自适应球体模袋岸坡防护技术研究及应用探讨

徐新华 徐雷诺 彭光华 王大胜 高庆国

（1.淮河水利委员会水文局（信息中心）蚌埠 233001 2.中水淮河规划设计研究有限公司合肥 230601 3.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230000 4.淮河水利委员会沂沭泗水利管理局 徐州 221018）

1 岸坡崩塌破坏机理及防护技术现状分析

目前广泛应用的河道抛石护岸，由于石块大小不易控制，棱角分明，抛投定位不准确等因素，石块周围形成的局部流态极为紊乱，当水流变化时，局部冲刷增加，冲坑加大，随着时间的累积，石块失衡，进而岸坡失衡，抛投的石料因厚度不均，在岸坡失衡后形成挑坝挑流，主流线局部改变，河势不稳定，不断自然演变，形成新的险工，河道冲淤特性相应改变。对于整体模袋混凝土、软体排、雷诺护垫等防护方法，从目前统计资料看，由于受施工技术、材料、基础垫层、岸坡基础处理等多种条件限制，整体防护多因基础淘空、局部冲刷而发生破坏，防护效果不理想。

2 自适应球体模袋柔性护岸技术原理

针对目前护岸防护技术受局部冲刷影响失衡，抛投的石块防护体不稳定等问题，提出自适应球体模袋柔性护岸技术方法（专利ZL201510692115.6），依靠土工布球体模袋柔性好的特点，可较好地适应水下复杂地形，对水下因水流淘刷形成的局部冲坑，可依靠水流动力自动充填，从而保护岸坡及河底冲坑不再一步发展。球体模袋外形近似球型，水流条件较好，流线平顺流态平稳，可有效减少局部冲刷造成的块体失稳。球体模袋重量大小可依据河道实际情况调整及控制，球体模袋易加工，模袋内冲填石子、黄砂等充填物，水位变动区根据情况添加水泥、粘土及胶粘缓凝剂形成人工石，球体模袋适应河床变形后，外形稳定。

针对抛石石块大小不一，局部流态紊乱，局部冲刷造成石块失衡。经数值模拟分析，将抛投物体设计为球体模袋，减小局部冲刷，水流平顺，流态平稳，符合流体力学原理，当受水流作用时，明显减小局部冲刷，模袋趋于稳定，能保护岸坡稳定。

3 主要技术特征分析

3.1 球体模袋外形设计及计算分析

经计算并考虑人体力学原理，一般球体模袋直径设计为30cm，模袋外层采用反滤针织土工布（一般200～250g/m2）,内置充填物为1～20mm 的石子、黄砂及粘合剂（按比例配方），一般单个重量为22～25kg。根据《堤防设计规范》（GB50286-2013）计算，可抵抗水底流速2.5m/s 左右。

根据土工布技术规范，土工布在水下无紫外线照射情况下，寿命可超过50年。

球体模袋：V=4/3·πR3=0.1413m3，充填物比重按1.8t/m3计，单个重量25.4kg。

3.2 球体模袋链式结构设计

根据局部调研分析，考虑到天然河道冲坑，水流动力等原因，试验球体模袋直径按30cm 左右设计采用，重量控制在20～25kg 左右，一般不超过30kg，以便于人工运输及抛投并考虑自适应要求，抛投采用双层设计并设计3～5m 水平基础平抛段，利于球体适应水下地形。根据河道及工程情况可研究调整，考虑到淮河一般流速较小，球体之间暂不考虑增加联系结构，如流速加大，则考虑采用不同材质进行外形及重量控制。

3.3 模袋生产加工技术

模袋采用土工布裁剪加工成球体，在后方工厂按专利要求集约化加工，保证模袋及充填物质量。

模袋封口条带为自带索扣式，模袋扎口带之间备有搭扣连接，便于模袋相互串联或并联，可根据需要串联或并联两个或三个模袋，增加抛投重量。对长江等流速较大河段(抛投流速大于3m/s)，根据河道流速对球体模袋单体重量进行分析计算，加大单体重量设计，或将球体模袋联成链式结构，以增加抛投重量和稳定防护效果。多个球体模袋串联或并联，形成更大球体，增加抗冲刷能力。

3.4 模袋充填物设计

模袋内置充填物一般为2～20mm 的石子、黄砂等，单个重量控制为22～25kg，防汛抢险时可就地取材，充填粘土及石块防止崩岸。

水位变动区因长时间受紫外线照射容易老化，采用人工石技术，根据情况增加水泥粘土及胶粘缓凝剂的混合物（石子、黄砂、水泥、粘合剂及水=4 ∶2 ∶1 ∶0.5 ∶0.5），达到不低于C15 混凝土强度，在30～60 天内，逐步适应河床变形后，稳定敷在岸坡上，保护河床及岸坡稳定，可较好地适应表面不平的天然河道岸坡或河床。

4 施工工艺及方法研究

4.1 模袋抛投

首先对拟抛投断面进行网格化分隔定位，每个网格为6m×6m，以便对抛投位置进行定位抛投。其次，球体模袋通过汽车运输到达施工现场后，采用船用或汽车起重机吊运抛投，每平方米抛投20～22 个模袋(双层)，在河道岸坡与坡脚形成厚约60cm 的双层模袋防护层，保护土体不受水流淘刷。

4.2 模袋水下抛投

采用多功能自动抛投船进行，模袋通过皮带机自动转运至抛投船并摆放整齐，抛投船通过GPS 自动定位及施工网格，自动均匀抛投，目前自动抛投船每次可抛投12m2。抛投完成后进行施工测量及检测，发现不均匀部位，适当补抛。

5 应用实例及前景展望

自适应球体模袋岸坡防护技术能充分发挥现代土工布及普通中小颗粒碎石、泥土等充填物的优点，通过专利技术形成合力用于岸坡防护，对缓解开采砂石资源量和保护环境有重要意义。球体模袋更符合液体力学原理，减少局部冲刷。常水位以上采用生态混凝土砌块结合一体化模袋反滤垫层（专利技术）防护，可保证河道护坡垫层在大风浪淘刷情况下，垫层不流失，从而保证了岸坡稳定。目前该技术已用于沙颍河支流商合杭高铁泉河特大桥、淮南淮河大件码头、淮河取水口等工程岸坡防护，取得初步防护效果。今后将进一步总结积累经验，探索工程实践，发挥其工程作用■