑物小，建筑物前沖刷坑淺，有緩流落淤作用。 （2）提出了四種護灘（底）結(jié)構(gòu)的使用條件：適用于水深大，流速大惡劣條件的散拋塊體或袋裝沙；適用于水深較小的壩體護底結(jié)構(gòu)；適用于河床岸坡較緩的軟體排；施工前不需要進行地基處理、不易下沉、適用于任何地形的新型四面六邊透水框架結(jié)構(gòu)。（3）提出四面六邊透水框架是一種值得大力推廣的新型護灘結(jié)構(gòu)。水槽試驗結(jié)果表明：四面六邊透水框架防護后，減速促淤作用十分明顯。與傳統(tǒng)護灘工程相比，四面六邊透水框架具有能有效地避免實體護岸工程基礎(chǔ)容易被淘刷而影響自身穩(wěn)定問題，且適應(yīng)河床地形變化

15、能力強，不需要地基處理，不易下沉，自身穩(wěn)定，施工簡單，成本低等優(yōu)點。軟體排結(jié)合框架群護灘效果圖結(jié)合現(xiàn)場試驗，透水框架群用于預(yù)留變形區(qū)護灘（底）、軟體排接縫處理及邊緣預(yù)埋中效果較好。東流水道透水框架現(xiàn)場試驗2個水文年后效果（4）通過水槽試驗，從功能和結(jié)構(gòu)兩方面探討了護灘（底）工程總體效果判別標準。（5）提出三維植被網(wǎng)護灘新技術(shù)。根據(jù)植被保持水土的原理，以三維土工網(wǎng)墊作為加筋材料，利用三維植被網(wǎng)墊護灘具有固土性能優(yōu)良、網(wǎng)絡(luò)加筋作用突出、消能作用明顯及保溫功能良好的特點，能很好地應(yīng)用于長江航道系統(tǒng)整治工程建設(shè)中。3依托工程隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和長江航運事業(yè)的發(fā)展，長江航道建設(shè)步伐開始加快。根據(jù)長

16、江干流航道治理總體規(guī)劃，到2020年，長江中下游自中游宜都到河口白茆沙等一大批淺灘水道將進行重點治理?！笆濉逼陂g，長江中游陸續(xù)實施了長江航道清淤應(yīng)急工程、碾子灣水道、陸溪口水道、嘉魚燕窩水道、羅湖洲水道、張家洲南港下淺區(qū)、東流水道等航道整治工程；“十一五”期間，長江中游瓦口子水道、馬家咀水道、周天河段等航道整治工程率先實施，另有一批灘險如窯監(jiān)、戴家洲、牯牛沙、張家洲南港上淺區(qū)、馬當(dāng)、安慶、土橋、口岸直等河段（水道）航道整治工程前期工作正在按計劃進行。本項目主要以長江中游馬家咀水道航道整治一期工程，長江中游周天河段航道整治控導(dǎo)工程作為依托工程，采集相關(guān)數(shù)據(jù)資料，進行試驗分析研究。4項目突破的關(guān)

17、鍵技術(shù)4.1 專題一突破的關(guān)鍵技術(shù)（1）通過數(shù)值計算與水槽概化試驗，揭示了不同邊灘形態(tài)及不同來流條件下，邊灘河段的水位、流速及比降的變化規(guī)律，以及推移質(zhì)泥沙的輸移特性。（2）首次系統(tǒng)研究了不同水流條件下，有、無護灘建筑物防護的不同邊灘形態(tài)的沖淤特性。（3）通過對護灘帶破壞的影響因素分析、護灘帶脈動拉力試驗及受力分析，提出了護灘帶常見的邊緣塌陷、懸掛，排體中部“鼓包”、塌陷等破壞類型的破壞機理。4.2 專題二突破的關(guān)鍵技術(shù)（1）選定X型系砼塊軟體排(簡稱X型排)作為進行模擬的護灘建筑物，選取兩種比尺（1：60和1：10），從幾何相似、重力相似、平面布置相似以及變形相似等方面進行相似模擬，解決了護

18、灘建筑物概化模型相似性設(shè)計技術(shù)。（2）研究解決了護灘建筑物概化模型試驗?zāi)M關(guān)鍵技術(shù)，包括模型沙選擇、邊灘附近的水流結(jié)構(gòu)模擬，特別是首次研究了護灘建筑物變形及破壞模擬、護灘建筑物受力模擬等。（3）通過定床試驗和清水沖刷試驗，分析研究了邊灘附近的水流結(jié)構(gòu)及水流紊動規(guī)律，建立了邊灘附近水流紊動及壓力脈動頻率、能量、流速與沖刷之間的關(guān)系。（4）通過試驗較好地模擬出軟體排的主要破壞形式，給出了護灘帶邊緣沖刷坑范圍的確定方法和沖刷坑的計算公式。4.3 專題三突破的關(guān)鍵技術(shù)（1）總結(jié)了長江航道護灘（底）建筑物多種結(jié)構(gòu)型式以及護灘帶平面布置主要型式（整體守護、集中守護和條狀間斷守護）及其適用條件。（2）通過現(xiàn)

19、場試驗，將透水框架應(yīng)用于護底排邊緣防沖促淤，取得了較好的效果。（3）結(jié)合依托工程對軟體排進行了接縫處理、邊緣預(yù)埋等大量的現(xiàn)場試驗，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。5 項目的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益及推廣應(yīng)用前景5.1 經(jīng)濟效益（1）為長江航道系統(tǒng)整治工程中最為常見的護灘工程提供合理可行的平面布置形式，為整治工程立項和順利實施提供決策依據(jù)，這對于保證整治工程的質(zhì)量和效果具有十分重要的作用。（2）項目研究成果推廣應(yīng)用到長江航道系統(tǒng)治理工程中，有利于增強整治建筑物穩(wěn)定性，延長整治建筑物壽命，減少日常維修量和大洪水水毀維修量，減少維修費用約20%左右。（3）為長江中下游航道治理提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支持，加快前期工作進度

20、，提高設(shè)計工作效率和質(zhì)量，縮短約15%左右的設(shè)計周期。（4）為河流模擬與航道整治理論發(fā)展提供新素材和新經(jīng)驗，有利于科研成果及時轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，推動航道治理技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進步。5.2 社會效益長江中游航道整治工程屬國民經(jīng)濟公用性的基礎(chǔ)設(shè)施項目，整治工程實施后將產(chǎn)生廣泛的社會效益。（1）可以確保長江中游航道暢通，避免出現(xiàn)阻礙航行的局面，確保工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常順利進行，為經(jīng)濟發(fā)展提供可靠的物質(zhì)保證。（2）長江中游航道作為承東啟西和聯(lián)系上下游經(jīng)濟腹地的重要通道，隨著長江經(jīng)濟帶的發(fā)展的國家對西部大開發(fā)戰(zhàn)略決策的實施，長江運輸量將有較大提高，工程實施后，能夠保證東西部物質(zhì)交流與經(jīng)濟交流，為西部經(jīng)濟發(fā)展提供

21、水上交通便利。（3）工程實施后，能夠更好地發(fā)揮長江三峽工程的航運效益以及滿足日益發(fā)展的干支直達運輸、江海運輸和海輪進江的需要。（4）工程實施后，改善航道條件，同時也改善了港口航行條件可以擴大港口吞吐能力，有助于沿江地區(qū)人民生活水平和經(jīng)濟發(fā)展水平的提高。（5）航道治理的經(jīng)驗和方法不僅可以用于長江航道，也可以用于其他河流、海岸工程；還可應(yīng)用于水利、堤防、水電、港口等眾多領(lǐng)域。社會效益顯著。5.3 環(huán)境效益長江中游航道整治工程具有巨大的生態(tài)與環(huán)境效益。生態(tài)、環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展應(yīng)同步進行，在經(jīng)濟發(fā)展的同時必須保護和改善環(huán)境。人類社會不能停滯不前。1972年6月在斯德哥爾摩召開的聯(lián)合國會議，頒布了斯德哥

22、爾摩人類環(huán)境宣言，會議提出的環(huán)境保護的概念，不是著眼于停止發(fā)展而是鼓勵發(fā)展，認為不能因為發(fā)展帶來某些危害而停滯不前。長江中游航道整治工程是綜合治理長江的關(guān)鍵性工程，可以防治洪澇災(zāi)害，并為國民經(jīng)濟發(fā)展提供有利的航運條件。此外它還是一項巨大的生態(tài)工程，其改善生態(tài)與環(huán)境的效益是明顯的。因此，本項目研究可以為今后的國民經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大的環(huán)境效益。5.4 推廣應(yīng)用情況及前景5.4.1 成果應(yīng)用情況隨著三峽工程的蓄水運用，長江中游河床將會出現(xiàn)一些新的變化，航道條件也將會產(chǎn)生一些不利的影響。為了減弱三峽工程對長江中游航道帶來的不利變化，需要對目前較為有利的灘型進行守護，因此，護灘帶這種新型航道整治建筑物必將得到大規(guī)模采用。本項目研究成果已有部分在工程實際中得到應(yīng)用，另有部分成果在工程設(shè)計中采用，豐富了長江中下游航道整治學(xué)科內(nèi)