组合式金属防洪挡板研究进展

秦英泉，邓 飞，吕中荣，徐丹丽，刘祚秋

（1.中山大学 航空航天学院，广东 深圳 510006；2.广东水利水电技术中心，广州 510635）

根据 《2020 年全国水利发展统计公报》［1］，截至2020 年底，全国已建成5 级及以上江河堤防32.8 万km，累计达标堤防24.0 万km，堤防达标率为73.0%，其中1 级、2 级达标堤防长度为3.7 万km，达标率为83.1%。在高堤防达标率的情况下，2020 年全国洪涝灾害直接经济损失仍高达2669.8 亿元，占当年GPD 的0.26%。安徽、四川、湖北、江西、重庆、湖南、甘肃等省（直辖市）受灾较重,为减轻洪水灾害，仍需进一步研究更有效率的防洪挡板。

为解决城市防洪安全需与人们在水面岸上双向风景观赏、居民亲水性需求之间的矛盾，对组合式金属防洪挡板的应用研究逐渐成为热点，且对如何在雨季落实防洪措施、提高防洪能力的研究显得尤为重要。为此，聚焦于国内组合式金属防洪挡板的使用状况，以及国内外组合式金属防洪挡板的研究进展。

组合式防洪挡板是一种高效安全的防洪设备，最早由德国的蒂森克虏伯城市基础建设公司研制并应用，国际上第一套组合式防洪挡板在1984 年安装于德国的科隆市。2002 年欧洲持续的暴雨天气引发特大洪水，为应对洪水灾害，捷克的布拉格、英国的比尤德利、多瑙河畔的奥地利等城市也相继开始大规模使用这种组合式防洪挡板，到如今组合式防洪挡板已在欧洲广泛使用。

1 国内外研究现状

1.1 国内防洪墙的应用类型

沙袋是防洪中最常见的应急防洪措施，仍在全球范围内的防洪现场被作为应急系统使用。沙袋防洪系统可在无专业技术人员指挥的情况下进行建立，其安装方便灵活且快捷，可根据当地环境地形进行因地制宜的安装，能在洪水发生时立刻安装［2］。但沙袋防洪系统对内装的沙子及袋子的材料有要求，且由于沙袋必须组装城墙体才有一定防洪能力，因此对沙袋的运输效率也有要求，沙袋防洪系统安装成功后的抗水压的强度不高，且易失稳，由于沙袋系统经常用于应急抗洪，通常需要人力进行安装，在防洪时的安全程度也不足。

绿篱防洪墙目前在国内应用较少，在蚌埠市城市圈堤［3］也有应用，其在防洪挡水的同时也是城区河道沿线的一道靓丽的风景线，生态效果好且工程造价便宜，缺点是需长时间维护，且堤身加高到一定高度时，受风浪压力及冻胀的影响明显加强，墙体倾斜可能加大，同时绿篱本身也有人为破坏的可能。抚顺市清原县城段、沈阳市浑河南堤［4］(左堤)也有应用。

空箱式防洪墙能与土堤或混凝土防洪墙紧密连接，两者之间可用一定厚度的止水材料填充。这类防洪墙能将防洪与商用结合为一体，发挥堤防的多功能效益［5］。但在加高培厚时，需开挖老堤身、清除已建成的生态带。张晚祺等［6］专业人员研究在管道穿堤防洪补救中箱式防洪墙的应用。在澜溪老街中也使用过一种空箱式钢筋混凝土防洪墙［7］。

混凝土防洪墙是一种轻型的支挡构筑物，这种防洪墙的抗滑，抗倾覆能力取决于墙体自身的重量及填筑土体的重力效应，混凝土通常采用钢筋混凝土使得防洪墙厚度减小自重减轻，满足地基承载力较低的地形防洪要求，混凝土防洪墙防洪性能好、结构稳定，通常用于石料缺乏，地基承载力不足或经常发生地震的地区［8］。但其造价过高且钢筋混凝土防洪墙对现有的城市景观有一定的破坏且占地面积大，生态性能一般，难以协调防洪安全与城市建设的需求［9］。

浆砌石防洪墙为重力式结构，依靠墙体自身的重量压实土壤以提供支撑力保持稳定，浆砌石防洪墙结构稳固，搭建简单，材料的选择也多样且丰富。由于此类防洪墙依靠墙体的重力支撑，其对地基的承载力要求较高，施工的工程量较大质量难以控制，且施工工艺对生态环境会造成一定影响［8］。材料的沉降、冻胀问题较为明显。

还有各式的传统防洪子堤，有的直接使用钢材焊接成子堤框架，把防水面板用螺栓固定，然后把防渗胶布铺设在面板上，这类防洪墙原材料笨重，运输不便，且易腐蚀，施工繁琐也会给抗洪抢险工作的开展带来不利影响。还可利用景观将堆坡塑型对堤防进行加高，制造出对防洪有优势的地形［10］。晏利军对位于湖南省长沙市月亮岛的防洪情况进行分析［11］，研究护栏式防洪墙在月亮岛的应用，研究表明该型护栏式防洪墙既满足月亮岛汛期的防洪需要，同时兼顾在非汛期对行人的保护作用，这类防洪墙止水效果好，重量轻，可重复使用。肖和华等［12］对位于长沙的1071 防洪墙工程进行研究，应用一款钢筋混凝土扶壁式防洪墙。

1.2 组合式金属防洪墙参数

通过以上研究分析，传统的防洪墙存在一定缺陷，发展新型防洪墙，尤其是组合式金属防洪挡板，正逐渐成为目前防洪的重要方式方法。

组合式金属防洪墙由如下部分组成［13］：组合式金属防洪挡板防洪墙由立柱、预埋件、锁定装置、水封组成，在不同工况下还会加入斜撑。

组合式金属挡板具备安装简单、结构稳定可拆卸可调节、安全可靠强度高、质量轻、运输存放方便等特点，且材料一般选择耐腐蚀的可循环利用材料，因此其循环利用率高。且该类金属挡板安装时安全度高，建设工期短，满足突发洪水的应急需求。防洪墙成型时占地面积可控，且能够在有限的工作面进行安装，符合城市水生态的刚性需求。安装成功后不会破坏原有的林木与建筑，满足多功能防洪墙的发展需求。防洪墙能与已建成的堤防相结合，在满足防水要求的情况下，能有效解决现有堤防防洪高程不足的问题，可用于提高已有防洪子堤的强度。

1.3 组合式金属防洪墙应用类型及研究现状

根据以上特点，该组合式金属防洪挡板可应用于多种场景，如河道堤岸、建筑物及堤防开口、城市街道等防洪场合。对工厂小区、地下车库及其他重要建筑也具备良好的防洪能力。

防洪挡板的主要型式有整版、横板、竖版式，按材质分主要有铝合金、钢材等［14］。国内研究人员根据实际情况，因地制宜地选择更适合当地使用的组合式金属防洪挡板。

在安徽省铜陵市［7］运用了一种可拆卸式移动防洪墙，严冬青也以金华江作为防洪实例，研究可拆卸式移动防洪墙的应用条件［15］。

在姚江、上海等城市运用的通透式玻璃防洪墙［16］，该型防洪墙是在原有的混凝土堤上，通过混凝土堤上带有的卡槽用钢柱连接在一起完成安装，而玻璃式是指使用高强度的钢化夹胶玻璃，防洪的同时能突破视觉效果、这类防洪墙安装便捷，对汛期预警时间要求较低，防洪效果好，满足防洪与城市景观的相协调要求。然而该型玻璃防洪墙不可拆卸且易破损，常用玻璃的力学性能较差，在长期使用的情况下若无专人维护，还会在玻璃上黏着污染物，影响视觉效果的同时也会影响防洪质量［2］。

活动钢闸板防洪墙［16］，由底座、钢架、挡水板、支撑件及橡胶止水条等组成［10］。成型防洪墙占地面积小，有利于防汛物资运输和人员通行，在哈尔滨中也有使用桩基活动钢板防洪墙作为防洪系统的例子［17-18］。孟祥光也提出一种新型的悬挂式钢板活动防洪堤［19］。但活动钢闸板量大，制造、安装技术要求较高，节点多，节间止水不易；需要较大的有起吊设备的仓库保管闸板，维修保养工作量大，不利于再提高标准。

快速装配式挡水墙，是一种专门用于城市的防洪墙，其由单元模板拼接而成，安装迅速、操作简单、拆装方便，且防洪效果好，而且拆卸下来的单元模板运输与储存方便，可重复利用，紧急情况下挡水板还能拆下来作为车辆通道使用，因此在城市街道、地下通道口、建筑物等低洼处具有广阔的应用前景。自此产品研制出来后，已在武汉、厦门、廊坊等城市的防洪抢险工作中得到应用。龚朝晖针对湘江东岸的情况，对铝合金装配式防洪墙进行研究，验证该型防洪墙 的 设 计 合 理 性［20］。2005 年，刘 加 海 等［21］还 提 出 装配式钢闸板组合防洪墙。伍俊等［22］研制出一种装配式的玻璃钢桐木夹层防洪墙，将多种材料结合起来，提高防洪墙的力学性能。但这种防洪墙安装时只能设置成直线排布，无法满足施工现场根据地理条件进行灵活安装的需求。

插接式防洪子堤，早年在国外提出的一种堤防加高方法，主要部件为立柱和挡板，立柱为整个系统的支撑结构，通过与预埋件建立连接，达到承受荷载的效果。这种防洪挡水墙治水效率高，且可因地制宜治水［8］。这类防洪子堤造价低廉，材料绿色环保。在没有洪水期间还可拆卸部分或全部挡板以还原河道视野，而在汛期来临时安装也较为便利，通过吊车、拖车等可迅速完成防洪墙的安装，在天津市防洪中使用该型防洪墙［23］，张德斌等［24］以合肥市为代表，研究该型防洪设施在城市防洪工程中的实践，陈鹤栋等［25］对该型防洪墙的施工工艺进行论述。但工程造价过高限制其泛用性，且对汛期预警时间有一定要求。

在研究组合式金属防洪挡板类型的同时，也有人在研究如何更高效安全可靠的使用组合式金属挡板，对组合式金属挡板的各项参数进行研究对比，以寻找更适用的挡板类型。

汪伦焰等［26］对移动防洪系统的应急安装流程进行分析研究。丁泽霖等应用响应面法及改进的遗传算法［27-28］对移动式防洪挡板进行一个优化分析，也提出一种基于城市地下空间进出的新型移动防洪墙［29］。王忠权［30］、吴军君［31］、倪立建等［32］研究移动式防洪墙防水性能，对其挡水变形情况进行讨论。郭磊等［33］以IBS 移动式防洪墙为例，对移动式防洪墙的力学性能及渗漏特性进行研究。扎西卓玛［34］对IBS 移动式防洪墙的关键技术进行仿真优化。姚明星等［35］研究移动式防洪墙主要构件的承载力计算方式。陈梁擎等［36］对防洪挡板的抗冲击能力进行研究，从理论分析入手，通过仿真的方式对挡板的物理冲击情况进行分析。李建习等［37］针对防洪挡板多用于盐水环境的使用现状，对常用的防洪挡板材料进行耐腐蚀性能研究。雷冬等［38］针对不同挡水高度的铝合金移动式防洪墙进行整体力学性能的分析。

国外也有一批研究人员对组合式防洪系统使用条件及如何更高效地使用该型防洪系统进行研究。Ivan Mašín［39］讨论在防洪系统中实现动态化增强系统参数的方法，并给予专利示例。Velychko 等［40］对如何确定在强烈山洪条件下城市地区防洪的最佳移动结构进行综述。Liem 等［41］为避免传播的洪水波对人类的危害，需对墙构件尺寸进行设置，通过分析传播波内的作用力与水位的数据，得出防洪挡板所需面积。Koppe 等［42］给出移动防洪系统的应用 系 统 化的 机 会 和 缺 点。Krueger Marc 等［43］对 移 动防洪系统进行比较与检验。István［44］针对匈牙利的洪水情况，提出移动式防洪墙的防洪方案，并对其研究，以确定其可实现与可持续。Malerova 等［45］针对摩尔多瓦的洪水问题，探讨在该地区使用移动防洪墙的可能性。

1.4 组合式金属防洪挡板设计基本理论及施工要求

组合式金属挡板的工作原理［26］：在有洪水灾害的地段预先建成带有预埋件的基座，洪水到来时，在预埋件上安装好立柱，再在立柱之间安装好金属防洪挡板及止水材料，洪水到来时水进入中空的挡板，增加防洪挡板的自重，并通过立柱下压杠杆来迫紧装置产生下压力，利用下压力压紧防洪挡板，同时洪水对防洪挡板的横向侧压冲击力，使防洪挡板的防水材料之间及底部防洪挡板与地面之间压紧，防洪挡板的表面与固定边柱、中立柱相互压紧，从而起到密封防水的效果［31］。

组合式金属防洪挡板的安装施工要求快速完成安装并在安装现场留有适当的安装通道。在安装施工前应对要安装产品进行质量检查，确保表面没有破损及裂纹等缺陷。防洪挡板安装之前应对安装现场及预埋件保护螺栓等进行清理。安装结束应对现场进行逐项检查，确保紧固与密封情况良好。根据防洪需求，组合式金属防洪挡板宜用作防洪加高应急抢险，洪水过后按顺序拆卸挡板与立柱并回收、清理，挡板应干燥，存放于仓库中，以备再次使用。

2 国内组合式防洪墙使用状况

2.1 国内组合式防洪墙使用地点

近年来，我国浙江、山东、安徽等省也将防洪挡板作为一项新技术逐渐应用在防洪工程中。目前各地已安装的水利防洪工程防洪挡板基本用于江河堤防、局部交通闸口等工程或场所，防洪挡板技术在我国也逐步开始运用。2002 年哈尔滨市主城区安装钢质防洪挡板，是国内最早应用防洪挡板的城市。由于钢质防洪挡板较重，现发展为铝合金材质，便于施工安装。水利工程中北江大堤西南水闸、广州中心城区珠江两岸堤防防洪提升工程已安装防洪挡板，清远潖江蓄滞洪区建设与管理工程防洪挡板设计方案已批复，准备实施。各地已安装的水利防洪工程防洪挡板多数安装于非顶冲堤段堤顶，已运行时间最长仅数年，大多未挡过水，少量挡过水的挡水高度也较小；用于日常交通的堤防旱闸闸口挡水较普遍，暂未出现严重渗漏现象和安全问题。

还有如下地区也使用的组合式金属挡板，如图1，武汉市汉江流通巷段防洪挡板218 m×2 m，于2016年10 月建成；如图2，长江月亮湾堤段防洪挡板848 m×2.3 m，于2019 年7 月 建成。上述两段防洪挡板作用是防浪，迄今未出现过挡水或挡浪工况。

图1 武汉市汉江流通巷段防洪挡板［46］

图2 长江月亮湾段防洪挡板

北江大堤西南水闸北江侧防洪挡板70m×2m；西南涌侧防洪挡板71 m×2 m，于2017 年3 月 建成，如图3，用作检修围堰临时挡水。2016 年 12月15 日至2017年3 月15 日，闸后西南涌侧防洪挡板挡水约3 个月，最高挡水1.8 m，有渗漏，但不严重。

图3 西南水闸西南涌侧防洪挡板

2.2 国内组合式防洪墙使用问题

尽管组合式金属防洪挡板存在大量优势，但要在防洪工程中投入大规模使用则仍需对以下问题进行进一步探讨：

2.2.1 生产防洪挡板的厂家良莠不齐

有的厂家有理论研究、科学试验、设计制造、施工安装及运维的一整套较完备的产业体系，产品较保守；有的厂家规模小，缺乏专业的人才队伍和理论支撑，产品相对单薄。该型产品的生产厂家尚未发展出成熟的产业链。在此基础上，防洪挡板单价差别也大，在广东、湖北、湖南等地都有厂家生产，相同挡水高度或相似的运用工况，其用材和价格均相差较大。

2.2.2 在使用防洪挡板时缺乏规范，设计和审批依据不足

目前与防洪挡板有关的规范仅有中国水利学会发布的团体标准《组合式金属防洪挡板技术规范》［13］，其他可依据和参考的规范主要是金属原材料规范和水工闸门规范等。目前设计制造主要靠实践经验或引进国外技术，或参照金属结构有关规范自主研发，部分厂家还与高校合作进行理论研究和产品质量检测测试等。由于设计制造缺乏规范性指导，产品差异性较大，部分厂家的质量难以保证。相对于传统堤防，防洪挡板应用实例偏少，由于事关人民生命财产安全，审批单位对防洪挡板的应用比较慎重，批准的多用于堤防防浪、临时工程及闸口。

2.2.3 防洪挡板安装使用缺乏经验

防洪挡板平时放入仓库，洪水来临时需快速安装，安装需一定时间、人员和专门工具。对于洪水水位变幅大或水位暴涨暴落的山区河流，对洪水汛期预警、安装指挥决策、应急动员、安装速度等有很大压力。根据技术规范要求［13］，防洪挡板设计应考虑漂浮物撞击。根据不同水域的使用，防洪挡板受到漂浮物撞击也不同，因此对防洪挡板的使用选择仍有研究空间。而且目前对防洪挡板长期承受洪水水压、超标准洪水漫顶、涨水及退水过程的理论和实践尚无深入的研究和总结，还不清楚防洪挡板的破坏机理、垮塌形式，不当使用还存在垮塌风险。

3 结论与展望

本文整理了国内外组合式金属挡板的使用及研究现状，许多业界人士依结构、材料的不同提出多种移动式防洪墙，结合多个移动式防洪墙特点，分析得出如下结论：组合式金属防洪墙相比传统防洪墙而言，具备安装简单安全、结构稳定、可拆卸可调节、挡水性能好、强度高、质量轻、运输存放方便、循环利用率高等优点。且具备建设工期短，满足突发洪水的应急需求，成型后占地面积可控，能够在有限工作面上安装，符合城市水生态的刚性需求。安装成功后不会破坏原有林木与建筑，不影响旅游业的发展，满足多功能防洪墙的发展需求。防洪墙能与已建成的堤防相结合，在满足防水要求的情况下，能有效解决现有堤防防洪高程不足的问题，可用于提高已有防洪子堤的防洪强度。但移动式防洪墙的使用目前仍有许多问题可继续研究，因此，根据当地水文状况，研究并选择适合的移动式防洪系统变得尤为重要。

基于以上研究，对未来的研究进行展望：

（1）由于移动防洪墙的安装需要专业人士指导，在移动防洪墙使用过程中，对汛期预警要求较高，因此研发出一套适用于大多数水文情况的应急型移动防洪墙，可使工作人员在缺乏专业人员指导下也能完成应急安装。

（2）由于各地水文情况不同，移动式防洪墙对由不同漂浮物的撞击导致的破坏机理及坍塌形式尚有研究空间。

（3）对组合式防洪挡板的涨潮、退潮的研究尚不充分，其组合式挡板模式对洪水的退潮冲击研究尚不充分，需对这种冲击类型进行进一步研究。