黄河下游河势控制与滩区治理示范工程的实施及效果

龚西城 张昊 李琳琪 郑和涛 苏乃华 王勤修 左俊超

摘 要：河势控制与滩区治理示范研究课题实施状况，直接影响国家重点研发计划专项“黄河下游河道与滩区治理研究”项目成果推广使用前景。在阐述课题研究目标、执行情况及示范河段概况基础上，分别介绍了“钢结构异型板桩坝河势控导”“上挑变流坝促淤”“钢管轮胎透水桩坝束流输沙”“Z型钢板桩护滩”“钢管排桩坝护岸”“钢管轮胎透水桩整合坝送溜”“钢管透水桩缓冲限流”等示范工程形式。这些工程的实施，不仅实现了河势控导、变流促淤、束流输沙、护滩防塌、护岸防冲、整合送溜、缓冲限流等预期目的，满足当地群众需要，而且增加了示范工程种类，扩大了示范作用，达到了更好的示范效果。尤其是不占原有农田，有效保护了耕地，河内进占便宜且不需要抢险维护，在下游能够直接淤出广阔嫩滩，有利于生态修复，可直接和间接产生巨大的经济社会与生态效益。

关键词：河势控导;滩区治理;示范工程;钢结构异形板桩坝;钢管透水桩坝;黄河下游

中图分类号：TV91;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.010

Abstract： The demonstration research project of river regime control and beach area control is an important link to make the national key science and technology research and development programof “Research on River Channel and Beach Area Control of the Lower Yellow River” achieve the final results and be popularized in the lower Yellow River. This paper presented the “steel shaped sheet pile dam for river potential control”， “upward-facing variable flow dam for siltation”， “steel pipe and tire permeable pile dams to bundle the flow of sand”， “Z-shaped sheet pile beach protection”， “efficient sediment disposal”， “steel pipe pile dam shore protection” ，“steel pipe and tire permeable pile integrated dams”， “single row steel pipe permeable pile buffer to limit the flow” and other pilot project forms respectively on the basis of expounding the research objectives， implementation and the general situation of the demonstration river section. The implementation of these projects shows that they can not only achieve the expected purposes of river regime control and diversion， sediment promotion by changing flow， sediment transport by beam， beach protection and erosion prevention， and efficient sediment transport to meet the needs of local people， but also can increase the types of demonstration projects， expand the demonstration role and achieve better demonstration effect. In particular， it does not occupy the original farmland， effectively protects other cultivated land， makes it easy to enter and occupy， and does not need emergency maintenance. In addition， it can directly deposit vast beach land in the downstream， which is conducive to ecological restoration， and obviously can directly and indirectly produce huge economic， social and ecological benefits.

Key words： river potential control and guidance; beach area management; demonstration projects; steel shaped sheet pile dams; steel pipe permeable pile dams; Lower Yellow River

70多a来，黄河治理开发保护与管理成效显著[1]，在减轻洪水灾害、防治水土流失、综合开发利用水资源等方面取得了巨大成就[2]。不過，鉴于问题的复杂性，黄河下游河道与滩区治理依然面临不少问题[3]：防洪形势仍较为严峻，尤其是下游滩区防洪问题相对突出，水资源供需矛盾更加尖锐，水环境和水生态系统相当恶化。随着流域经济社会的发展、黄河水沙情势[4]和工程修建状况的不断变化，传统的河道与滩区治理对策已不适应新形势的要求。为建设完善的黄河下游防洪工程体系，确保黄淮海平原的安全，维持黄河健康生命[2]，促进流域经济社会高质量发展，迫切需要一批高层次大学与科研、设计、施工单位联合开展国家重点研发计划项目“黄河下游河道与滩区治理研究”（简称“本项目”）[5]。其下设的课题七“黄河下游河势控制与滩区治理示范研究” [5]（简称“本课题”），由山东菏泽黄河工程有限公司承担，需要针对本项目研发的滩槽治理方案进行示范研究。需要强调的是，本课题的最大亮点就是突出示范工程的地位，其实施状况直接影响到本项目研发成果能否广泛推广使用[6]。本文在论述示范研究目标、研究路线等基础上，简述主要示范工程的形式和实施情况。

1 课题概况

1.1 课题的执行情况

本课题系针对本项目研发的黄河下游滩槽治理方案进行的示范应用研究。因此，课题成果主要以示范工程形式体现[5]，获得中央财政专项资助的经费比本项目前两个课题经费之和还多出29万元。

在本项目申报材料准备期间，十分重视对示范工程位置的选择。山东菏泽黄河河务局向清华大学发函表示积极支持申报本项目[5-6]：“赞同将该项目示范区选在我局所管理的菏泽市东明黄河河段，重点为河势控制与滩区治理相结合且‘二级悬河典型的老君堂河段（属于黄河下游调水调沙前平滩流量最小的河段，‘十三五期间国家已安排修建老君堂下延工程500 m，目前贵校建有可配合示范的试验模型）。我局拟作为该课题的参加单位，积极参与该课题的管理与研究，并推荐菏泽黄河工程局为申报项目中‘黄河下游河势控制与滩区治理示范研究课题的主持单位，负责该课题的实施与研究。该局具有水利水电工程施工总承包壹级资质，长期参与黄河工程施工及相关研究，积累了大量丰富的黄河地质地貌及河道地形资料，形成了一支实力雄厚的技术队伍，取得了一系列成果，这些成果均已应用于实践，形成了良好的技术储备，可作为该项目的工作基础和支持条件。” 项目申报成功后，山东黄河河务局与山东菏泽黄河河务局大力支持本课题工作，参加课题的人员与相关部门都发挥了重要作用，和项目、课题负责人共同完成了“示范项目空间布局与管理”专题任务，使示范工程顺利落实[6-7]。

创新示范研究的运行管理机制，无疑是本课题能强力推动的必要条件。菏泽黄河河务局属于参照公务员管理的机关事业单位，又是本课题承担单位的直接主管部门，对各种经费管理非常严格。示范方案已进行创新性提升，为保证示范工程顺利实施与研究工作的完整性，减少协调工作量，有利于课题资金高效利用，根据财政部、科技部印发的《国家重点研发计划资金管理办法》第三十六条第（二）项要求，在预算总额不变的前提下，课题负责人对原预算统一调配使用，该局支持课题组对经费整体调配使用，为确保项目顺利实施创造了条件。

此外，经项目组与课题组联合考察发现，当前材料购置、钢结构加工与防腐、现场施工等价格比2016年价格上涨很多，示范内容及工程量难以完成。为此，除通过尽量购置二手钢材等途径外，施工单位承诺：“在项目负责人坚持现场指挥条件下，克服一切困难，超额完成全部示范任务。”最后由清华大学河南校友会推荐的热衷于公益事业的河南省蒲新防腐建设工程公司承担了示范工程的加工与施工任务。

1.2 课题研究目标

尽管近年来黄河下游来水来沙均较少[3，8]，但黄河仍是多沙河流，在未来相当长的时间内，黄河下游河势多变、滩地坍塌频繁和输沙效率低等问题依然严重。为此，按照科技部任务书要求，本课题目标基本是[5]：增设行洪输沙共适应的控导工程和不抢险且不影响行洪宽度的束流输沙工程，开展工程优化设计和施工，结合“避水阁”底层能过流防冲要求进行修建，分析工程实施效果。

1.3 课题研究内容及研究路线

根据本项目申报书中的顶层设计，本课题研究内容基本是[6]：结合“十三五”拟建的东明某下延工程，开展输沙能力提升工程、河势稳定控制与行洪共适应的工程、精准高效的定点输沙淤滩工程、避险避水阁等示范工程建设;工程设计和施工技术加以优化后进行现场实施，由水文部门提供水力泥沙因子与河床冲淤变形观测资料，分析修建工程后的变化，客观评价示范工程实施效果与滩槽综合提升治理的效益。

本课题研究路线主要是通过河工动床模型试验和基本理论计算，将清华大学在流路制约与送导及束流输沙工程形式等方面的关键技术成果，应用到黄河下游滩槽综合提升治理工程之中，按技术创新和优化后的施工方案施工，解决示范技术实现途径问题。竣工验收后开展必要的观测与分析，参照预期目标评定示范效果，从社会、经济与生态三方面分析效益大小，完成技术评估。对于泥沙高效处置工程示范研究，需要通过张红武理论计算，解决如何提高粗颗粒泥沙管道输送效率等难题，并通过管道现场调试，将高浓度固液两相流输送到指定淤区，构建完整的有压输沙系统，解决粗颗粒泥沙管道高效输送的关键技术问题。

2 示范工程所在河段状况

2.1 东明河段与滩区治理状况

东明河段处在黄河下游堤防最薄弱的“豆腐腰”河段，1933年洪水在该河段多处决口。1969年通过修建王高寨、辛店集等护滩控导工程，使河势得到一定控制。但上下游、左右岸的工程不配套，且单个工程长度不足，河势仍得不到完全控制，在油房寨以下主流从左侧摆至右侧，威胁堤防安全，且本项目所选示范河段历史上主流在西侧，后来大幅度演变至现状的东侧，造成大河从原来具有广阔滩地农田的乡村中穿越。在此状况下，王高寨、辛店集两工程才得以修建，靠溜后主流又被工程挑流到左岸周营工程以上岸滩，造成滩地严重坍塌。该时期主流摆幅很大，滩区居民生产生活都受到严重影响。1974年修建了大留寺、周营上延和老君堂护滩治理工程，河势方得以约束限制，只是局部河势变化仍较大，但从重要节点而言，东明河段工程布点基本完成[6]。

东明县是黄河下游滩区面积最大、居住人口最多的县。1958年非汛期以来群众在滩区大量修筑生产堤，限制了滩槽水沙的自然交换[3]，泥沙主要淤在生产堤内的主槽和嫩滩上[9-10]，逐渐使之成为“二级悬河”最为严重的河段[11-12]。该滩区从滩唇向堤根普遍存在远大于河道纵比降的横比降[9]，大洪水一旦漫滩就会出现主流顶冲堤防、顺堤行洪的危险[10]，甚至出现“滚河”之险[7]。

20世纪七八十年代，黄河下游宽河段平滩流量一般为6 000 m3/s;90年代初，张红武采用输沙能力法计算出东明河段（以夹河滩、高村水文站资料为基础）同平滩流量接近的造床流量为3 000 m3/s[13]，引起学术界的关注。小浪底水库修建后下游水沙条件大变，按输沙能力法计算出东明河段造床流量为4 000 m3/s，河床持续冲刷导致平滩流量增加到6 000 m3/s左右[10]，但考慮到小浪底水库的调度运行与水资源的供需矛盾，黄河下游不可能经常出现5 000～6 000 m3/s的流量过程，因此游荡型河段不能按平滩流量确定整治流量，而只能按照视水沙过程而变的输沙能力法所计算的造床流量作为整治流量，即4 000 m3/s。结合辛店集控导工程下延滩地高程（约为65.8 m），可确定异形板桩组合顺坝的设计水位为66.3 m（采用2020年水平4 000 m3/s流量相应水位），施工水位约为64 m，坝顶高程为66.8 m。为满足洪水漫滩滞洪沉沙要求，确定的异形板桩组合顺坝的坝顶高程不宜高出滩面较多，故在异形板桩顶上平铺设置外径为426 mm的卧管，每节长4 m，两端有直径55.5 cm的法兰盘，使洪水能够通过法兰盘架空形成的缝口溢流漫滩，在小浪底水库正常运用期河床淤积较多后水位表现较高时，可将此口封上，体现出工程可调控的特点。从高村与艾山水文站进行的原型观测发现，在示范工程建设期，右岸滩地坍塌不止的局面已得到遏制，使相当长范围内的农田得到保护。

2.2 示范河段的地貌地质条件

示范河段的地貌类型为黄河冲积扇平原，河床纵比降约为0.018%，河道具有游荡型特征[14-15]。在大地构造上处于华北断块区内的冀中、冀鲁微板块，次一级的隆起和坳陷从西向东为济源坳陷、武陕隆起、开封坳陷、内黄隆起、东濮坳陷、临清坳陷、鲁西隆起、济阳坳陷等，断块差异升降运动是区内新构造运动的主要形式[1]。

该区的地下水类型主要为松散岩类孔隙水[11]，其补给源主要为河水及大气降水。黄河下游为悬河，河水常年补给两岸地下水，地下水位随着河水位升降而升降，地下水位坡降为0.010%～0.036%，排泄方式主要为向下游径流和蒸发，在堤河附近常形成积水，低洼地存在沼泽化、盐渍化现象。地下水的化学类型一般为重碳酸钙镁型水，矿化度为 0.18～0.30 g/L。地下水埋深一般临河3～5 m、背河4～10 m。

根据水质分析，河水对混凝土一般无腐蚀性，对钢材有弱腐蚀性。

3 主要示范工程研究与实施

3.1 示范项目及调整

本项目最主要的研究目标和重要考核内容都是实施河势控制与滩区治理示范工程，还有一个目标和考核内容是长距离精准高效的管道放淤技術研发，进一步显示出示范课题在项目中的重要地位[5]。

鉴于老君堂控导下延的5道丁坝与示范工程未能实施，且“十四五”期间老君堂控导拟再下延3道丁坝，又因小浪底水库修建20多a后黄河防洪调度运行已不再让洪水漫滩[7]，不能再通过“人工调控过流规模进行格堤示范”（该格堤实际是大堤到老君堂工程的道路，1999年加固修建），故项目组将河势控导示范工程调整到辛店集下延工程下游[6-7]。由于对岸滩地也属于东明县，因此减少了束流输沙及护滩示范工程实施的协调工作量。

2021年2月9日主要示范工程修建后，即使不计管道输沙工程，其工程长度也已超过要求。因春节前修建的钢管轮胎透水桩坝束流输沙示范工程（2×108 m）、Z型钢板桩护滩示范工程（185 m）等布局新颖，不占原有农田，保护了耕地，河内进占便易，且在坝后直接“造”出新地，故两岸群众强烈请求增建上百米护滩控导工程，甚至有村民请求将下延示范工程再多建几十米，并通过送溜角度向左微调，以使下游几千米右岸长兴集近岸滩地冲刷后退现象得到抑制。2月20日项目负责人发现前一天所修土台岸线已冲刷后退5 m以上，当地群众主动提供两只13 m长铁船等设备免费供施工使用，当即决定增建80 m钢结构异型板桩坝河势控导示范工程（共189 m）、48 m上挑变流坝促淤示范工程（共116 m）、77 m钢管轮胎透水桩整合坝送溜示范工程（新建）、40 m钢管透水桩缓冲限流示范工程（新建）。这样不仅满足了群众需要，而且增加了示范工程种类，可达到更好的示范效果。实施的主要示范工程相对位置见图1。

2017年，本课题结合滩区淤筑村台，运用张红武水力学及河流动力学理论确定造浆系统和管道系统的关键参数后，构建高浓度长距离两相流输送通道，抽取床沙降低河床高程，用自吸泵抽入主管道内输送至吹填区[7]，实施了多技术高效泥沙处置示范研究。钢管直径为300 mm时，计算要求输沙浓度一般不低于25%，最高不大于50%，实际运行多为35%～40%。以此作为东明滩区高效输沙淤筑村台的技术指标，抽沙总量达到2 100万m3，从而为利用黄河泥沙资源提供了可靠技术。

3.2 钢结构异形板桩坝河势控导示范研究

按照传统结构修建丁坝需大量块石，还要占用耕地，预算居高不下且裕度较大，故将河势控导示范工程结构材料改为钢材，变为“钢结构异形板桩坝示范工程”[6]。该板桩构件上部以长度10.5 m、直径325 mm（小部分钢管直径377 mm）的钢管为中心，由宽翼缘H型钢对称焊接预制而成“钢结构异形板桩”。将两根宽翼缘型HW300×300的H型钢切成斜尖状，对称焊接在钢管桩两侧，加工成宽度为137～150 cm的异形板桩，除锈防腐处理而成上部板桩;下部采用长度8 m、直径325 mm的环氧煤沥青防腐钢管作为底桩，进口段其底桩长度超过10 m。

在相邻两异形板桩构件打桩到位后，中间需用不同宽度的6 m长钢板或不同直径的镀锌管，把迎、背水面水上部分自下而上满焊牢固。铁船不仅成为临水面施工处理的工作台，而且为改善施工环境，巧妙运用船体产生的人工环流[16]使水冲河岸状况大为缓解，再加上质量很大的“钢结构异形板桩”构件一旦打入河床，其背后与下游的流态得到改善，使示范工程在水中进占时比较顺利。水中施工大大节省了工程费用，还适应于应急抢险。

虽然在25 m深度内地层主要为第四系全新统河流冲积层，但异形板桩打入时，经常在10 m以下遇到以前抽沙以及其他活动遗留的管道、船体等坚固物体，不仅明显增加了施工难度，而且局部工程位置也难以“整齐划一”，不得不在现场不断调整“施工设计”和打桩方案。

板桩构件陆续沉桩、对其中空间灌水泥砂浆且顶部采用无收缩灌浆料后，相对于标准滩面（高程约为65.8 m）高0.5 m。为增强工程整体性，同时增加高度，在组合板桩顶上水平固定外径为426 mm的卧管，每节长4 m，两端有直径为55.5 cm的法兰盘。目前可利用法兰盘架空而形成的高6.45 cm的缝口溢流漫滩，以后需要时将此口封上，即建成坝顶高程约为66.8 m的河势控导示范工程。

设计时确定的施工水位约为64 m，但施工期流量与水位变幅较大，如果采用传统的施工技术，投资将会大增。例如：“十三五”国家安排修建老君堂下延5道坝的投资为1 130.91万元，因2017年河势靠溜状态较好，故采取分期实施方案，建成前3道丁坝及相应连坝无足够经费，到2018年3月“河势得到明显改善，河底高程基本稳定，满足施工条件”，上级于2018年9月20日以鲁黄规计【2018】32号批复“同意实施剩余33、34号坝及相应连坝”，又批复“经审核，老君堂控导下延工程设计变更共需增加投资1 415.56万元，从黄河下游防洪工程（山东段）概算投资中统筹解决”，表明采用传统技术修建，在水流条件发生较大变化后，投资可能会翻一番。

3.3 上挑变流坝促淤示范工程

清华大学研发的上挑120°淹没式变流坝具有小水流量不影响坝头稳定、大中水因漫顶而使近岸淤积严重的规律，促淤效果良好。课题组利用实施异形板桩控导工程及其他形式的示范工程之机，修建了本项目课题4研发的变流坝，开展促淤效果示范试验。在示范工程施工受到其他因素影响而后延较多的状况下，为发挥更好的促淤效果，将变流坝间隔7.5 m缩短至4.5 m，变流坝顶部比板桩工程顶低2.5 m，在输沙效率较低的中小流量下，坝顶隐藏在水面以下，以便在高效输沙流量级时不对流速较大的中上部水流产生干扰，将更多的水流能量用到输沙过程之中。

变流坝采用钢材作为支撑，迎水面上部固定废旧传送带制成上挑淹没式变流坝。实施不久流量很快增大到2 000 m3/s左右，漫顶水深一般为0.3～0.5 m，坝前自然出现平轴环流，表流流向河中，含沙较多的底流受到变流坝阻挠而按相反的方向将泥沙带向近岸落淤[17]。施工期泥沙淤积效果已好于预期，如果到了汛期，含沙量和漫顶水深增大，促淤效果会更好，工程稳定性也有保证。因此，将变流坝形状优化为便于打桩的倒三角形，基础深度减少一半，在变流坝近岸泥沙淤积处不設立柱，而是与板桩坝焊接一体，且固定废旧传送带的范围也有所减小（见图2），明显减小了施工难度，减少了工程投资。

将上挑变流坝与钢结构异形板桩坝结合一体，可使板桩坝前长期淤积而改变基础埋置与空间结构状况，明显增加组合坝整体稳定性[6]，故在示范成果推广阶段将上部板桩长度减少2～4 m，减少了钢材用量，减轻了打桩难度，缩短了施工工期，为减少工程投资提供了更大空间。

3.4 “钢管轮胎透水桩束流输沙工程”示范研究

为兼顾中水整治流量时能够束流输沙，在大洪水期所布置的工程又不至于影响过洪宽度，需在钢结构异形板桩坝河势控导示范工程的河对岸下游过渡段，设置透水桩束流输沙示范工程。黄河上运用的钢筋混凝土透水桩坝又称管桩透水坝，存在造价高、施工困难、易断桩等问题[18]，为减少投资并提高施工可靠性，项目组选择抗弯刚度大的钢管作为透水桩材料， 并在模型试验基础上开展冲刷计算。一般透水桩附近冲刷计算参照《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2002）中推荐的非黏性土河床的局部冲刷公式[13]，当V≤V0时公式为

式中：hb为透水桩局部冲刷深度，m;kξ为墩形系数，kξ=k′ξkmφ，取k′ξ=1.0，kmφ=1+5[（m-1）φBm]2，Bm为桩群垂直水流方向的分布宽度，m为桩的排数，φ为桩群计算宽度;kη2为河床颗粒影响系数;b为钢管桩计算宽度，取0.3 m;d-为河床泥沙颗粒直径平均值，取0.05 mm;hp为一般冲刷水深，m;V为行近流速，一般为冲刷后垂线平均流速，因水流方向与桩体存在角度，故行近流速值取3×sin 30°;V0为河床泥沙起动流速，m/s，按张瑞瑾公式计算[16];V0′为床面泥沙始冲流速，m/s;n2为指数。

由式（1）～式（5）计算得到一般冲刷深度为3～4 m时，钢管桩最大冲刷水深为5～7 m。

从现有规范上讲，桩前总冲刷水深由河床一般冲刷深度和桩的局部冲刷深度相加而得，而实际两者并不是相互独立的，故有学者由总水深给出冲刷公式。例如，张红武根据桩旁侧水流集中情况，引进临界稳定流速，导出如下适用于床沙中径D50<0.15 mm的总冲刷水深公式[13]：

式中：hm为总水深;kξ为桩型系数，圆管桩kξ=1;v0为行近流速;h0为相应水深;γs、γ分别为泥沙、水的容重;Sv为体积含沙量;ν为水流运动黏滞性系数;g为重力加速度。

由式（6）能考虑透水桩对应的水力泥沙因子计算不同部位透水桩的冲刷深度。管桩设计流量下最大冲刷水深一般为6 m。相关设计常采用式（6）计算，但因这类适用于桥墩局部冲刷计算的公式不考虑桥墩间距影响，就无法考虑透水率的影响，故对于典型的透水桩的冲刷计算并不适用。为此，张红武等[17]根据模型试验给出透水桩局部冲刷公式（式中l为桩距）：

由式（7）看出，透水桩局部冲刷深度跟桩径b、行近流速V0及相应水深h0成正相关，跟透水率（l-bl）-0.5及起动流速Vc成负相关（起动流速按张红武公式[19]计算），其计算结果也颇为符合实际。

采用式（7）及清华大学稳定性计算结果加以分析比较，认为钢管桩比钢筋混凝土桩在节省工程投资、便于打桩施工等方面有明显优势，故使用直径为210～270 mm的镀锌管或防腐钢管作为桩体，桩间距1.1 m（为减少挂草过多影响[20]，尾段86号桩以下桩间距增大到1.2 m），两排钢管桩中心线距离1 m，桩相互错开，除上游4根钢管桩桩长为15 m外，77%的钢管桩长度为14 m，从左排第6根始，往下游相间布置的钢管长度减为12 m。打桩到位后桩顶高于河床2.17 m，为提高稳定性，管中灌注水泥砂浆。在床面开挖0.8 m后每根桩套上一个直径0.6 m的废旧轮胎起抗冲作用，再采用8 cm×4 cm镀锌方管将钢管桩相夹焊接，在右排迎水面趁机夹住由废旧传送带制成的缓冲弹片。通过镀锌方管互相焊接，使透水桩在河床以下能够整体连接，同时便于托撑套在钢管桩上的5个轮胎。清华大学研究表明，轮胎重度略大于1，不易陷入泥内，又因桩前后冲刷深度有差异，加上水流作用下轮胎内边距桩远近一般是迎水侧近、背水侧远，在冲刷坑发展过程中不至于平行下沉很多而具有限冲作用。

在双排桩的顶部固定直径325 mm崭新防锈钢管作为卧管（每节4 m长，两端有法兰盘）。两排卧管北端利用弯头相连接并充填混凝土浆后，南端利用卧管法兰盘加固成示范工程标志牌支架，并在其他法兰盘处都用钢材与另一排相近的法兰盘相连，进一步加强透水桩之间的整体性，避免像钢筋混凝土透水桩坝那样，在中水流量下即因冲刷而倒入河中[20]。

安装卧管时需将桩旁河床垫高，完工后又没有将河床完全恢复成原状，外套的废旧轮胎被压在土层内。该工程建成不久，因上游河势上提，故主流逐渐斜冲至透水桩坝，甚至左排桩坝也遭到水流的冲刷（见图3）。由高村与艾山水文站联合进行的原型觀测发现，冲刷发展过程中，轮胎内侧因积土被逐渐淘空而露出水面，更好地发挥了限冲与缓流落淤作用，且能防止漂浮物的撞击破坏。又由于河床下设置了缓冲弹片[7]，可产生变流缓冲效果，因此钢管轮胎透水桩束流输沙工程在主流持续冲刷下安然无恙。

示范工程总长度远超过任务书要求的500 m，为使河势控导示范工程同对岸下游的透水桩坝更加配套，项目组要求在异形板桩坝的尾部继续增建整合送溜、缓冲限流示范工程，有利于主流平顺地经过渡段进入周营工程，这对于黄河治理工程措施的示范很有意义。这些工程的桩都是利用间距1 m、直径356 mm的无缝防锈钢管制作的。对于77 m长的整合送溜示范工程，为强化其控导送溜作用，背水侧采用废旧三角带系住上下两个轮胎挂在钢管上（轮胎竖放，相邻轮胎均通过三角带相互连接，上部轮胎顶高程比嫩滩面低10 cm左右），再利用相互焊接的高2 m的钢架挡护（其顶部比嫩滩面高约35 cm）;临水面固定有废旧传送带，在利用铅丝对钢架加密的同时，将嫩滩上大量废弃的纤维织物固定在钢架上，背后采用直径16 cm、长9 m的镀锌管作为立柱，每3 m打入一根，在其顶部用镀锌管与钢结构挡护架及钢管透水桩焊接一体，使其挡水护滩的同时，滩土也对透水桩整合坝产生支撑作用。正因为如此，可将这一示范工程的形式称为“钢管轮胎透水桩整合坝送溜工程”。所谓“整合”，就是把一些废旧物品通过某种方式彼此连接，从而在工程系统中实现协同作用的良好效果，最终形成有护滩与送溜价值的整体。

此外，沿工程位置线，采用直径为219 mm的钢管增建了长40 m的单排钢管透水桩缓冲限流示范工程（设置缓冲片）。

3.5 “Z型钢板桩护滩工程”示范研究

1958年非汛期以来黄河下游滩区出现大量生产堤[1]，使泥沙主要淤在主槽和嫩滩上，逐渐使宽河段历史上的高滩深槽演化成为1980—2000年的“二级悬河”态势。而小浪底水库运行20 a后的今天，被划定成基本农田的滩地塌失严重，“人河争地”矛盾愈加突出。造成大量滩地坍塌的原因，可运用张红武的河床自适应原理[15，21]解释：近些年水流含沙量减小[22]，粗化效应使河床难以产生较大变形，下切幅度自上而下逐渐衰减，河床比降减小到一定程度后，自然会利用富裕能量进行横向刷滩展宽调整，趋于新的河相平衡[21]。黄河泥沙量减少的趋势已不以人们的意志而转移 [4]，黄委将小浪底水库拦沙期向后推延[23]，少沙流量过程加长，滩地遭到水流冲刷的局面将维持较长时间，从而导致滩区农田大面积塌失[7]。

课题组选择由锰钢制作的2.5 mm厚的Z型钢作为板桩材料（见图4），其头部折成20 mm卡槽，可相互扣在一起。以此起伏不平的Z型钢板桩作为护滩面，不仅使工程结构强度增大，而且增大了对近岸壁的水流的阻力[24-25]，能够有效限制水流对滩岸的冲刷。在透水桩束流输沙工程尾部的背后，顺滩沿向下游修建了“Z型钢板桩护滩工程”（见图1）。施工完成后不久，“Z型钢板桩护滩工程”初步经受了水流冲刷考验。现场观测表明，该工程靠水的坡脚处冲刷深度很小，从水文部门提供的流场流态资料看出，主要是护滩工程在透水桩束流输沙工程尾部背后和西北处恰好得到了透水桩工程的掩护，其束流输沙功能可使主流逼近河槽左侧的部位下移600多m，或者说护滩工程位于透水桩工程能够发挥缓流落淤作用的有效区，说明“Z型钢板桩护滩工程”结合“钢管轮胎透水桩束流输沙工程”进行布置是合理的。

4 结论与展望

4.1 结 论

（1）本课题实施189 m钢结构异形板桩坝河势控导示范工程、116 m上挑变流坝促淤示范工程、216 m钢管轮胎透水桩坝束流输沙示范工程、185 m Z型钢板桩护滩示范工程、77 m钢管轮胎透水桩整合坝送溜工程、40 m钢管透水桩缓冲限流示范工程等，不仅满足了群众需要，而且增加了示范工程种类，扩大了示范作用，达到了很好的示范效果。其工程的空间布局属于能发挥最大输沙减淤潜力的工程布控模式，符合能量守恒原理和工程边界约束下的河床自适应演变规律，在河道制导工程空间布局上取得了突破。

（2）工程的钢结构组合构件截面紧凑、强度高、刚度大，使得打桩方式灵活，节省工期，减少了施工工作量，便于精准设计。其中的钢结构异形板桩坝河内进占便宜，特别适合推广到河流堵口等应急抢险中，在河流治理中明显加大了工程的制约与送导作用，洪水时自动漫顶，实现了河势稳定控制、中小水流量输沙不淤与大水行洪需要相统一。

（3）在治导线的过渡段对岸布局两排108 m长的钢管轮胎透水桩坝，轮胎减小透水率和橡胶的柔性特征，能促使工程具有更好的缓流落淤效果，又因在床面下加强钢管透水桩连接时设置的缓冲弹片具有变流缓冲作用，故桩附近局部冲刷深度受到限制。该工程在中常洪水时具有束流输沙功能，限制河势上提，减轻了水流对工程背后与同侧下游农田的冲击，且大洪水期不会影响水流漫滩与水沙的横向交换。

（4）初步的洪水考验表明，这些示范工程设置较为合理、巧妙，能够实现河势控导、变流促淤、束流输沙、护滩防冲、泥沙高效输送等预期目的，河势控导示范工程具有施工快、抗水毁的结构形式，实现了坚固牢靠、不抢险、调控自如的河势送导工程效果，同时工程不影响漫滩且与防洪对河宽的要求不相矛盾，在黄河上推广时可制定出中小水输沙与特殊洪水行洪共适应的工程边界布控方案。

4.2 展 望

本课题主要示范工程材料为废旧钢材，还使用大量抗老化的轮胎、传送带、三角带等废旧物质，在降低工程成本的同时，体现了绿色发展理念。尤其是降低了成本与后期维护费用，不占原有农田，有效保护了耕地，易得到当地群众支持，且在下游能够直接淤出广阔的嫩滩，有利于生态修复，具有显著的直接、间接经济社会与生态效益。

经估算，本课题示范工程建设成本相对于传统工程至少节省50%，尤其将上挑变流坝与异形板桩坝结合一体后，将上部板桩长度减少2～4 m，可为减少工程投资提供更大空间。传统工程考虑维护成本，经费需要更多，因此示范成果更有推廣价值。如果进一步采用本示范技术对宽河段进行系统治理，并利用预制板桩示范技术将河道工程（包括大量的险工与控导工程）和防护堤改造后，河势控导与水流输沙能力将大幅度提高，超标准洪水的过洪宽度不受影响，大量耕地被节省，再实施Z型钢板桩护滩工程示范技术，滩地保护率将比现状大幅度提高，可对黄河流域生态保护与经济可持续发展起到显著的促进作用。

此外，本课题示范技术可推广应用于其他流域的河道治理，而且推广到水治理、应急抢险、危桥加固、山地灾害防治、尾矿库除险、海岸线蚀退防治、淤地坝修建与加固等领域，无疑会发挥极大的经济效益。

参考文献：

[1] 赵业安，周文浩.“黄河下游河道演变基本规律”研究综述[J].人民黄河，1996，18（9）：4-9.

[2] 李国英.治理黄河思辨与践行[M].北京：中国水利水电出版社，2003： 1-180.

[3] 张红武.黄河流域保护和发展存在的问题与对策[J].人民黄河，2020，42（3）：1-10，16.

[4] 蔡蓉蓉，张红武，卜海磊，等.基于水沙组合分类的黄河中下游水沙变化特点研究[J].水利学报，2019，50（6）：732-742.

[5] 张红武，李振山，安催花，等.黄河下游河道与滩区治理研究的趋势与进展[J].人民黄河，2016，38（12）：1-10，23.

[6] 张红武.黄河下游河道与滩区治理示范工程的板桩组合技术研究[J].人民黄河，2020，42（9）：59-65，140.

[7] 张红武，龚西城，王汉新，等.黄河下游河势控制与滩区治理示范研究及进展[J].水利发展研究，2021，21（2）：1-11.

[8] 张红武.关于黄河下游治理方略的意见[C]//黄河水利委员会.黄河下游治理方略专家论坛.郑州：黄河水利出版社，2004：161-163.

[9] 张红武，张罗号，景唤，等.山东对黄河流域生态保护和高质量发展的作用不可替代[J].水利水电技术（中英文），2021，52（1）：1-21.

[10] 张红武.黄河下游“二级悬河”成因及治理对策[C]//廖义伟.黄河下游“二级悬河”成因及治理措施学术研讨会论文集.郑州：黄河水利出版社，2003：171-178.

[11] 张金良.黄河下游滩区再造与生态治理[J].人民黄河，2017，39（6）：24-27，33.

[12] 张金良，刘继祥，万占伟，等.黄河下游河道形态变化及应对策略：黄河下游滩区生态再造与治理研究之一[J].人民黄河，2018，40（7）：1-6，37.

[13] 张红武，马继业，张俊华，等.河流桥渡设计[M].北京：中国建材工业出版社，1993：1-280.

[14] 耿明全，王建新.黄河下游游荡性河段河道整治设计流量浅析[J].人民黄河，1999，21（12）：3-5.

[15] 张红武，江恩惠，赵新建，等.黄河高含沙洪水模型的相似条件[J].人民黄河，1995，17（4）：1-3.

[16] 张红武，吕昕.弯道水力学[M].北京：水利电力出版社，1993：1-216.

[17] 张红武，曹帅，张昊，等.黄河下游河道治理关键技术研发模型试验报告[R].北京：清华大学黄河研究中心，2017：1-25.

[18] 付帮勤，赵世来，王春迎，等.黄河菏泽河段河道整治与技术新材料应用[M].郑州：黄河水利出版社，2001：1-188.

[19] 张红武.泥沙起动流速的统一公式[J].水利学报，2012，43（12）：1387-1396.

[20] 耿明全，李永强，孙伟芳，等.重复组装式导流桩坝研究与应用[M].郑州：黄河水利出版社，2014：1-502.

[21] 张红武，张俊华，钟德钰，等.黄河下游游荡型河段的治理方略[J].水利学报，2011，42（1）：8-13.

[22] 张红武，张清.黄河水流挟沙力的计算公式[J].人民黄河，1992，14（11）：7-9.

[23] 张红武，刘海凌，江恩惠，等.小浪底水库拦沙期下游游荡性河段演变趋势研究[J].人民黄河，1998，20（11）：3-5.

[24] 张红武，张罗号，彭昊，等.冲积河流糙率由来与计算方法研究[J].水利学报，2020，51（7）：774-787.

[25] LI L Q， ZHANG H W. Multi-Objective Optimal Allocation of Sediment Resources Under Multiple Uncertainties[J]. Journal of Cleaner Production， 2021，288，125534.

【责任编辑 许立新】