姚仕明1，卢金友1，周宜林2
1长江科学院，武汉（430010）
2河海大学水利水电学院，南京（210098）
E-mail：yzhshymq@163
粉末冶金材料科学与工程摘要：本文结合长江中下游护岸工程实践，运用水槽试验与理论分析等相结合的方法对不同材料与结构型式的护岸工程效果、破坏机理及适应条件等进行了研究，结果表明，散粒体材料护岸能很好地适应河床变形，可用于复杂的水流条件与河道边界条件，在满足抗冲性条件下，石料粒径愈小，适应河床变形能力愈强；排体护岸的整体性较好，但适应河床变形能力有限，影响排体的护岸效果，若将排体与散粒体护岸有机结合，可有效提高排体护岸效果与适应河床变形能力；对于适应河床变形能力差的刚性护岸材料则不宜用于长江中下游水下护岸工程中。 关键词：长江中下游；护岸工程；破坏机理；新技术
中图分类号：TV143
1.前言
除少部分滨江山丘和阶地为基岩或更新世沉积外，长江中下游干流河道两岸组成大多为全新世松散冲积层，上部为粘性土，下部主要为中细砂。在自然情况下，受河道水沙运动的影响，长江中下游两岸常发生崩塌现象。据不完全统计，长江中下游干流河道沿江崩岸长度达1500余km，严重影响沿江两岸工农业生产与人民生命财产安全。为了有效控制河势、稳定岸线以及保证防洪安全等，需对两岸实施护岸工程。护岸工程的实施限制了河道的横向变形，加剧了河床纵向冲淤变化，特别是护岸工程与周围未护河床交界处，其冲刷强度与深度均较自然情况下大，引起护岸工程跟着发生调整，对于不同材料与结构型式的护岸工程，其调整能力存在明显差异。然而，护岸工程的稳定与守护效果和其调整能力直接相关，调整能力愈差，其护岸效果也愈差，护岸工程也越容易遭到破坏。因而，开展护岸工程形式与防护机理研究是非常有必要的。
以往针对抛石护岸进行过较多的研究，取得了较为丰富的研究成果，并成功应用于护岸工程设计与实践。然而，对长江中下游新材料、新技术护岸工程的破坏机理、适应条件及护岸效果进行系统研究很少，因此，本文结合长江中下游护岸工程实践，通过室内大型水槽（长40m、宽2.5m、高1.5m）对不同护岸材料与结构型式进行了较系统的试验，深入研究了护岸工程的效果、破坏机理及适用条件等，取得了新的研究成果与进展。
2.护岸工程技术与防护效果
2.1 抛石及小颗粒石料护岸
抛石护岸历史悠久，在长江中下游护岸工程中被广泛采用，对控制长江中下游的河势与稳定岸线起到了关键性的作用。以往针对均匀抛石护岸效果、块石位移及落距等进行过较多的研究，取得了较丰富的成果，对指导抛石护岸工程的设计、施工与运行管理起到了十分重要的作用。
然而，实际施工过程中，水下抛石很难达到均匀，因此，需研究块石及小颗粒石料在不1本课题得到国家科技支撑计划项目（课题编号：2006BAB05B03）的资助。
均匀铺护条件下的护岸效果与破坏机理等，本次研究就是针对块石及小颗粒石料不均匀铺护方案进行了不同覆盖率的多组次试验。研究结果表明，块石及小颗粒石料为典型的散粒体护岸材料，能随河床水流与泥沙的运动而不断自行调整，调整的幅度和强度与坡面覆盖率有关，覆盖率愈高，调整的幅度与强度愈小。抛石护岸工程经过水流与泥沙的相互作用调整后，对该工程效果起负面作用主要位于护岸工程边缘位置与坡面上层，其中护岸工程边缘位置主要是由于水流加剧对未护位置泥沙的冲刷，使坡度变陡，且变幅也较大，从而使附近块石发生调整，在边缘附近位置，调整后的局部坡面特别是在
备填石方量不足的条件下未必能由块石较好地覆盖，而且在有些位置甚至会出现陡于1:1.5的坡度，因此，护岸工程边缘附近的调整变化影响护岸工程的效果，是需考虑加固的；坡面上层则是由于坡面块石的调整及空白区的发展形成的空挡，坡面上层空档的大小与坡面覆盖率有直接关系。若坡面覆盖率高，坡面上层可通过加抛适量接坡石调整使其达到稳定，反之，可能使坡面上层出现破坏，严重情况下会出现水流“抄后路”现象，因此，该位置也是需考虑加固的。根据抛石护岸工程的变形过程及对工程效果起负面作用位置的分析，不难看出，对抛石护岸工程的加固应集中在工程的边缘附近与坡面上层[1]。
文献[2]从理论分析、水槽试验及现场试验等方面对小颗粒石料护岸工程技术进行了较深入研究，结果表明，在长江中下游平顺护岸工程中和水流相对平缓（ 3.0/v m s ≤）的河段，采用小颗粒石料特别是卵石（粒径在0.15m 左右，岸坡缓于1:2.5）进行护岸是可行的；小颗粒石料护岸最大的优点是对近底水流干扰小，与块石相比，其适应河床变形能力更强，在调整过程中更容易密实，可有效保护守护区域的泥沙免遭冲刷。
大量开采山石会对自然生态环境产生一定的负面影响。然而，取自于天然河流的卵石，应用于河流护岸工程中，有利于水下生物的栖息与环境改善，是比较理想的生态与环保型的护岸材料。考虑到小颗粒卵石的抗冲性有限，对于急弯段或流速较大、流态复杂的河段采用散抛小颗粒卵石可能难以取得预期的护岸效果，因此可结合土工合成材料或网垫一起构成网膜卵石排或雷诺护垫，以增强护岸工程的
抗冲性与整体性，这样可用于条件复杂河段的护岸工程。
2.2 铰链混凝土沉排护岸
铰链混凝土沉排（简称铰链沉排）是通过钢制扣件将预制混凝土块连接并组成排体的护岸结构型式，实际工程中，又有土工织物作垫层与无土工织物作垫层两种形式。铰链沉排的显著优点是属平顺护岸形式，整体性较好，一定范围内能适应河床变形，对水流阻力小，基本不改变近底水流结构，增强河岸的抗冲能力，且适应迎流顶冲河段的护脚护底工程，工程效果较好。
试验研究与工程实践表明，当直接采用铰链沉排护岸时，排体头、尾部及前沿冲刷严重，相应位置变形较大，由于排体具有一定的柔性，可适应一定范围内的河床变形。但若冲刷过于严重，一方面会使排体的平均坡度变陡，排体会出现下滑甚至被拉断的现象；另一方面，由于排体前沿冲刷过重，局部岸坡较陡，有的甚至出现吊坎状，因吊坎状局部水流结构复杂，对局部排体的扰动较大，容易使其翻卷或造成局部破坏，同时，排体上下游两侧也发生冲刷变形，对局部排体的稳定性及护岸效果会产生不利影响。当在排体头、尾及前沿加裹头石与镇脚石时，排体头、尾及前沿受水流冲刷变形后，有相应的块石来填补，形成由块石覆盖的相对稳定坡度，从而可有效保护排体的稳定及具有较好的护岸效果。研究结果还表明，对于混凝土铰链排中混凝土块之间间距较大的情况，需加土工布作为垫层，以防止其间的泥沙被
淘刷而影响排体的稳定与护岸效果，对于间距较小（小于5cm）的情况，可不加土工布垫层。
另外，排体压载重量的大小直接关系到排体的稳定，一般情况下，在平均流速为3m/s 的情况下，排体的压载重量大于100kg/m2时，排体可保持稳定，但对于水流条件复杂或流速大于3m/s的位置，排体需加大压载重量，以避免排体移位与翻转。铰链沉排对岸坡要求较高，在不采取阻滑措施的情况下，岸坡一般不宜陡于1:2.5，否则铰链沉排护岸是不够稳定的。
根据室内试验研究和工程实践经验，铰链混凝土沉排护岸适用于岸线比较平顺、岸坡较缓且比较平整的河段，并对排体头尾部需进行裹头处理，前沿需加抛块石镇脚。在岸线变化大、岸坡陡而地形变化大的河段，以及在已有大量抛石守护的岸段不宜采用；若需在这些岸段采用，应在沉放排体前先将岸坡加以全面平整。
2.3 模袋混凝土护岸
模袋混凝土护岸是将流动混凝土或砂浆用泵灌入由合成纤维制成的模袋内形成混凝土护面层，是现代混凝土技术与合成纤维技术相结合的产物。
试验结果表明，当直接采用模袋混凝土护岸时，模袋前沿和上、下游两侧在水流作用下冲刷严重，由
于模袋为大块体刚性护岸材料，基本不能适应河床的变形，当在水流的作用下，其前沿及两侧的局部位置会出现明显的掏刷，其掏刷坑逐渐向模袋下层内部发展，随着冲刷坑的不断增大，在水流作用力与其自身重力作用下，模袋混凝土会出现断裂与滑移现象。当模袋断裂后，其附近的局部冲刷更为剧烈，淘刷坑不断向模袋下层内部发展，严重影响模袋混凝土的护岸效果。
当在模袋混凝土头、尾部两侧及前沿加裹头与镇脚石时，试验发现，模袋上、下游两侧及前沿受水流冲刷变形后，有备填的块石来填补，形成有块石覆盖的坡度，排体前沿及两侧形成的稳定坡度与铰链沉排护岸形成的坡度是一致的。模袋周围有了块石的保护，岸坡上的模袋较为稳定，基本无变形，护岸效果明显增强，但试验中也发现，只要在其周围存在薄弱环节，仍易遭水流掏刷而形成局部冲刷坑。
模袋混凝土作为大块体刚性护岸材料，整体性较好，但不能随河床的冲刷变形而自动调整，相反，河床的冲刷变形对其产生破坏作用，且这种破坏多由下向上发展，一般不容易发现，待发展到近岸时，其破坏性与危害性更大。若在模袋周围加抛块石裹头、镇脚，会对模袋的护岸效果及稳定性起到积极的作用，但由于模袋混凝土自身没有变形调整能力，即便在模袋周围加抛块石裹头、镇脚，在河床冲淤变幅较大的位置，一旦在其周围出现薄弱环节，也会遭受水流的掏刷，形成掏刷坑，影响模袋混凝土的护岸效果与稳定性，另外，模袋混凝土的导滤作用比其它材料要差，这对岸坡的稳定也会有一定的影响。因此，模袋混凝土护岸适用于岸线比较平顺、河床冲淤变化不大、岸坡较缓且比较平整的河
段，在岸线变化急剧、水下地形起伏大、河床冲淤变形剧烈的迎流顶冲的地段不宜采用。模袋混凝土整体性好，抗风浪和水流的冲击能力强，适合水上护坡。
2.4六边四面透水框架护岸
六边四面透水框架（简称“四面体”）的杆件尺寸为，长1m，横截面为0.1m×0.1m。六边四面透水框架（简称四面体）护岸的水槽试验研究表明，当垂线平均流速达到 2.5m/s(原型)时，四面体就失去稳定，少量四面体发生位移，当流速继续增大到3m/s(原型)以上时，大面积四面体发生位移，并且多数表现为成串运动。坡面四面体运动情况主要表现为水深流
速大的位置，四面体流失较快，水浅流速小的位置开始时很少流失，但随岸坡底部失去四面体保护后，岸坡冲刷变陡，从而引起岸坡坍塌而导致四面体向下滑移，被水流带走。由于四面体的大量流失，使已护岸坡失去保护，在水流作用下，会出现自然河岸的变形特点，因此，在流速较大的位置不宜采用四面体进行护岸。
为了研究四面体的促淤机理及起动流速大小，专门又在宽0.6m、高0.7m、长30m的水槽中进行试验。试验结果表明，当水流流速小于四面体的抗冲流速时，其促淤效果明显；根据四面体起动流速试验资
料整理可知，在水深为0.21、0.32、0.42m的情况下，其对应原型起动的垂线平均流速分别为2.5～2.6m/s、2.58～2.65m/s、2.62～2.7m/s范围内，体与单个四面体起动流速相差不大。
为了比较分析透水体与实体材料的抗冲性，假设实体护岸（块石）材料与四面体的重量相等，可算得块石的粒径，求出其起动流速，即可比较其抗冲性。四面体的结构为由六条棱边组成，总长为6m，截面由0.1m×0.1m的正方形组成，比重为2.4，因此，换算为等重块石（比重为2.65）的粒径为23.5cm，根据块石起动流速公式[2]可算得，在水深为16.8m的情况下，其起动流速为3.93m/s，在同样水深条件下，而四面体的起动流速仅为2.7m/s，由此可看出透水体的抗冲性明显低于实体材料，主要原因是透水体的部分杆件突出床面的高度明显高于实体材料，因河道垂线流速分布一般表现为上大下小，其杆件突出床面的高度越高，受水流的作用力越大，在水流作用下越易失稳。
根据以上试验成果与分析认为，在水深不大于20m ，垂线平均流速大于2.5m/s的情况下，采用现有四面六边透水框架护岸是不稳定的。但它是治理崩窝与缓流促淤的较好材料。四面体的促淤机理主要表现为受组成四面体杆件的阻水绕流和挤压，使四面体保护区内的流速重新分布与调整，结果使四面体保护区内的近底流速小于投放四面体前的流速，从而引起局部流速减小，起着增阻减速的作用，有利于泥沙落淤，与实体材料相比，使用透水体材料促淤的最大优点是可以节省材料，同时可加速护岸区的淤积。
2.5 砂枕袋护岸
砂枕袋护岸与抛石类似，均为散粒体材料护岸，其最大特点是取材较容易，个体尺寸大，长宽比例悬殊。试验研究表明，砂枕护岸遭破坏的主要原因是坡脚前沿河床的冲刷以及坡面砂枕空隙间泥沙的掏刷引起的，其破坏过程是逐时逐层向上发展，结果在岸坡上层形成无砂枕袋保护的空挡，在水流的进一步作用下，会不断冲刷后退，最终破坏已有护岸工程；对于单层砂枕均匀铺护、两侧及前沿有裹头与镇脚石，在水流作用下，块石在砂枕的两侧及前沿形成新的坡度，保护砂枕前沿免遭冲刷而引起砂枕下滑，对砂枕护岸效果起积极作用，砂枕能起到保护河岸的目的，但在实际护岸工程中，由于受施工技术的限制，砂枕很难做到在床面上均匀分布。但对于单层不均匀铺护，即使在两侧及前沿加裹头与镇脚石，在水流作用下，因砂枕之间空隙的泥沙被水流掏刷，引起砂枕在坡面的重新调整，最终在守护区上层仍会出现空挡，在水流的持续作用下也会出现破坏现象。
根据砂枕不同护岸工程方案试验研究，认为砂枕作为护岸材料，可随河床的冲刷变形而发生局部调整，但由于其尺寸较大，调整能力明显比块石差，且调整后的砂枕袋在床面上的形态比较杂乱。根据在水槽中进行的砂枕投抛试验，可看出砂枕在床面上的分布是纵横交错，形态散乱，这反映了在实际施工过程中，要使砂枕达到相对均匀分布比块石的难度更大。另外，在砂枕护岸区，船舶不宜抛锚，否则，钩破砂袋会影响砂枕护岸效果，因此，砂枕护岸不宜用在船舶经常抛锚处与码头区。
3. 结论
在室内试验研究和理论分析的基础上，开展不同材料护岸效果研究，取得的主要结论如下：
（1）块石与小颗粒石料均为散粒体护岸材料，能较好地适应河床变形能力，能适应于复杂的水流条件与边界条件，其遭破坏的主要原因是前沿冲刷与坡面空隙泥沙的淘刷引起坡面块石或小颗粒石料的调整，使坡面上的空白区逐渐向上发展，若上层无块石补给，最终导致河岸遭到破坏；抛石护岸工程加固的重点应位于近岸区与抛石前沿冲刷较严重的部位；江河卵石是一种较为理想的生态与环保型护岸材料。
（2）混凝土铰链排护岸的整体性较强，基本能适应河床变形，但前沿冲刷严重会影响铰链沉排的稳定性；对于铰链沉排中混凝土块之间间距较大的情况，如下面无土工布垫层，空隙中的部分泥沙会被水流淘刷，对铰链沉排的护岸效果会产生一定的影响，因此为了提高铰链沉排的护岸效果及稳定性，需加土工布垫层，且在前沿需加抛块石镇脚，上下游两侧应裹头，这样有助于排体的稳定与坡脚前沿能更好地适应河床变形。挑边
（3）模袋混凝土护岸的整体性较强，但适应河床变形能力差，在前沿冲刷严重情况下，易使其折断与滑移，从而严重影响护岸效果，在前沿加抛块石镇脚，可有效改善其护岸效果。对于河床冲淤幅度较大地段的护岸工程中水下部分，不宜采用模袋混凝土护岸。模袋混凝土可应用于各种水流条件的水上护坡工程。方块电阻
（4）四面六边透水框架是一种较好的促淤材料，在流速小的位置用来促淤有显著效果，可用来治理崩窝及缓流促淤；但其抗冲性较差，在水深不大于20m，垂线平均流速大于2.5m/s 的情况下，四面六边透水框架自身并不稳定，因此，不宜用在流速较大位置的护岸工程中。
（5）砂枕护岸机理同抛石类似，均是散粒材料护岸，破坏也均是由于坡脚冲刷与坡面空隙淘刷双重作用引起的，但砂枕袋在河床上的调整能力以及施工过程中在床面上分布的均匀密实程度不如块石；在砂枕袋下加土工布垫层以及前沿加块石镇脚对砂枕护岸起积极作用，护岸效果较好。
参考文献
[1] 姚仕明，卢金友. 抛石护岸工程试验研究[J]. 长江科学院院报，2006，23（1）：16-19．
[2] 姚仕明，卢金友，岳红艳. 小颗粒石料护岸工程技术研究[J]. 泥沙研究，2007，（3）：4-8．
[3] 姚仕明，卢金友，罗恒凯. 长江中下游护岸工程新材料新技术试验研究[J].人民长江，2006，37（4）：79-80．
[4] 姚仕明，卢金友. 两种护岸新材料的应用技术试验研究[J].泥沙研究，2006，（2）：17-21．
波特曼
Study on revetment engineering technique and protection effect in middle and lower reach of Yangtze Riverphd
Yao Shiming，Lu Jinyou，Zhou Yilin
1 Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan (430010)
2 Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing (210098)
国榷
Abstract
Based on revetment engineering practice in middle and lower reach of Yangtze River, engineering effect, damage mechanics and adaptability conditions of revetment with different materials and structure types are studied by flume experiment and theoretical analysis. It is concluded that revetment with granular material can adapt change of river bed well and can be used in complex flow condition and channel boundary condition. Having enough anti-scourability, the revetment with small size stone could have better adaptability for change of river bed. Meanwhile the body revetment has better integrity, but the limitation of its adaptability for change of river bed decreases protection effect. The combined use of body and granular material could effectively improve the prot
ection effect and the adaptability for change of river bed. The rigid material with bad adaptability is not suitable for the underwater revetment engineering in middle and lower reach of Yangtze River.
Keywords：middle and lower reach of Yangtze River，revetment engineering，damage mechanics，new technique
作者简介：姚仕明（1974-），汉族，博士，长江水利委员会长江科学院，主要从事河流模拟、河道演变与治理方面的研究，目前正在从事长江防洪模型项目研究。
