（水利工程专业论文）黄河下游坝岸工程问题研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的。学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：监日期：2 业j 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：噩宝生导师签名： 珊掣 山东人学琐i + 学位论文 摘要 黄河下游河道善淤善徙，不同河段的形态、特性差异很大。因此， 无论是整治措施还是整治建筑物的结构和布置形式都应根据当地情况 相宜选择，不能生搬硬套。工程建筑材料应尽量采用新型、高效材料 或当地容易取得的材料，以节约工程投资。 本文对黄河下游坝岸工程问题进行研究。首先简述了黄河下游河 道的整治方法、建筑物结构，介绍了大量的国内外河道整治文献和资 料及国内外最新的河道整治及其建筑物的动态：然后着重对黄河下游 河道险工的整治技术进行了探讨。内容包括：根据工程实践经验和收 集到的黄河下游坝岸工程资料对黄河下游坝岸出险成因及规律进行了 分析，研究探讨了根石走失规律；黄河不透水丁坝的冲刷机理的探讨； 利用实测资料和模型试验资料，归纳并提出不透水丁坝坝头冲刷深度 计算公式；以不透水丁坝的研究成果为基础，进一步对透水丁坝的冲 刷机理和冲刷公式进行了探讨，提出了透水丁坝坝头冲刷深度的计算 公式；此外，对坝式护岸工程进行了研究，在探讨框格混凝土板框格 中的淘刷深度中，指出了水平轴环流强度是影响淘刷深度的主要因素， 并进行了讨论，提出了框格混凝土板的设计思想。 该内容涉及坝岸工程的许多研究领域，取得了重要成果，特别在 透水丁坝减少坝头冲刷深度的研究成果对于黄河下游大量的丁坝工程 的防护具有重要的参考价值。 关键词：坝岸结构防护工程 山东人学硕j 二学位论文 a b s t r a 0 1 ： t h ed o w ns t r e a mc h a n n e lo ft h ey e l l o wr i v e rt e n d st ob es i l t e da n d s h i f t ，a c c o r d i n g l y ，t h es t y l ea n dp r o p e r t yo fd i f f e r e n tr e a c hv a r i e sg r e a t l y s o ，i ti sm u s tb eb a s e do nt h el o c a lc o n d i t i o n st oc h o o s ea p p r o p r i a t e l y n e i t h e rt h eh a r n e s s i n ge n g i n e e r i n gm e a s u r e so rt h es t r u c t u r ea n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h eh a r n e s s i n g b u i l d i n g d o n tc o p ym e c h a n i c a l l y i n d i s r e g a r do fs p e c i f i c c o n d i t i o n s i no r d e rt os a v et h e e n g i n e e r i n g i n v e s t m e n t ，t h en e w h i g h e f f e c t i v em a t e r i a lo rt h em a t e r i a lt h a ti sb e g o te a s i l ya tt h el o c a li st ob ea d o p t e dp o s s i b l y i nt h i sp a p e r t h er i p a r i a nw o r k so ft h ed o w ns t r e a mo ft h ey e i l o w r i v e ra r ed i s c u s s e d a tf i r s t t h eh a r n e s s i n gm e t h o da n dt h es t y l ea n d s t r u c t u r eo ft h eh a r n e s s i n gb u i l d i n ga r en a r r a t e db r i e f l y ；m a n yl i t e r a t u r e s ， i n f o r m a t i o na n dn e wt r e n d sa b o u tt h ei n t e r n a t i o n a lc h a n n e lh a r n e s s i n g e n g i n e e r i n ga r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt o t h ep r a c t i c a le x p e r i e n c ea n d t h ep r o i e c td a t at h a ta r ec o l l e c t e da tt h er i p a r i a nw o r k so ft h ed o w n s t r e a m0 ft h ey e l l 0 wr i v e r t h ec a u s e sa n dt h er e g u l a rp a t t e r n sa b o u tt h e d a n g e r o u sc o n d i t i o n so ft h er i p a r i a nw o r k sa r ea n a l y z e d h o wt h er o o t s t o n e sa r ew a s h e da w a yb yw a t e ri sk n o w ni ns u b s t a n c e a n dt h e n ，t h e h a r n e s s i n gt e c h n i q u e sa b o u tt h ed a n g e r o u se n g i n e e r i n go ft h ed o w n s t r e a mc h a n n e lo ft h ey e l i o wr i v e ra r ed i s c u s s e d e m p h a s i z e d i t s c o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ：d i s c u s s i n g t h es c o u rm e c h a n i s mo ft h e u n p e r m e a b l e g r o y n e ，s u m m a r i z i n ga n dp u t t i n gf o r w a r dt h es c o u rd e p t ho f t h eh e a do fu n p e r m e a b l e g r o y n ew i t h s u r v e yd a t a a n dm o d e lt e s td a t a ， p r o b i n gi n t ot h es c o u rf o r m u l aa n dm e c h a n i s mo ft h ep e r v i o u sg r o y n eo n t h eb a s i so ft h er e s e a r c ho nt h eu n p e r m e a b l eg r o y n e ，p u t t i n gf o r w a r dt h e s c o u rf o r m u l aa b o u tt h eh e a do fp e r v i o u sg r o y n ef o r t h ef i r s tt i m e i n a d d i t i o n t h ee m b a n k m e n tr e v e t m e n ti sr e s e a r c h e di n t o d i s e u s s i n gt h e s c o h ed e p t ho ft h ec e l l u l a rc o n c r e t es l a b “i si n d e x e do u tt h a tt h e h o r i z o n t a la x i sc i r c u l a t i o nf l o wi st h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ed e p t ho f s c o u ra n dt h ef a c t o ri sd i s c u s s e d a tl a s t 。t h ed e s i 2 n0 ft h ec e l l u l a r c o n c r e t es l a bi sp u tf o r w a r d m a n yr e s e a r c hr e a l m sa b o u tt h er i p a r i a nw o r k sa r ei n v o l v e di nt h i s p a p e ra n dt h ei m p o r t a n tf r u i t s a r ea c q u i r e d i np a r t i c u l a r ，t h er e s e a r c h w h o s ea i mi st or e d u c et h es c o u rd e p t ho ft h eh e a do fp e r v i o u sg r o y n e h a sg r e a te f f e c to nt h ed e s i g no fg r o y n ee n g i n e e r i n go ft h ed o w ns t r e a m c h a n n e lo ft h ey e l l o wr i v e r 2 k e yw o r d s ：r i p a r i a n ，s t r u c t u r e ，p r o t e c t i o n ，e n g i n e e r i n g 山东大学硕十学位论文 第1 章概述 1 1 黄河下游河道整治现状 黄河是一条举世闻名的多沙河流，它流经我国9 个省( 区) ，在山 东东营入海。数千年来它哺育了中华民族的成长，被称为母亲河。然 而历史上黄河下游河道善淤善徙，既塑造了华北大平原，也不断给人 民带来深重的灾难。据历史记载，自西汉到1 9 4 9 年新中国成立前的2 0 0 0 多年间，黄河下游决口1 5 0 0 次，并有多次大的改道，造成三年两决口 的悲惨景象。 人民治黄以来，国家为加强黄河堤防工程的建设，投入了大量资 金，行之有效地减轻洪水的自然灾害，使黄河下游成为我国重要的粮 棉基地和工业基地。在工程建设中，积极地研究、引进、应用并推广 新技术、新材料、新结构和新方法，应用于河道险工整治、堤防加固， 取得了良好的工程防护效果和显著的经济效益。 黄河下游河道的整治措施有堤防工程，防滚河工程，险工护岸( 滩) 控导工程，裁弯、堵汉工程，浅滩疏浚工程以及治滩工程等。根据不 同河型河段( 如蜿蜒型、游荡型河段) 的演变规律采用不同整治措施。 1 1 1游荡型河段的整治 由于游荡型河道具有宽浅散乱、善变善徙、河势不稳的演变特点， 因而河道整治工作极其困难复杂。目前采取的工程措施主要是堤防、 险工、控导工程和护滩工程。 堤防、险工 堤防工程分平工段和险工段。平工段指的是大堤i 陆河有较宽滩地， 仅大水漫滩偎堤时才临水的堤段；险工段指的是大堤平时即靠主流， 容易贴溜出险的堤段。险工则是指在堤防经常临水( 靠溜) 的堤段修 筑的丁坝、垛等护岸工程，它们可以挑送水流，控导溜势，避免淘刷 堤岸，防止大堤冲决的危险。因此险工既是保护堤防的前沿阵地、防 洪的屏障，又是控导水流的重要措施之一。 山东大学硕：j ：学位论文 控导、护滩工程 控导工程是在堤防前面有滩地的河段，沿凹岸滩坎按治导线修筑 的丁坝、垛等建筑物。它是以保护滩地免遭水流冲刷为基础，主要起 约束导引主流、控制河势的作用，因此又被称为护滩控导工程。 1 1 2 蜿蜒型河段的整治 蜿蜒型河段常需治理的问题是稳定河弯，顺畅水流，调整不利河 势。根据河段的自然状况，除堤防、险工、控导工程外，主要采取稳 定现状河势、防止向不利方向发展的护弯措施，整治的主要方法是通 过凹岸防护工程控导水流、稳定河势。依对水流的控导作用的不同， 凹岸防护工程可分为三种形式：平顺护岸、丁坝护岸以及守点顾线护 岸。 ( 1 ) 平顺护岸 即为抗冲材料直接覆盖在河道凹岸，尽量使岸线与整治线吻合， 使防护工程起到保护岸坡、抵御水流淘刷、将水流顺势送走的作用。 这种工程多用于较平缓的河弯，是一种不挑流的被动防御性工程。 ( 2 ) 丁坝护岸 即修筑从河岸突入水流之中成丁字形的坝体。丁坝多为成群共同 作用布设将主流挑离凹岸。其中，伸入河中较短的短丁坝( 有时又称 垛或矶头) 护岸主要是用于迎托水流，消杀水势，仅有较弱的挑流、 导流作用：丽伸入河中较长的长丁坝护岸具有较强的挑流、导流作用， 既可防止凹岸冲刷，又能将水流挑至规划流路，达到“一弯送一弯” 的导流目的。丁坝属主动进攻性护岸工程，丁坝群的坝头联线应为与 整治线相一致的平滑曲线，使各丁坝承流受力均匀，相互依托。 ( 3 ) 守点顾线护岸 即平顺护岸与丁坝相结合的护岸工程，常用在坍塌较长的河段凹 岸。这类工程要确保重点，先守住丁坝群做成的据点( 守点) ，然后在 据点间适当布置平顺护岸( 顾线) 进行较长河段的防护。主要据点应 布设在河弯的顶冲点部位，并考虑顶冲点的上提下挫特点；据点间距 要根据据点工程的送流、挑流能力而定。 1 1 3 黄河下游坝岸结构特性 4 山东大学硕士学位论文 黄河下游险工坝岸中，基本上都是用传统结构修建，即柳石搂厢 水中迸占结构的旱地施工结构。 ( 1 ) 工程结构 现有传统丁坝结构，通常采用土坝基外围裹护防冲材料的形式。 一般分为坝基、护坡和护根三部分。坝基一般用砂壤土填筑，有条件 的再用粘土修保护层；护坡用块石抛筑，由于块石铺筑方式不同，可 分为散石、扣石和砌石( 有浆砌、干砌) 三种；护根一般用散抛石、 柳石枕和铅丝笼抛筑。险工、防护坝设根石台，台顶高程现行标准与 2 0 0 0 年水平年3 0 0 0m 3 s 流量设计水位平，台顶宽2 0m ，边坡l ：1 3 1 ：1 5 。控导工程一般不设根石台。 由于施工条件不同，修建工程采用两种施工方法，即旱地施工和 水中进占施工。 早地施工结构 在汛后滩地上修筑工程，称为旱地施工，简称旱工。 坝基：一般用两合土修筑，外包0 5 1 o m 厚的粘土。项宽1 0 1 5 m ， 边坡1 ：2 ，裹护段1 ：1 o l ：1 3 ，坝基前挖槽深1 3m ，槽宽2 5 m 4 0m ， 堆石厚度2 0 m 1 ，5m ，以加大护砌的深度。 裹护：自挖槽底面开始裹护，一般内用柳石枕，外用散抛石，内 坡l ：1 1 l ：1 3 ，外坡1 ：1 3 - 1 ：1 5 ，顶宽l m 。按照靠溜部位的不同，采 用不同的裹护断面，如一般部位用两排枕或散抛石，即将靠河的部位 用四排枕或散抛石前铺放三排铅丝笼，予留冲刷。 常见的结构断面如图1 1 ，l 一2 ，1 3 ，1 4 。 坝顶曲 坝砸鹋 图1 一l旱工块石结构断面图 图1 2 旱工块石柳石枕结构断面图 山东大学硕士学位论文 图1 3旱工块石柳石枕结构断面图图1 4旱工块石铅丝笼结构断面图 水中进占结构 为控制河势，在水中修筑丁坝工程，称为水中进占。 当流速小于o 5m s 时，可直接往水中倒土填筑坝基，并及时在坝 基的上游一侧抛枕防冲，当水流流速大于o 5m s 时，需在设计坝基上 游侧位置采用柳石搂厢进占，当进占长度达到8 m 左右再在占体下游侧 倒土填筑坝基。水中进占占体顶部高程应高于施工水位o 5 1 0m ；柳 石搂厢占体顶宽视施工水深确定，一般与占体高度同，但不小于3 0m ， 迎水面坡度为l ：o 1 ，占体背水面应及时倒土填筑坝体；迎水面抛柳石 枕、块石、铅丝笼等，外边坡不宜陡于1 ：1 3 l ：1 5 。 柳石搂厢是一种简易埽工，以柳石为主体，桩绳联结，层柳、层 石靠柳石自重下沉，逐层修筑直至达到河底，占体高出水面1 0m 。这 样逐占前进，直至达到设计长度。每完成一占，随即在占体迎水面抛 柳石枕、铅丝笼、散石等保护占体，防止占体倾覆。 水中进占常用的断面结构如图1 5 。 6 坝顶p q 图1 5 柳石搂厢水中进占结构断面图 山东大学硕 甾 位论文 1 1 4 坝岸特性分析 ( 1 ) 传统结构的优越性 传统结构是治黄沿袭保留下来的有效结构型式，不但有一整套的 施工技术及操作规程，而且具有很强的实用性及生命力。其特点主要 表现为： 施工简便，易操作，技术要求相对较低。 传统结构是经历了数代人的实践改进而世代相传保留下来的。因 为基层河务部门的河工及技术人员，对于修做传统结构丁坝，基本上 易懂、会干，相对之下也就有简便易行的感觉。 就地取材，便于抢险及抢修，见效快。 由于黄河下游河势主流摆动剧烈，河床及滩地冲淤变化快，因此 险情发展迅速，必须对出险坝岸及时进行有效抢护，若在河道整治规 划线上，则需抢修工程。由于传统结构，主要以柳石为主，可以就地 取材、组织地方人力物力快速抢护。 ( 2 ) 传统结构的局限性 传统结构具有灵活快速等特点，但作为永久性工程，有抢险频繁、 防守任务重等缺点，工程修建的越多，汛期抢险负担越重。 修建时基础浅，必须经过抢险。 传统结构修建时的坝体基础深度受到一定限制。旱工结构，因其 在旱地上施工，滩面以下的根石深最多达到4 5 m ；水中进占坝，虽然 比旱工结构基础深些，但也是有限的。如果修做时水流集中，大溜顶 冲，坝前冲刷坑较大，基础虽相应增加，但施工难度及用工用料也成 倍增加，稍有不慎有跑埽的危险。根据黄河下游的实践，坝体稳定时 的根石深度险工为15 1 8m ，稳定时的根石坡度至少在l ：1 o 1 ：1 3 之 间，虽然加工时有些工程冲刷水深较大，但仅靠施工期达到稳定冲刷 深度的工程是很少的。因此传统结构新修坝必须经过抢险，才能达到 稳定。从某种意义上讲，抢修就是丁坝加深加固基础的施工过程。 抢险频繁负担重，不能适应大规模修建工程的需要 传统结构无论采用哪种工程结构或施工方法筑坝都不能一次修做 到底，工程靠河着溜后，基础将受冲刷下蛰变形，需及时下料抢护， 山东人学硕i 。学位论文 黄河上有“固坝固根、不抢不固”的经验，每道丁坝一般要经过多年 靠溜冲刷及几次大抢险，使根石的深度和坡度达到一定程度时才会稳 定。 1 2国内外河道整治的新技术与新动向 河工建筑物一般投资较大，因此，人类在治理江河的长期实践中， 不断探索适合本国国情和当地自然条件的最佳河工建筑物。目前，世 界各国传统的抛石、堆石河工建筑物虽然仍被广泛采用，但随着工业 的迅速发展，新技术的应用，一些新材料、新工艺所构成的新型整治 建筑物不断出现，有的已取得明显的效果，有的尚在进一步完善。 1 2 1翼板法水流调向技术 用翼板调整河道水流流向技术最早由o d g a a d ，a j 提出，最近在日 本作了很多研究工作。翼板法的原理比较近似于丁坝，主要是用来减 弱河流弯道由离心力所引起的二次流的作用。与丁坝的降低流速或反 射水流不同，翼板主要是依据其导流机能改变二次流的流向。翼扳的 形状和设置的方法见图1 6 。 水流方向 图1 6 翼板的形状及其设置方法 1 2 2 轻型河工建筑物 美国密苏里河和阿肯色河上曾采用钢支架突堤透水建筑物，又叫 山东人学硕l ：学位论文 克勒那( k e u n e r ) 系统。它是将钢支架用缆绳连成一串，并把缆绳锚固 于岸上，形成阻滞突堤，用于弯道的护岸，起引导水流和滞流促淤作 用，效果比较显著，见图1 7 。 系杆或铜缆 究堤 a ) 半皿图( b ) 断向图 图1 7 钢支架突堤 支架构件是由3 根约1 0 0m m 1 0 0m m 6m m 的角钢组成，每根 长近5 0m ，互成直角安装，用螺栓在中部固定，上面像蛛丝网那样缠 绕6 4 铅丝。支架中心间距3 8m ，用直径6 4 1 2 7m m 的钢丝绳连接。 该建筑物常用于缺乏其他护岸材料或价格昂贵的地方。在可能发 生河床下切的区域，施工i j 尚需沉排或抛石护底。这种建筑物抗冲能 力较弱，当水流顶冲角大于3 0 。时，遇到较高流速的水流作用，很易 毁坏，但平行于水流时，效果最佳。所以设置是从上游足够远的地方 开始，以得到合适的入流角度。 1 2 3 混凝土类河工建筑物 ( 1 ) 混凝土块沉排与混凝土异块体护坡 日本用混凝士制成8 0e m 8 0c m 8 0c m 的块体，每块重约4k n ， 在施工现场将5 0 个块体纵横用尼龙绳串成1 0 5 的方阵，块与块之间 夹以橡皮球。每组沉排重约2 0 0k n 、面积3 5m 2 ( 图1 8 ) 。用1 0 0 3 0 0 k n 的浮吊铺放。因各块间有橡皮球接触，柔性较好，能适应河床起伏 和吸收施工中的冲击。由于该排本身较重，施工中受波浪和水流速度 影响较小，能准确定位。 9 山东大学硕l 。学位论文 图1 8 混凝土块深排( 单位：c m ) 丹麦研制了一种新型相互联锁可仿形铺设的水泥板块系统，称为 联锁板块，可用于海岸和堤坡防护。其规格有f s 5 0 ( 5 0c m 5 0e m 1 6 c m ，每块重6 3 8n ) 和f s l 0 0 ( 1 0 0c m 1 0 0c m 3 0e m ，每块重4 5k n ) 两种。其最大优点是四边联锁，保证了整体构件的连续性和最大稳定 性( 图1 9 ) 。强固的铰接联锁允许板块有一定的位移，以适应地基变 化。据介绍，这种板块不用任何支撑，可铺在1 ：2 的斜坡上，若用桩 柱支撑，可铺在1 ：1 或更陡的斜坡上。板块底部若加设土工织物，则 可防止地基泥土流失。板块表面的特殊构形，具有吸收波浪和水流运 动能量作用。另外，还有施工简便，不受气候条件限制等优点。 o 二 1 二 = 二 l _ 一 q 受延暨量型工 图1 9混凝土联锁扳块 1引引引引荆刮1一 山东大学硕l ：学位论文 ( 2 ) 铰接混凝土板沉排护岸 铰接混凝土板沉排护岸是美国密西西比河上广泛使用的一种定型 结构形式。这种沉排是由2 0 块1 2 2c m 3 6c mx7 6c m 的加筋混凝土 板条，组成7 6 2m 1 2 2m 的单元，在现场以若干单元连接起来，形 成所需尺度( 图1 1 0 ) 。2 0 块混凝土板条中，纵向加筋是用三根钢丝绳 贯穿整个单元，两端打成扣环，以便纵向与相邻单元扣接之用。横向 加筋是长方形框，两端有钢筋伸出混凝土条板之外，以备与横向相邻 单元接用。由于这种沉排在板条之间有间隙，并用钢丝绳连接起来， 所以在各个方向均有定挠性，能适应河床和河岸的起伏。 这种沉排造价低，单元不大，便于运输铺设，施工速度快；缺点 是因各板条之间留有空档，约占总面积的8 ，在沙质河床上，可能流 土淘空。现试用泡沫地沥青沙胶或海绵氯丁橡胶补填空隙，其工作量 约为每年护岸长度的1 。同时，这种沉排只能在枯季施工，并且需要 投资较大的预制构件厂。 图1 1 0 铰接混凝土板( 单位：m ) ( 3 ) 水下浇注不分散混凝土技术 山东大学硕卜学位论文 近十几年来，德国研制的水下不分散混凝土，开辟了水下混凝土 施工史的新纪元。水下不分散混凝土由普通的混凝土和丙烯酰胺为主 体的聚合物搅拌而成。这种混凝土在浇注过程中，即使受到水流的冲 刷作用，仍具有优良的抗分散性和优良的自流平性与填充性，很少产 生泌水和浮浆，基本不污染水质。因此，这项技术能够广泛地适宜于 各种环境和施工条件，例如水下狭窄空间的填充以及薄壁构件的施工 条件，混凝土不得不在水中自由下落的环境条件等。日本沿岸技术开 发研究中心对水下护坡砌石的固结、对防浪堤下部和桥梁基础淘空部 位的填充加固等灾害修复工程中应用此项技术已取得了明显的技术进 步和良好的经济效益。 1 2 4 土工织物类护岸 近3 0 多年来，随着高分子化学工业的迅猛发展，众多的人工合成 纤维布在国外治河工程、海洋工程以及其他土木工程中得到广泛的应 用。估计，至1 9 9 0 年，全世界1 0 万余项不同类型的工程中，共铺设 了1 0 亿多m 2 的土工织物。在我国，近十几年来也开始在水利、铁路 及海港工程中试用和使用土工织物，取得了良好的效益。 模袋护坡：模袋护坡是将流动性混凝土或砂浆，用泵压入由高强 度合成纤维制成的模型挚袋罩所形成的混凝土护坡。模袋护坡的专利 权属美国建筑技术公司( c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ，i n c ) ，1 9 6 0 年发表。 但直到6 0 年代末期，随着土工纺织制造技术和向模袋浇注混凝土技 术的提高，才使这项护坡技术迅速发展起来。模袋的两层织物离中心 一定距离交织连接，连节点透水，可消除渗水压力，竣工后的斜面铺 层成整齐的卵石状排列。国外的模袋护坡最早见于1 9 6 9 年竣工的加 拿大多伦多航道的试验工程中。8 0 年代以后，日本旭化工业株式会社， 根据美国建筑技术公司的发明，用高强度涤纶6 6 型布制成了各式各 样的模袋，又称法布( f a b r i f o r m ) ，见图1 一l l 。根据介绍，这种法布 垫袋具有透水性，使混凝土的剩余水分受到灌注时的压力而排除，使 水灰比降低，加快混凝土或砂浆的凝固，得到高密度、高强度的混凝 土或砂浆硬化体。它适于河岸保护、运河或渠道的坡面衬砌以及港湾 2 山东人学预卜学位论文 工程。与传统的打桩工程或砌体工程相比，施工迅速，节省费用，特 别是水下工程更显其优越性。 滤痧 f 口型 n f 型 r b 型 1 3 研究内容 n b 型 图1 1 1 日本法布 c x 型 黄河下游坝岸工程问题归根结底主要是护根问题。根石断面不足 是险工坝岸出险的根本原因，减少根石走失就能减少出险。黄河下游 河床为多年淤积而成，河床质多为粉细沙，抗冲性差，在主流顶冲时， 坝盼形成较深的冲刷坑，根石蛰动位移，并大量走失，从而形成危及 坝体安全的险象。 本课题的研究，从对黄河不透水丁坝冲刷机理的探讨入手，利用 实测资料和模型试验资料，归纳并提出不透水丁坝坝头冲刷深度计算 公式；以不透水丁坝的研究成果为基础，对透水丁坝的冲刷机理和冲 刷公式进行探讨，归纳透水丁坝坝头冲刷深度的计算公式。结合研究 成果，提出黄河下游坝岸减小坝前冲刷坑深度，减少根石走失，从而 减少坝岸出现概率的工程措施。这对于加固黄河下游坝岸基础，改变 常年处于被动防护的不利局面，具有一定的理论和现实意义。 山东大学顾 学位论文 第2 章黄河下游坝岸出险和根石走失规律分析 2 1 坝岸险情规律性分析 2 1 1 坝岸险情统计 黄河下游坝岸经常出险是由其传统工程结构及施工方法决定的。 这种施工方法的特点是，在河势变化剧烈时，抢险抛石量视坝岸靠溜 程度、靠溜部位及根石深度等而不同，以保持临时抢护工程的稳定。 缺点是新建坝几乎均为半成品，标准不够、强度不足。一遇较大水流 或溜向的变化、基础便发生变化，出现坍塌、蛰动等险情，需通过抢 险施工加固，使基础逐步加深、稳定。 为了寻找险工坝岸的出险规律，从山东黄河历年险情比较明显、 突出，记录比较确切、详细的险工出险坝段统计资料中随机抽选8 4 个 样本，统计各种坝岸常见险情如下( 表2 1 ) ：坝身局部坍塌、掉蛰到 整段滑塌、垮坝的2 2 段，占2 6 2 ；坝身断裂和局部裂缝的1 4 段，占 1 6 7 ：根石严重走失或坍塌3 6 段，占4 2 9 ；坝身透水、出浪窝、掉 塘子、土石塌陷的1 2 段，占1 4 2 。可以看出，因基础出现问题，导 致发生不均沉陷、裂缝，甚至发展到整段坝岸滑塌的险情，约占出险 总数的三分之二。说明险工坝岸的主要问题是基础问题。 表2 1坝岸滑塌情况统计表 滑塌日期险工护坡滑坡 段 坝号类型备注 ( 年 月 e t ) 名称类型部位 数 1 9 6 0 6 ( 中旬) 卞庄扣石报石1 7 一l82弧线黄河断流后 1 9 7 02 2 7 胜利扣石根石 l 一22 折线凌汛开河后水位骤降 l9 8 022 8 3 6 护林乱石护坡5 6 4 折线凌汛开河后原无根石 1 9 8 01 1 1 6 护林乱石护坡 31 折线秋汛末落水时原无根石 1 9 8 i ，3l7 护林乱石护坡 3l 折线凌汛开河后原无根 1 9 5 47 ( 下旬) 胜利扣石根右 l5l 折线洪峰涨水期 4 山东犬学硕卜学位论史 2 1 2 出险规律性分析 黄河下游坝岸根石走失是坝岸工程出险的主要原因。当坝岸靠溜 或受到横河、斜河顶冲时，在坝的迎水面、坝尖、上下垮角往往出现 较深冲刷坑，根石因结构松散、粒径小、重量轻、易于蛰陷走失。其 出险原因受河势变化、水流条件、边界条件、坝岸自身情况影响较大， 在河段、出险时间、出险流量、出险部位、根石结构等方面有其出险 的规律性。 ( 1 ) 河段 黄河下游山东河段从河性上分四类，高村以上为游荡性河段，高 村至陶城铺为过渡性河段，陶城铺至西河口为弯曲性河段，西河口以 下为河口段。高村以上河段水流宽浅、散乱，主流摆动频繁，上提下 挫范围较大，常出现“横河”“斜河”，大溜直冲坝岸，险工控导工程 坝岸脱河靠溜间隙相对频繁，特别是控导工程出险也较突出；高村至 陶城铺河段，河势变化也相对较大，险工坝岸出险也较多；陶城铺以 下河段，河势相对稳定，坝岸靠溜变化范围较小，过流断面窄，工程 长期靠河，基础较深，出险机率较陶城铺以上河段为少；河口河段险 工少，随着三角洲和油田开发建设进行河道整治，修做了部分险工控 导工程，但多为新修工程，基础不稳固，因此出险也较多。据对 1 9 8 0 - 1 9 9 5 年山东黄河险工工程主要险情统计分析，险工坝岸共出现险 情6 5 坝次，其中陶城铺以上为4 2 坝次，占全局险情的6 4 6 ，该河段 共有险工坝岸4 6 0 段，占全局3 7 2 0 段的1 2 4 。从对河段分析看，陶 城铺以上出现险情的机率较多。 ( 2 ) 出险时间 险工坝岸根石出险的时问，基本上集中在汛期，由于汛期洪水峰 高量大，因此出险集中。虽然非汛期小水时也出现墩蛰险情，但这种 险情发生的数量较少，其原因一般是大水时冲刷严重，根石走失、失 稳或基础薄弱，水位降落时，出现坍塌墩蛰。总的讲在主汛期出险频 率高，险情频率，险情较大。从坝岸修建时间上看，坝岸修建前期， 根石深度不够，基础不牢固，抗冲能力差，出险多，需要经过多年的 抢险抛根石，使根石达到一定深度才能稳固，而一些常年靠溜的老坝 岸，根石基础相对稳固，同样情况下，根石走失少。一些常年不靠溜 山东夫学硕i ：学位论文 或不靠主溜的坝，由于河势变化，突然靠溜特别是靠主溜，根石易受 大溜冲刷走失，出现险情。 ( 3 ) 出险流量 黄河下游水量年内变化很大，丰水季节水量较大，枯水季节水量 很小，有时几乎断流。随着水量规律变化，险工坝岸根石走失也同样 呈一定规律性。流量大小是影响险工坝岸出险的主要因素，总的来说。 枯水期大河流量小，根石走失少。就走失方式而言，多为少量冲揭走 失或回溜淘刷走失，相比之下，大、中水，河道流量大，流速大，水 流能量大，挟带能力和冲刷能力很强，将根石冲揭走失或坍塌掉入冲 刷坑。经分析表明，各级流量下险工出险次数所占百分比与各级流量 出现的频率之比，随流量级增大而增大。流量越大，出险机率越大， 险情越大，根石走失越多。流量小、流速小，水流能量弱，冲刷能力 相应低，险工坝岸出险机率也小。 ( 4 ) 出险部位 受水流和边界条件的影响，各险工坝岸根石走失的部位也有所不 同，就整个险工而言，根石走失与险工坝岸所处河道相对位置有很大 关系，大、中水时期靠水靠溜时问长，受大溜冲刷严重的部位根石走 失居多。就险工坝岸而言，凡起主要挑溜和导溜作用的主要坝岸，根 石走失严重，经统计分析各险工主要坝岸走失都比其它次要坝岸走失 为多。就一个坝岸来说，在突出的坝岸上，大溜主要顶冲的迎水面、 上跨角和前尖根石走失较多。虽然下跨角受坝后回溜掏刷同样发生根 石走失，但与上跨、前尖相比，走失量相对较少。 ( 5 ) 根石结构 目前黄河下游根石结构分为二种，一种是乱石结构，一种是丁扣 和粗丁扣根石护顶护坡结构。扣石排整严密、整体性好，发生冲揭走 失的情况相对较少，而乱石护根则相对较多。但扣根结构根石对变形 的适应性差，当根石前形成冲刷坑或下部根石坍塌走失后，易形成陡 坎和死坑，而水流沿陡坑继续向内掏刷，可能导致更严重的险情。而 乱石护根的根石对变形的适应性较强，可以自动调整根石坡度，适应 根石变形。另外，在根石石块大小方面，较大块石抗冲刷能力强，起 动流速大，不易被冲走。小颗粒块石，起动流速小，当大河流速大于 山东大学硕l ：学位论文 块石起动流速时，块石从根石坡面上会被一块一块地冲揭走失。 2 2 坝岸根石走失规律分析 丁坝的稳定主要取决于根石与其上部的土石压力是否适应。当根 石上部的土石压力一定时，稳定性主要取决于根石的厚度、深度和坡 度。其中以深度和坡度对坝岸的稳定影响最大，而丁坝根石的坡度与 坝前冲刷坑的深度是相互影响的。黄河下游河床抗冲性差，在大溜顶 冲坝岸时，坝前将形成较深的冲刷坑。 下式为目前黄河下游采用较广的挑流丁坝坝前局部冲刷坑最大 水深的计算公式： 旷”车弩s i n z 口 ( 2 - 1 ) 、l 十m 式中：矗，一一冲刷坑水深( m ) ； o 一一行进水流水深( m ) ； 卜一行进水流的垂线平均流速( m s ) ； 口一一来流方向与丁坝的夹角( o ) ； 加一一根石边坡系数。 上式指出丁坝坝前局部冲刷坑深度与1 + 埘2 成反比，说明根石边 坡系数越大，冲刷坑深度越小。这主要是由于边坡系数越大，即丁坝 坝坡越缓，折冲水流流程加长，水流能量损失增大，且垂直向下指向 床面的分力越小，水流对河床的冲刷能力越弱，冲刷坑深度减小，且 最大水深所在位置远离坝头，有利于丁坝的稳定，故丁坝出险机率较 小，但是边坡系数过缓，丁坝断面大，丁坝水中进占修做及出险抢护 按现有传统施工方法很难满足要求。 冲刷坑的存在与发展是丁坝出险的一个重要原因。当冲刷坑形成 时，丁坝坝高相对增加，稳定性明显减弱，特别是当冲刷坑逼近坝根 时，会造成丁坝原有坡脚破坏，导致根石及坦石失稳滑塌落入坑内， 形成险情。在水流强度较弱时，坝前冲刷坑的发展比较缓慢，丁坝险 情较轻，这时如上部抢险料物跟进及时，丁坝基础会迅速得到加固， 山东人学硕i ：学位论文 险情不会扩大，故出险是丁坝自身调整的过程，正常抢险是丁坝基础 加深施工的一种形式，也是丁坝修建的延续。 表2 2 为1 9 9 3 年施测的黄河下游部分坝岸根石深度统计表，可以 看出：根石深度小于7 m 的占总数的5 1 9 ，这类坝岸没有靠过大溜， 基础差、易出险；根石深度在7 1 0 m 的占3 8 2 ，这类丁坝有一定的 根基，但没有得到有效的加固，在较大水流强度作用下冲刷坑还会发 展，丁坝仍会出险。根石深度在l5 m 以上的仅占o 3 ，这部分丁坝基 础相对较好，在正常水流强度作用下不易出险，但这类丁坝仍存在根 石走失现象，需视靠溜情况及时加固。 表2 2险工坝岸根石深度统计表 、握石深度( 。) 1 5 坝数 坝 阿醪 坝数坝数坝数 小计 数 东坝头至高村 8 12 1 74 71 2 61 64 31 4 4 高村至陶城铺 1 1 33 0 29 62 5 62 05 310 32 3 0 合计 1 9 45 1 91 4 33 8 23 69 61o 33 7 4 黄河由于其自身特点，加之受投资和传统施工方法等限制，以及 丁坝根石坡度主要受水流淘刷，块石自然滚动下落而形成，因此一般 较陡。目前黄河下游险工坝岸根石坡度，上部缓于下部。 2 2 1根石断面形态 根据历年和本次测试的根石断面资料，根石断面形态大致可分为 平顺、凸出和凹入三大类。见图2 1 ，2 2 ，2 - 3 。还有一些特殊类型， 如锯齿型等( 见图2 - 4 ) 图2 1 平顺型 1 8 1 41 21 056420 图2 - 2凸出型 山东人学颂l ：学位论文 图2 。3凹入型 2 0i#16i21 0s642 图2 - 4 锯齿型 断面形态以平顺型好，它能较好地适应沿坝面向下的折冲水流及 绕坝水流。减轻水流对河底的淘刷。凸凹不平的断面会造成水流紊动 翻花，促使河底淘深，影响断面稳定。 在多种根石断面中，以中凹型为最多，且呈“下缓、中陡、上不 变”的分布规律，主要原因是上部一般高于枯水位，通常按设计标准 整理维护，即使遇到较大险情，抢修后仍能及时补修；而根石中间陡 主要有两方面的原因：一是中部流速最大，块石容易起动走失，在水 流的自然筛选作用下，边坡上剩下的根石相互啮合较好，抗滑稳定和 防冲起动性都较自然堆放情况下的块石明显增大，因此容易形成陡坡。 二是抢险及根石加固的块石无法抛到根石底部，大多都堆积在边坡中 上部，使中间坡度相对较陡。这种情况在险工坝段较突出。处于根石 最下部的块石，由两部分组成：一部分是冲刷坑发展到一定程度，丁 坝根石局部失稳滑入坑中，另一部分是因折冲水流冲刷块石起动后， 运动至根石底部，其中以第一部分占绝大多数。下部的根石主要起抗 滑稳定作用，故坡度较缓，形成丁坝特殊断面的主要原因在于丁坝水 中进占修做及抢险工程中，采用搂厢、柳石枕或铅丝笼等结构，这种 结构体积大，且不易排列，容易形成各种不规则的断面。 2 2 2 坝岸根石走失 试验及原型观测均表明，丁坝根石在水流的冲击作用下有两种主 要运动形式，一是随着冲刷的逐步发展，大量块石失稳向坑底塌落； 二是水流的挟带力引起部分块石向下游坑底滚动。 针对根石的走失现象，河务部门进行了大量的调查和研究工作， 9 山东大学硕i + 学位论文 黄科院张红武等通过模型试验对丁坝根石走失现象也专门进行了研 究，并得出基本一致的结论。 ( 1 ) 汛期根石走失量大。这主要是汛期中水持续时间长，工程靠溜 机遇多，特别是位于弯道项部的丁坝，长期受水流冲刷，根石容易走 失。 ( 2 ) 受大溜顶冲的丁坝根石容易走失。 ( 3 ) 丁坝迎水面至坝头的根石容易走失，而背水面的根石走失量较 小。 关于根石走失的去向，研究指出主要有三。一是在折冲水流的作 用下沿坝面向冲刷坑底滚动。这部分块石一般块体较大，使丁坝根基 加深加厚，下部坡度变缓，有利于丁坝稳定；二是沿丁坝挑流方向顺 流而下。这部分块石一般坝体较小；三是沿回流所刷深槽分布，且在 走失量和体积上沿程递减。 根石走失与水流流速、水深、块石粒径及断面形态等有关，武汉 水利电力大学张瑞瑾教授根据沙莫夫公式导出的斜坡上块石的起动流 速公式： v o = 5 4 5 k h o 1 4 d o 3 6 式中：v o 一一块石的起动流速( m s ) 矗一一水深( m ) d 一一块石粒径( m ) k = ( 一m 2 _ m o 厂 ( 2 2 ) m o 一一块石自然稳定边坡系数。 上式说明流速越大，根石越容易走失，边坡系数越大，单个块石的 稳定性越好，水深较大处的根石不易走失。 黄科院张红武等认为可用下式计算走石的临界粒径： d ：o 3 8 乓( 2 3 ) k 3 将黄河下游出险的调查资料分别按两式计算，得出块石起动的临 山东人学硕j ：学位论文 界粒径分别在3 0 8 0 c m 和4 0 8 0 c m 之间。如按式( 2 3 ) 的计算，块石 重量应在8 7 1 2 4 k g 之间，也就是只有大于此粒径的单个块石方能在大 溜顶冲时不被冲动。而黄河下游的块石重量一般为1 5 7 5 k g 。显然小于 此值。需要指出的是以上计算公式均没有考虑块石之问相互钳制作用， 计算值偏大。但上述计算可以说明：受大溜项冲的部位，不宜用散抛 块石的方法加固，在其它部位加固根石时，外层也应尽量抛大块石。 2 山东大学顾卜学位论史 第3 章坝岸防护研究 3 1 黄河非淹没不透水丁坝的冲刷深度 3 1 1黄河非淹没不透水丁坝坝头冲深情况 河道中设置了丁坝后，由于坝前水流的束窄， 其附近，水流大致分为三个区，即主流区、上回流 图3 1 ) 。上回流区是丁坝的阻水作用所致，下回流 时的离解现象所造成的。回流区与主流区的交界面 此，多形成泡漩等复杂流态。 流场发生变化，在 区和下回流区( 见 区是水流绕过丁坝 是很不稳定的，因 图3 1丁坝附近流态及冲坑形态示意图 试验表明，由于水流经过丁坝后，单宽流量及近底纵向流速的沿 程增大，在丁坝坝头附近形成冲刷坑。冲刷坑的位置与底流最大流速 所在位置相对应，在平面上呈扁圆形。同时因为从坝头至下游一定距 离的流线弯曲，以及面流与底流流向偏角差异所表现出的螺旋流，更 有助于冲刷坑内泥沙的横向输移。冲刷坑在发展过程中，常造成根石 流失及坝头坍塌破坏，因此在设计丁坝时，正确估计冲刷坑的最大可 能冲刷深度，对确定坝头防护措施及基础的防护范围十分重要。 影响冲刷坑大小深浅的主要因素有：上游行近流速，单宽流量， 坝轴线与水流交角，坝面坡度，河床组成，以及水流含沙量、坝型等。 由于冲刷坑一般具有洪冲枯淤的变化规律，所以应采用洪水时期的最 大冲刷深度作为丁坝设计的依