黄河丁坝土工织物软体排的施工技术分析

张瑞洵，李迎凤，催炎锋

（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003；2.黄河建工集团有限公司,河南 郑州 450045）

黄河丁坝土工织物软体排的施工技术分析

张瑞洵1，李迎凤2，催炎锋2

（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003；2.黄河建工集团有限公司,河南 郑州 450045）

分析了黄河丁坝防护工程的土工织物软体排的施工技术，排体的布置范围、分块搭接与坝前冲刷坑的形状、深度、大小有一定的关系。软体排的平面尺寸取决于坝前冲刷坑的最终稳定深度和坡度。进行了冲刷坑深度、软体排的长和宽的计算，探讨了丁坝软体排的布置方式及排体的分块和搭接工艺。

黄河丁坝；土工织物软体排；施工布置；分块搭接工艺

0 引言

黄河河床土质结构松散，抗冲刷能力不强，再加上黄河流路不稳，流态复杂，很容易在工程坡脚处形成冲刷坑，从而出现险情。因此，加强水底防护非常重要。丁坝是黄河河道整治工程中最重要的一种建筑物，广泛用于险工、控导工程、护滩工程中。丁坝圆头部位工程结构较直线段复杂，水流容易在此形成三维涡体紊流，使出险概率增大。因此，丁坝圆头部位是每年防汛的重点部位，也是整个工程防护的重点部位。

岸坡及水底防护的传统做法是采用埽枕、材排、抛石、木桩等措施。这些措施能延缓险情的发生，但不能有效阻止塌岸、塌滩现象的出现。这主要是因为，它们不具有反滤功能，放在被保护土面上后，受水流冲蚀和潮浪淘刷抽吸的影响，被保护土颗粒容易被水流带走，导致剥蚀和坍塌［1］。

20世纪70年代以来，土工合成材料的研究和应用得到快速发展。土工织物软体排是单层或双层土工织物与压载的复合结构体，具有抗拉强度高，连续性、整体性、反滤性好，适应变形能力强等优点。20世纪80年代，黄河河道整治工程开始利用土工织物软体排。黄河河南段的九堡险工、马渡险工、柳园口险工、大功控导，山东黄河段的老君堂控导、北杜控导、营房控导等工程建设中均使用了土工织物软体排。

土工织物软体排的设计和工作原理是：利用土工织物和压载物的优势，组合成一种防护结构。按计算出的最大冲刷深度和坡度折算出相应的排体宽度，进行施工。排体随冲刷坑的发展逐步下沉，形成反滤消能的防护层，从而达到保护坝脚、坝坡，减少灾情的目的。从土工织物软体排的工作原理可以看出，成功的软体排防护与合理的布置方式 （包括位置、尺寸、伸缩量预留等）是密不可分的。本文从冲刷坑的角度探讨一下软体排的布置范围及分块搭接。

1 局部冲刷深度及冲刷坑稳定坡度的确定

丁坝软体排的平面尺寸取决于坝前冲刷坑的最终稳定深度和排体或冲刷坑的最终稳定坡度。

1.1 局部冲刷深度

黄河工程设计时，一般根据 《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）计算坝前冲刷深度［2］，其计算公式为式（1）。

式中：hB为坝前局部冲刷深度 （从水面算起），m；α为水流流向与坝轴线夹角，一般为30°～90°；m为防护建筑物迎水面边坡系数，m＝1.5；h0为行进水流水深，m；Δh为坝前原河床以下冲刷深度，m；V为行进水流流速，m/s，根据黄河下游实际情况，洪水时，河南段取V＝3m/s，山东段V＝2.5m/s。

由公式（1）可以看出，水流流向与坝轴线夹角不同，计算结果不等，30°时值最小，90°时值最大。根据实际观测，坝垛各处的冲刷深度并不均匀，在靠主溜的坝头部分，冲刷深度一般为10～15m，最大可达23.5m左右，其他部位冲刷较浅。考虑到小浪底水库运用后下泄清水、河床下切等因素，根石平均稳定冲刷深度一般取12m。

1.2 冲刷坑的稳定坡度

冲刷坑的稳定坡度取决于河床泥沙的水下休止角。黄河下游河床土质一般为粉沙质土壤。试验表明，水下休止角一般在30°附近。当边坡系数m＝2.0时（即坡比1∶2），冲刷坑的边坡可处于稳定状态。黄河下游已建的软排体工程都是按m＝2.0取值，工程运行状态较好。因此，本文也推荐边坡系数m取2.0。

2 软体排的尺寸计算

顺水流方向的排体尺寸为排宽，垂直水流方向的排体尺寸为排长。

2.1 排长计算

枯水位以上的排长为水上部分排长L1，枯水位以下的排长为水下部分排长L2。排长L为水上部分排长L1与水下部分排长L2之和。水上部分排长为护坡长度与挂排所需长度之和，易于确定。水下部分的排长计算稍微复杂，不同的书上所列公式不尽相同，一般根据河道主流靠近岸边或远离岸边的情况，采用不同的方法进行计算。即，河道主流靠近岸边时，采用深泓线计算法；河道主流远离岸边时，采用最大冲刷深度计算法。由于黄河主流经常摆动，主流距岸边的距离不固定，推荐采用最大冲刷深度计算法，计算公式为式（2）。

式中：L2为枯水位以下边坡上的排长，m；K为安全系数，取1.2；C1为排体的折皱系数，取1.4；C2为排体的收缩系数，取1.05；H为枯水位时深泓线或冲刷坑底处的水深，m。

2.2 排宽计算

顺水流方向的排体宽度视需要保护的岸坡范围而定。受排体类型、水下地形、流速、水深、波浪、施工定位等因素影响，选定排宽时，应注意排体的收缩，即

式中：B为排体宽度，m；B1为防护宽度，m；ε为收缩系数，静水取0.015～0.024，动水取0.025～0.04。

3 丁坝软体排的施工布置方案

丁坝坝身长，保护岸线长，挑流能力强，但阻水严重，近坝水流流态复杂，局部冲刷严重。丁坝方位角越大，局部冲刷越剧烈。当坝前水位壅高时，易形成回溜，冲刷丁坝迎水面和坝根，水流在坝头集中绕流，使坝头强烈冲刷，下游水流形成回旋流，冲刷丁坝下跨角。多年的治黄实践证明，一般情况下，坝圆头的部位冲刷最强烈，与上跨角相邻的迎水面次之。

黄河工程每年都进行根石探摸，现整理一些结果，如表1所示。

由表1可以看出，坝垛各处的冲刷深度并不均匀，在靠主溜的坝头部分，冲刷深度一般相对较深，迎水面次之。

软体排设计时，为了达到全面防护，且不浪费的效果，应按照坝体外侧的冲淤情况，分别确定坝体各部位的排体长度。坝圆头部位冲刷最严重，软体排防护长度Y也应最长。与上跨角相邻的迎水面（按坝长S的1/3计）冲刷深度仅次于坝头，但根据实际探测结果，有时差别不太大。为了施工方便，并考虑一定的安全度，该处软体排防护长度也取Y。丁坝迎水面中部（约坝长S的1/3）冲刷稍弱，为节约投资，软体排防护长度从Y递减至Y/2。丁坝根部迎水面（约坝长S的1/3）在上游丁坝的掩护下，很少受到水流的冲刷，不再进行防护。坝的背水面冲刷集中在与下跨角相邻的部位，防护范围应从下跨角开始，沿坝轴线方向延伸Y宽，软体排防护长度也从Y递减到Y/2。坝的背水面其他部位不受水流冲刷，不需要防护。丁坝软体排的布置方式如图1所示。

传统上，丁坝迎水面石方裹护长度为坝长S的2/3，圆头全裹护，背水面裹护长度10～30m，与上述软排体的布置范围基本一致。

4 排体的分块和搭接［3］

排体宽度应为保护区域宽度、相邻排体搭接或缝接所需宽度和考虑排体收缩余幅之和。由于河床需要防护的面积较大，为了使排体适应河床变形，便于加工和制作，需要将排体分成若干个单元块，块与块之间采取上游块压下游块的搭接方法。单元块的大小和搭接宽度视坝坡形状而定。

4.1 丁坝的迎（背）水面排体的分块和搭接

丁坝迎（背）水面河床的局部冲刷主要沿坝轴线呈带状分布。河床变形差异相对较小，靠排体的压重和排布的延展性基本能够调整排体与河床之间的变形。单元块的大小主要根据施工条件和强度确定。垂直水流方向的长度按可能最大冲刷坑深度确定；沿水流方向的宽度一般为10～20m，旱地施工方便，取大值，水中进占施工困难，取小值。

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

图1 丁坝软体排的布置方式Fig.1 Layout form of T-dam soft mattress

《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T 225-98）要求：搭接宽度一般不小于0.5m［4］。由于河床冲刷后，排体变形大，设计时，需要对搭接宽度进行适当验算。

如图2所示，假设丁坝迎（背）水面断面M—M至坝头对应的河床上形成冲刷坑，在垂直M—M断面方向上软排体边缘处取N—N断面。

根据图2，最小搭接宽度bmin＝h/sin(θ)-h/tan(θ)，考虑安全搭接余幅0.3 m，则取：

bmin＝h/sin(θ)-h/tan(θ)+0.3 （4）

式中：θ值为河床土的水下休止角；h为冲坑深。

设计时，最小搭接宽度取bmin与0.5m之间的较大值。

4.2 坝圆头排体的分块和搭接

在丁坝坝头处，由于河床局部冲刷变形差异相对较大，排体沉降时受力较为复杂，排体有受拉扩展和受压收缩两种形式。

当排体整体沉降时，由于受压将向内收缩，面积减少，示意图如图3所示。软排体必须有适应这种收缩变形的能力。工程措施上主要靠排体单元块之间的错动和排体压载之间的空间缩小来解决。比较软排体收缩变形前后面积的变化，可得出扇形半圆状的软排体最大收缩变形面积。

ΔSmax＝(r sin(θ/2))2（5）

丁坝圆头周围所形成的冲刷坑不同于丁坝的迎（背）水面，当排体前缘局部发生冲刷、产生不均匀沉降时，排体将受拉扩张，表面积增大。仅靠压重和排布的延展性是无法适应河床变形的，需要增加排体面积以适应这种变形。防冲排布可以通过局部打折等方法解决，但压重排体需要靠分块并增加搭接宽度来适应这种变形。

图2 冲坑处搭接宽度计算参考图Fig.2 Calculation of scour pit overlap w idth

图3 坝头软体排收缩及搭接示意图Fig.3 Shrink and overlap of jetty head soft mattress

由于坝圆头排体为扇形，为适应冲刷坑形态，并避免浪费，一般将压重排体分成若干扇形块，如图3所示。最小搭接宽度也采用bmin与0.5m的较大值。不同的是，这里搭接宽度应为扇形搭接部位外围的玄长。

5 结语

（1）工程的第一道丁坝上游无掩护时，要根据河势，调整迎水面的防护范围。

（2）一般丁坝长度为100m左右，丁坝裆距与坝长相当，方位角为30°～45°，并以30°居多。坝裆距过大（大于坝长）或上游坝过短（小于坝裆距），且上游坝对下游坝的掩护长度不够时，下游坝迎水面的防护范围要适当增加。

（3）黄河河道整治工程建筑物形式有丁坝、垛、护岸等，文中仅介绍了丁坝的软排体布置形式，垛和护岸的软排体布置形式，根据冲刷深度，参照丁坝的软排体布置方式设置。

（4）软体排的布置范围、分块搭接与冲刷坑的形状、大小关系很大。由于原型观测受检验手段限制，模型试验目前还未得到比较满意的结果。为了安全起见，目前排体前缘最大冲刷坑深度是按没有软排体的条件下确定的［2］。文中取刷坑坡度系数m＝2.0，实际设计时，可根据试验资料进一步确定。由于丁坝的冲刷坑形成的原因复杂、位置及尺寸多变化，软体排应用实际操作中必定存在着不少问题，有待于进一步探讨及研究。

［1］《堤防工程土工合成材料应用技术》编写组.堤防工程土工合成材料应用技术［M］.北京：中国水利水电出版社，1999：54.

［2］ GB50286-2013，堤防工程设计规范［S］.

［3］胡一三.黄河高村至陶城铺河段河道整治［M］.郑州：黄河水利出版社，2006：207-213.

［4］SL/T 225-98，水利水电工程土工合成材料应用技术规范［S］.

[责任编辑 杨明庆]

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

张瑞洵（1969-），男，河南郑州人，高级工程师，主要从事工程设计与咨询工作。