張瑞洵，李迎鳳，催炎鋒

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河建工集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450045）

黃河丁壩土工織物軟體排的施工技術(shù)分析

張瑞洵1，李迎鳳2，催炎鋒2

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河建工集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450045）

分析了黃河丁壩防護(hù)工程的土工織物軟體排的施工技術(shù)，排體的布置范圍、分塊搭接與壩前沖刷坑的形狀、深度、大小有一定的關(guān)系。軟體排的平面尺寸取決于壩前沖刷坑的最終穩(wěn)定深度和坡度。進(jìn)行了沖刷坑深度、軟體排的長和寬的計(jì)算，探討了丁壩軟體排的布置方式及排體的分塊和搭接工藝。

黃河丁壩；土工織物軟體排；施工布置；分塊搭接工藝

0 引言

黃河河床土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，抗沖刷能力不強(qiáng)，再加上黃河流路不穩(wěn)，流態(tài)復(fù)雜，很容易在工程坡腳處形成沖刷坑，從而出現(xiàn)險(xiǎn)情。因此，加強(qiáng)水底防護(hù)非常重要。丁壩是黃河河道整治工程中最重要的一種建筑物，廣泛用于險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程、護(hù)灘工程中。丁壩圓頭部位工程結(jié)構(gòu)較直線段復(fù)雜，水流容易在此形成三維渦體紊流，使出險(xiǎn)概率增大。因此，丁壩圓頭部位是每年防汛的重點(diǎn)部位，也是整個(gè)工程防護(hù)的重點(diǎn)部位。

岸坡及水底防護(hù)的傳統(tǒng)做法是采用埽枕、材排、拋石、木樁等措施。這些措施能延緩險(xiǎn)情的發(fā)生，但不能有效阻止塌岸、塌灘現(xiàn)象的出現(xiàn)。這主要是因?yàn)?，它們不具有反濾功能，放在被保護(hù)土面上后，受水流沖蝕和潮浪淘刷抽吸的影響，被保護(hù)土顆粒容易被水流帶走，導(dǎo)致剝蝕和坍塌［1］。

20世紀(jì)70年代以來，土工合成材料的研究和應(yīng)用得到快速發(fā)展。土工織物軟體排是單層或雙層土工織物與壓載的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，具有抗拉強(qiáng)度高，連續(xù)性、整體性、反濾性好，適應(yīng)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，黃河河道整治工程開始利用土工織物軟體排。黃河河南段的九堡險(xiǎn)工、馬渡險(xiǎn)工、柳園口險(xiǎn)工、大功控導(dǎo)，山東黃河段的老君堂控導(dǎo)、北杜控導(dǎo)、營房控導(dǎo)等工程建設(shè)中均使用了土工織物軟體排。

土工織物軟體排的設(shè)計(jì)和工作原理是：利用土工織物和壓載物的優(yōu)勢，組合成一種防護(hù)結(jié)構(gòu)。按計(jì)算出的最大沖刷深度和坡度折算出相應(yīng)的排體寬度，進(jìn)行施工。排體隨沖刷坑的發(fā)展逐步下沉，形成反濾消能的防護(hù)層，從而達(dá)到保護(hù)壩腳、壩坡，減少災(zāi)情的目的。從土工織物軟體排的工作原理可以看出，成功的軟體排防護(hù)與合理的布置方式 （包括位置、尺寸、伸縮量預(yù)留等）是密不可分的。本文從沖刷坑的角度探討一下軟體排的布置范圍及分塊搭接。

1 局部沖刷深度及沖刷坑穩(wěn)定坡度的確定

丁壩軟體排的平面尺寸取決于壩前沖刷坑的最終穩(wěn)定深度和排體或沖刷坑的最終穩(wěn)定坡度。

1.1 局部沖刷深度

黃河工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù) 《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）計(jì)算壩前沖刷深度［2］，其計(jì)算公式為式（1）。

式中：hB為壩前局部沖刷深度 （從水面算起），m；α為水流流向與壩軸線夾角，一般為30°～90°；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)，m＝1.5；h0為行進(jìn)水流水深，m；Δh為壩前原河床以下沖刷深度，m；V為行進(jìn)水流流速，m/s，根據(jù)黃河下游實(shí)際情況，洪水時(shí)，河南段取V＝3m/s，山東段V＝2.5m/s。

由公式（1）可以看出，水流流向與壩軸線夾角不同，計(jì)算結(jié)果不等，30°時(shí)值最小，90°時(shí)值最大。根據(jù)實(shí)際觀測，壩垛各處的沖刷深度并不均勻，在靠主溜的壩頭部分，沖刷深度一般為10～15m，最大可達(dá)23.5m左右，其他部位沖刷較淺?？紤]到小浪底水庫運(yùn)用后下泄清水、河床下切等因素，根石平均穩(wěn)定沖刷深度一般取12m。

1.2 沖刷坑的穩(wěn)定坡度

沖刷坑的穩(wěn)定坡度取決于河床泥沙的水下休止角。黃河下游河床土質(zhì)一般為粉沙質(zhì)土壤。試驗(yàn)表明，水下休止角一般在30°附近。當(dāng)邊坡系數(shù)m＝2.0時(shí)（即坡比1∶2），沖刷坑的邊坡可處于穩(wěn)定狀態(tài)。黃河下游已建的軟排體工程都是按m＝2.0取值，工程運(yùn)行狀態(tài)較好。因此，本文也推薦邊坡系數(shù)m取2.0。

2 軟體排的尺寸計(jì)算

順?biāo)鞣较虻呐朋w尺寸為排寬，垂直水流方向的排體尺寸為排長。

2.1 排長計(jì)算

枯水位以上的排長為水上部分排長L1，枯水位以下的排長為水下部分排長L2。排長L為水上部分排長L1與水下部分排長L2之和。水上部分排長為護(hù)坡長度與掛排所需長度之和，易于確定。水下部分的排長計(jì)算稍微復(fù)雜，不同的書上所列公式不盡相同，一般根據(jù)河道主流靠近岸邊或遠(yuǎn)離岸邊的情況，采用不同的方法進(jìn)行計(jì)算。即，河道主流靠近岸邊時(shí)，采用深泓線計(jì)算法；河道主流遠(yuǎn)離岸邊時(shí)，采用最大沖刷深度計(jì)算法。由于黃河主流經(jīng)常擺動，主流距岸邊的距離不固定，推薦采用最大沖刷深度計(jì)算法，計(jì)算公式為式（2）。

式中：L2為枯水位以下邊坡上的排長，m；K為安全系數(shù)，取1.2；C1為排體的折皺系數(shù)，取1.4；C2為排體的收縮系數(shù)，取1.05；H為枯水位時(shí)深泓線或沖刷坑底處的水深，m。

2.2 排寬計(jì)算

順?biāo)鞣较虻呐朋w寬度視需要保護(hù)的岸坡范圍而定。受排體類型、水下地形、流速、水深、波浪、施工定位等因素影響，選定排寬時(shí)，應(yīng)注意排體的收縮，即

式中：B為排體寬度，m；B1為防護(hù)寬度，m；ε為收縮系數(shù)，靜水取0.015～0.024，動水取0.025～0.04。

3 丁壩軟體排的施工布置方案

丁壩壩身長，保護(hù)岸線長，挑流能力強(qiáng)，但阻水嚴(yán)重，近壩水流流態(tài)復(fù)雜，局部沖刷嚴(yán)重。丁壩方位角越大，局部沖刷越劇烈。當(dāng)壩前水位壅高時(shí)，易形成回溜，沖刷丁壩迎水面和壩根，水流在壩頭集中繞流，使壩頭強(qiáng)烈沖刷，下游水流形成回旋流，沖刷丁壩下跨角。多年的治黃實(shí)踐證明，一般情況下，壩圓頭的部位沖刷最強(qiáng)烈，與上跨角相鄰的迎水面次之。

黃河工程每年都進(jìn)行根石探摸，現(xiàn)整理一些結(jié)果，如表1所示。

由表1可以看出，壩垛各處的沖刷深度并不均勻，在靠主溜的壩頭部分，沖刷深度一般相對較深，迎水面次之。

軟體排設(shè)計(jì)時(shí)，為了達(dá)到全面防護(hù)，且不浪費(fèi)的效果，應(yīng)按照壩體外側(cè)的沖淤情況，分別確定壩體各部位的排體長度。壩圓頭部位沖刷最嚴(yán)重，軟體排防護(hù)長度Y也應(yīng)最長。與上跨角相鄰的迎水面（按壩長S的1/3計(jì)）沖刷深度僅次于壩頭，但根據(jù)實(shí)際探測結(jié)果，有時(shí)差別不太大。為了施工方便，并考慮一定的安全度，該處軟體排防護(hù)長度也取Y。丁壩迎水面中部（約壩長S的1/3）沖刷稍弱，為節(jié)約投資，軟體排防護(hù)長度從Y遞減至Y/2。丁壩根部迎水面（約壩長S的1/3）在上游丁壩的掩護(hù)下，很少受到水流的沖刷，不再進(jìn)行防護(hù)。壩的背水面沖刷集中在與下跨角相鄰的部位，防護(hù)范圍應(yīng)從下跨角開始，沿壩軸線方向延伸Y寬，軟體排防護(hù)長度也從Y遞減到Y(jié)/2。壩的背水面其他部位不受水流沖刷，不需要防護(hù)。丁壩軟體排的布置方式如圖1所示。

傳統(tǒng)上，丁壩迎水面石方裹護(hù)長度為壩長S的2/3，圓頭全裹護(hù)，背水面裹護(hù)長度10～30m，與上述軟排體的布置范圍基本一致。

4 排體的分塊和搭接［3］

排體寬度應(yīng)為保護(hù)區(qū)域?qū)挾取⑾噜徟朋w搭接或縫接所需寬度和考慮排體收縮余幅之和。由于河床需要防護(hù)的面積較大，為了使排體適應(yīng)河床變形，便于加工和制作，需要將排體分成若干個(gè)單元塊，塊與塊之間采取上游塊壓下游塊的搭接方法。單元塊的大小和搭接寬度視壩坡形狀而定。

4.1 丁壩的迎（背）水面排體的分塊和搭接

丁壩迎（背）水面河床的局部沖刷主要沿壩軸線呈帶狀分布。河床變形差異相對較小，靠排體的壓重和排布的延展性基本能夠調(diào)整排體與河床之間的變形。單元塊的大小主要根據(jù)施工條件和強(qiáng)度確定。垂直水流方向的長度按可能最大沖刷坑深度確定；沿水流方向的寬度一般為10～20m，旱地施工方便，取大值，水中進(jìn)占施工困難，取小值。

表1 黃河工程根石探摸成果表Table 1 Explored results of the Yellow River engineering foundation stone

圖1 丁壩軟體排的布置方式Fig.1 Layout form of T-dam soft mattress

《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（SL/T 225-98）要求：搭接寬度一般不小于0.5m［4］。由于河床沖刷后，排體變形大，設(shè)計(jì)時(shí)，需要對搭接寬度進(jìn)行適當(dāng)驗(yàn)算。

如圖2所示，假設(shè)丁壩迎（背）水面斷面M—M至壩頭對應(yīng)的河床上形成沖刷坑，在垂直M—M斷面方向上軟排體邊緣處取N—N斷面。

根據(jù)圖2，最小搭接寬度bmin＝h/sin(θ)-h/tan(θ)，考慮安全搭接余幅0.3 m，則?。?/p>

bmin＝h/sin(θ)-h/tan(θ)+0.3 （4）

式中：θ值為河床土的水下休止角；h為沖坑深。

設(shè)計(jì)時(shí)，最小搭接寬度取bmin與0.5m之間的較大值。

4.2 壩圓頭排體的分塊和搭接

在丁壩壩頭處，由于河床局部沖刷變形差異相對較大，排體沉降時(shí)受力較為復(fù)雜，排體有受拉擴(kuò)展和受壓收縮兩種形式。

當(dāng)排體整體沉降時(shí)，由于受壓將向內(nèi)收縮，面積減少，示意圖如圖3所示。軟排體必須有適應(yīng)這種收縮變形的能力。工程措施上主要靠排體單元塊之間的錯(cuò)動和排體壓載之間的空間縮小來解決。比較軟排體收縮變形前后面積的變化，可得出扇形半圓狀的軟排體最大收縮變形面積。

ΔSmax＝(r sin(θ/2))2（5）

丁壩圓頭周圍所形成的沖刷坑不同于丁壩的迎（背）水面，當(dāng)排體前緣局部發(fā)生沖刷、產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，排體將受拉擴(kuò)張，表面積增大。僅靠壓重和排布的延展性是無法適應(yīng)河床變形的，需要增加排體面積以適應(yīng)這種變形。防沖排布可以通過局部打折等方法解決，但壓重排體需要靠分塊并增加搭接寬度來適應(yīng)這種變形。

圖2 沖坑處搭接寬度計(jì)算參考圖Fig.2 Calculation of scour pit overlap w idth

圖3 壩頭軟體排收縮及搭接示意圖Fig.3 Shrink and overlap of jetty head soft mattress

由于壩圓頭排體為扇形，為適應(yīng)沖刷坑形態(tài)，并避免浪費(fèi)，一般將壓重排體分成若干扇形塊，如圖3所示。最小搭接寬度也采用bmin與0.5m的較大值。不同的是，這里搭接寬度應(yīng)為扇形搭接部位外圍的玄長。

5 結(jié)語

（1）工程的第一道丁壩上游無掩護(hù)時(shí)，要根據(jù)河勢，調(diào)整迎水面的防護(hù)范圍。

（2）一般丁壩長度為100m左右，丁壩襠距與壩長相當(dāng)，方位角為30°～45°，并以30°居多。壩襠距過大（大于壩長）或上游壩過短（小于壩襠距），且上游壩對下游壩的掩護(hù)長度不夠時(shí)，下游壩迎水面的防護(hù)范圍要適當(dāng)增加。

（3）黃河河道整治工程建筑物形式有丁壩、垛、護(hù)岸等，文中僅介紹了丁壩的軟排體布置形式，垛和護(hù)岸的軟排體布置形式，根據(jù)沖刷深度，參照丁壩的軟排體布置方式設(shè)置。

（4）軟體排的布置范圍、分塊搭接與沖刷坑的形狀、大小關(guān)系很大。由于原型觀測受檢驗(yàn)手段限制，模型試驗(yàn)?zāi)壳斑€未得到比較滿意的結(jié)果。為了安全起見，目前排體前緣最大沖刷坑深度是按沒有軟排體的條件下確定的［2］。文中取刷坑坡度系數(shù)m＝2.0，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)試驗(yàn)資料進(jìn)一步確定。由于丁壩的沖刷坑形成的原因復(fù)雜、位置及尺寸多變化，軟體排應(yīng)用實(shí)際操作中必定存在著不少問題，有待于進(jìn)一步探討及研究。

［1］《堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)》編寫組.堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，1999：54.

［2］ GB50286-2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］胡一三.黃河高村至陶城鋪河段河道整治［M］.鄭州：黃河水利出版社，2006：207-213.

［4］SL/T 225-98，水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Analysis on Construction Technique of Yellow River T-dam Geotextile Soft M attress

ZHANG Rui-xun1,LI Ying-feng2,CUI Yan-feng2
(1.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,Henan,China; 2.Yellow River Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450045,Henan,China)

It analyzes and finds out that the geotextile soft mattress construction techniques,layout range and block-overlap of the Yellow River T-dam protective engineering have certain relations with the shape, depth and size of scour pit in front of the T-dam.The plane dimension of soft mattress depends on the ultimately stable depth and slope of scour pit in front of the T-dam.The depth of the scour pit and the length and width of soft mattress have been calculated,as well as the soft mattress layout form and blockoverlap techniques of the mattress body have been discussed.

Yellow River T-dam;geotextile soft mattress;construction layout;block-overlap technique

TV698

A

1008-486X（2015）03-0001-04

2014-05-07

張瑞洵（1969-），男，河南鄭州人，高級工程師，主要從事工程設(shè)計(jì)與咨詢工作。