龔西城 張昊 李琳琪 鄭和濤 蘇乃華 王勤修 左俊超

摘?要：河勢控制與灘區(qū)治理示范研究課題實(shí)施狀況，直接影響國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”項(xiàng)目成果推廣使用前景。在闡述課題研究目標(biāo)、執(zhí)行情況及示范河段概況基礎(chǔ)上，分別介紹了“鋼結(jié)構(gòu)異型板樁壩河勢控導(dǎo)”“上挑變流壩促淤”“鋼管輪胎透水樁壩束流輸沙”“Z型鋼板樁護(hù)灘”“鋼管排樁壩護(hù)岸”“鋼管輪胎透水樁整合壩送溜”“鋼管透水樁緩沖限流”等示范工程形式。這些工程的實(shí)施，不僅實(shí)現(xiàn)了河勢控導(dǎo)、變流促淤、束流輸沙、護(hù)灘防塌、護(hù)岸防沖、整合送溜、緩沖限流等預(yù)期目的，滿足當(dāng)?shù)厝罕娦枰?，而且增加了示范工程種類，擴(kuò)大了示范作用，達(dá)到了更好的示范效果。尤其是不占原有農(nóng)田，有效保護(hù)了耕地，河內(nèi)進(jìn)占便宜且不需要搶險(xiǎn)維護(hù)，在下游能夠直接淤出廣闊嫩灘，有利于生態(tài)修復(fù)，可直接和間接產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)效益。

關(guān)鍵詞：河勢控導(dǎo);灘區(qū)治理;示范工程;鋼結(jié)構(gòu)異形板樁壩;鋼管透水樁壩;黃河下游

中圖分類號(hào)：TV91;TV882.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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來，黃河治理開發(fā)保護(hù)與管理成效顯著[1]，在減輕洪水災(zāi)害、防治水土流失、綜合開發(fā)利用水資源等方面取得了巨大成就[2]。不過，鑒于問題的復(fù)雜性，黃河下游河道與灘區(qū)治理依然面臨不少問題[3]：防洪形勢仍較為嚴(yán)峻，尤其是下游灘區(qū)防洪問題相對(duì)突出，水資源供需矛盾更加尖銳，水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)惡化。隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、黃河水沙情勢[4]和工程修建狀況的不斷變化，傳統(tǒng)的河道與灘區(qū)治理對(duì)策已不適應(yīng)新形勢的要求。為建設(shè)完善的黃河下游防洪工程體系，確保黃淮海平原的安全，維持黃河健康生命[2]，促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，迫切需要一批高層次大學(xué)與科研、設(shè)計(jì)、施工單位聯(lián)合開展國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”（簡稱“本項(xiàng)目”）[5]。其下設(shè)的課題七“黃河下游河勢控制與灘區(qū)治理示范研究” [5]（簡稱“本課題”），由山東菏澤黃河工程有限公司承擔(dān)，需要針對(duì)本項(xiàng)目研發(fā)的灘槽治理方案進(jìn)行示范研究。需要強(qiáng)調(diào)的是，本課題的最大亮點(diǎn)就是突出示范工程的地位，其實(shí)施狀況直接影響到本項(xiàng)目研發(fā)成果能否廣泛推廣使用[6]。本文在論述示范研究目標(biāo)、研究路線等基礎(chǔ)上，簡述主要示范工程的形式和實(shí)施情況。

1?課題概況

1.1?課題的執(zhí)行情況

本課題系針對(duì)本項(xiàng)目研發(fā)的黃河下游灘槽治理方案進(jìn)行的示范應(yīng)用研究。因此，課題成果主要以示范工程形式體現(xiàn)[5]，獲得中央財(cái)政專項(xiàng)資助的經(jīng)費(fèi)比本項(xiàng)目前兩個(gè)課題經(jīng)費(fèi)之和還多出29萬元。

在本項(xiàng)目申報(bào)材料準(zhǔn)備期間，十分重視對(duì)示范工程位置的選擇。山東菏澤黃河河務(wù)局向清華大學(xué)發(fā)函表示積極支持申報(bào)本項(xiàng)目[5-6]：“贊同將該項(xiàng)目示范區(qū)選在我局所管理的菏澤市東明黃河河段，重點(diǎn)為河勢控制與灘區(qū)治理相結(jié)合且‘二級(jí)懸河典型的老君堂河段（屬于黃河下游調(diào)水調(diào)沙前平灘流量最小的河段，‘十三五期間國家已安排修建老君堂下延工程500 m，目前貴校建有可配合示范的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?。我局?jǐn)M作為該課題的參加單位，積極參與該課題的管理與研究，并推薦菏澤黃河工程局為申報(bào)項(xiàng)目中‘黃河下游河勢控制與灘區(qū)治理示范研究課題的主持單位，負(fù)責(zé)該課題的實(shí)施與研究。該局具有水利水電工程施工總承包壹級(jí)資質(zhì)，長期參與黃河工程施工及相關(guān)研究，積累了大量豐富的黃河地質(zhì)地貌及河道地形資料，形成了一支實(shí)力雄厚的技術(shù)隊(duì)伍，取得了一系列成果，這些成果均已應(yīng)用于實(shí)踐，形成了良好的技術(shù)儲(chǔ)備，可作為該項(xiàng)目的工作基礎(chǔ)和支持條件?！?項(xiàng)目申報(bào)成功后，山東黃河河務(wù)局與山東菏澤黃河河務(wù)局大力支持本課題工作，參加課題的人員與相關(guān)部門都發(fā)揮了重要作用，和項(xiàng)目、課題負(fù)責(zé)人共同完成了“示范項(xiàng)目空間布局與管理”專題任務(wù)，使示范工程順利落實(shí)[6-7]。

創(chuàng)新示范研究的運(yùn)行管理機(jī)制，無疑是本課題能強(qiáng)力推動(dòng)的必要條件。菏澤黃河河務(wù)局屬于參照公務(wù)員管理的機(jī)關(guān)事業(yè)單位，又是本課題承擔(dān)單位的直接主管部門，對(duì)各種經(jīng)費(fèi)管理非常嚴(yán)格。示范方案已進(jìn)行創(chuàng)新性提升，為保證示范工程順利實(shí)施與研究工作的完整性，減少協(xié)調(diào)工作量，有利于課題資金高效利用，根據(jù)財(cái)政部、科技部印發(fā)的《國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資金管理辦法》第三十六條第（二）項(xiàng)要求，在預(yù)算總額不變的前提下，課題負(fù)責(zé)人對(duì)原預(yù)算統(tǒng)一調(diào)配使用，該局支持課題組對(duì)經(jīng)費(fèi)整體調(diào)配使用，為確保項(xiàng)目順利實(shí)施創(chuàng)造了條件。

此外，經(jīng)項(xiàng)目組與課題組聯(lián)合考察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前材料購置、鋼結(jié)構(gòu)加工與防腐、現(xiàn)場施工等價(jià)格比2016年價(jià)格上漲很多，示范內(nèi)容及工程量難以完成。為此，除通過盡量購置二手鋼材等途徑外，施工單位承諾：“在項(xiàng)目負(fù)責(zé)人堅(jiān)持現(xiàn)場指揮條件下，克服一切困難，超額完成全部示范任務(wù)?！弊詈笥汕迦A大學(xué)河南校友會(huì)推薦的熱衷于公益事業(yè)的河南省蒲新防腐建設(shè)工程公司承擔(dān)了示范工程的加工與施工任務(wù)。

1.2?課題研究目標(biāo)

盡管近年來黃河下游來水來沙均較少[3，8]，但黃河仍是多沙河流，在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，黃河下游河勢多變、灘地坍塌頻繁和輸沙效率低等問題依然嚴(yán)重。為此，按照科技部任務(wù)書要求，本課題目標(biāo)基本是[5]：增設(shè)行洪輸沙共適應(yīng)的控導(dǎo)工程和不搶險(xiǎn)且不影響行洪寬度的束流輸沙工程，開展工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工，結(jié)合“避水閣”底層能過流防沖要求進(jìn)行修建，分析工程實(shí)施效果。

1.3?課題研究內(nèi)容及研究路線

根據(jù)本項(xiàng)目申報(bào)書中的頂層設(shè)計(jì)，本課題研究內(nèi)容基本是[6]：結(jié)合“十三五”擬建的東明某下延工程，開展輸沙能力提升工程、河勢穩(wěn)定控制與行洪共適應(yīng)的工程、精準(zhǔn)高效的定點(diǎn)輸沙淤灘工程、避險(xiǎn)避水閣等示范工程建設(shè);工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)加以優(yōu)化后進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施，由水文部門提供水力泥沙因子與河床沖淤變形觀測資料，分析修建工程后的變化，客觀評(píng)價(jià)示范工程實(shí)施效果與灘槽綜合提升治理的效益。

本課題研究路線主要是通過河工動(dòng)床模型試驗(yàn)和基本理論計(jì)算，將清華大學(xué)在流路制約與送導(dǎo)及束流輸沙工程形式等方面的關(guān)鍵技術(shù)成果，應(yīng)用到黃河下游灘槽綜合提升治理工程之中，按技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化后的施工方案施工，解決示范技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑問題。竣工驗(yàn)收后開展必要的觀測與分析，參照預(yù)期目標(biāo)評(píng)定示范效果，從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)三方面分析效益大小，完成技術(shù)評(píng)估。對(duì)于泥沙高效處置工程示范研究，需要通過張紅武理論計(jì)算，解決如何提高粗顆粒泥沙管道輸送效率等難題，并通過管道現(xiàn)場調(diào)試，將高濃度固液兩相流輸送到指定淤區(qū)，構(gòu)建完整的有壓輸沙系統(tǒng)，解決粗顆粒泥沙管道高效輸送的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2?示范工程所在河段狀況

2.1?東明河段與灘區(qū)治理狀況

東明河段處在黃河下游堤防最薄弱的“豆腐腰”河段，1933年洪水在該河段多處決口。1969年通過修建王高寨、辛店集等護(hù)灘控導(dǎo)工程，使河勢得到一定控制。但上下游、左右岸的工程不配套，且單個(gè)工程長度不足，河勢仍得不到完全控制，在油房寨以下主流從左側(cè)擺至右側(cè)，威脅堤防安全，且本項(xiàng)目所選示范河段歷史上主流在西側(cè)，后來大幅度演變至現(xiàn)狀的東側(cè)，造成大河從原來具有廣闊灘地農(nóng)田的鄉(xiāng)村中穿越。在此狀況下，王高寨、辛店集兩工程才得以修建，靠溜后主流又被工程挑流到左岸周營工程以上岸灘，造成灘地嚴(yán)重坍塌。該時(shí)期主流擺幅很大，灘區(qū)居民生產(chǎn)生活都受到嚴(yán)重影響。1974年修建了大留寺、周營上延和老君堂護(hù)灘治理工程，河勢方得以約束限制，只是局部河勢變化仍較大，但從重要節(jié)點(diǎn)而言，東明河段工程布點(diǎn)基本完成[6]。

東明縣是黃河下游灘區(qū)面積最大、居住人口最多的縣。1958年非汛期以來群眾在灘區(qū)大量修筑生產(chǎn)堤，限制了灘槽水沙的自然交換[3]，泥沙主要淤在生產(chǎn)堤內(nèi)的主槽和嫩灘上[9-10]，逐漸使之成為“二級(jí)懸河”最為嚴(yán)重的河段[11-12]。該灘區(qū)從灘唇向堤根普遍存在遠(yuǎn)大于河道縱比降的橫比降[9]，大洪水一旦漫灘就會(huì)出現(xiàn)主流頂沖堤防、順堤行洪的危險(xiǎn)[10]，甚至出現(xiàn)“滾河”之險(xiǎn)[7]。

20世紀(jì)七八十年代，黃河下游寬河段平灘流量一般為6 000 m3/s;90年代初，張紅武采用輸沙能力法計(jì)算出東明河段（以夾河灘、高村水文站資料為基礎(chǔ)）同平灘流量接近的造床流量為3 000 m3/s[13]，引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注。小浪底水庫修建后下游水沙條件大變，按輸沙能力法計(jì)算出東明河段造床流量為4 000 m3/s，河床持續(xù)沖刷導(dǎo)致平灘流量增加到6 000 m3/s左右[10]，但考慮到小浪底水庫的調(diào)度運(yùn)行與水資源的供需矛盾，黃河下游不可能經(jīng)常出現(xiàn)5 000～6 000 m3/s的流量過程，因此游蕩型河段不能按平灘流量確定整治流量，而只能按照視水沙過程而變的輸沙能力法所計(jì)算的造床流量作為整治流量，即4 000 m3/s。結(jié)合辛店集控導(dǎo)工程下延灘地高程（約為65.8 m），可確定異形板樁組合順壩的設(shè)計(jì)水位為66.3 m（采用2020年水平4 000 m3/s流量相應(yīng)水位），施工水位約為64 m，壩頂高程為66.8 m。為滿足洪水漫灘滯洪沉沙要求，確定的異形板樁組合順壩的壩頂高程不宜高出灘面較多，故在異形板樁頂上平鋪設(shè)置外徑為426 mm的臥管，每節(jié)長4 m，兩端有直徑55.5 cm的法蘭盤，使洪水能夠通過法蘭盤架空形成的縫口溢流漫灘，在小浪底水庫正常運(yùn)用期河床淤積較多后水位表現(xiàn)較高時(shí)，可將此口封上，體現(xiàn)出工程可調(diào)控的特點(diǎn)。從高村與艾山水文站進(jìn)行的原型觀測發(fā)現(xiàn)，在示范工程建設(shè)期，右岸灘地坍塌不止的局面已得到遏制，使相當(dāng)長范圍內(nèi)的農(nóng)田得到保護(hù)。

2.2?示范河段的地貌地質(zhì)條件

示范河段的地貌類型為黃河沖積扇平原，河床縱比降約為0.018%，河道具有游蕩型特征[14-15]。在大地構(gòu)造上處于華北斷塊區(qū)內(nèi)的冀中、冀魯微板塊，次一級(jí)的隆起和坳陷從西向東為濟(jì)源坳陷、武陜隆起、開封坳陷、內(nèi)黃隆起、東濮坳陷、臨清坳陷、魯西隆起、濟(jì)陽坳陷等，斷塊差異升降運(yùn)動(dòng)是區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要形式[1]。

該區(qū)的地下水類型主要為松散巖類孔隙水[11]，其補(bǔ)給源主要為河水及大氣降水。黃河下游為懸河，河水常年補(bǔ)給兩岸地下水，地下水位隨著河水位升降而升降，地下水位坡降為0.010%～0.036%，排泄方式主要為向下游徑流和蒸發(fā)，在堤河附近常形成積水，低洼地存在沼澤化、鹽漬化現(xiàn)象。地下水的化學(xué)類型一般為重碳酸鈣鎂型水，礦化度為 0.18～0.30 g/L。地下水埋深一般臨河3～5 m、背河4～10 m。

根據(jù)水質(zhì)分析，河水對(duì)混凝土一般無腐蝕性，對(duì)鋼材有弱腐蝕性。

3?主要示范工程研究與實(shí)施

3.1?示范項(xiàng)目及調(diào)整

本項(xiàng)目最主要的研究目標(biāo)和重要考核內(nèi)容都是實(shí)施河勢控制與灘區(qū)治理示范工程，還有一個(gè)目標(biāo)和考核內(nèi)容是長距離精準(zhǔn)高效的管道放淤技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步顯示出示范課題在項(xiàng)目中的重要地位[5]。

鑒于老君堂控導(dǎo)下延的5道丁壩與示范工程未能實(shí)施，且“十四五”期間老君堂控導(dǎo)擬再下延3道丁壩，又因小浪底水庫修建20多a后黃河防洪調(diào)度運(yùn)行已不再讓洪水漫灘[7]，不能再通過“人工調(diào)控過流規(guī)模進(jìn)行格堤示范”（該格堤實(shí)際是大堤到老君堂工程的道路，1999年加固修建），故項(xiàng)目組將河勢控導(dǎo)示范工程調(diào)整到辛店集下延工程下游[6-7]。由于對(duì)岸灘地也屬于東明縣，因此減少了束流輸沙及護(hù)灘示范工程實(shí)施的協(xié)調(diào)工作量。

2021年2月9日主要示范工程修建后，即使不計(jì)管道輸沙工程，其工程長度也已超過要求。因春節(jié)前修建的鋼管輪胎透水樁壩束流輸沙示范工程（2×108 m）、Z型鋼板樁護(hù)灘示范工程（185 m）等布局新穎，不占原有農(nóng)田，保護(hù)了耕地，河內(nèi)進(jìn)占便易，且在壩后直接“造”出新地，故兩岸群眾強(qiáng)烈請(qǐng)求增建上百米護(hù)灘控導(dǎo)工程，甚至有村民請(qǐng)求將下延示范工程再多建幾十米，并通過送溜角度向左微調(diào)，以使下游幾千米右岸長興集近岸灘地沖刷后退現(xiàn)象得到抑制。2月20日項(xiàng)目負(fù)責(zé)人發(fā)現(xiàn)前一天所修土臺(tái)岸線已沖刷后退5 m以上，當(dāng)?shù)厝罕娭鲃?dòng)提供兩只13 m長鐵船等設(shè)備免費(fèi)供施工使用，當(dāng)即決定增建80 m鋼結(jié)構(gòu)異型板樁壩河勢控導(dǎo)示范工程（共189 m）、48 m上挑變流壩促淤示范工程（共116 m）、77 m鋼管輪胎透水樁整合壩送溜示范工程（新建）、40 m鋼管透水樁緩沖限流示范工程（新建）。這樣不僅滿足了群眾需要，而且增加了示范工程種類，可達(dá)到更好的示范效果。實(shí)施的主要示范工程相對(duì)位置見圖1。

2017年，本課題結(jié)合灘區(qū)淤筑村臺(tái)，運(yùn)用張紅武水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)理論確定造漿系統(tǒng)和管道系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)后，構(gòu)建高濃度長距離兩相流輸送通道，抽取床沙降低河床高程，用自吸泵抽入主管道內(nèi)輸送至吹填區(qū)[7]，實(shí)施了多技術(shù)高效泥沙處置示范研究。鋼管直徑為300 mm時(shí)，計(jì)算要求輸沙濃度一般不低于25%，最高不大于50%，實(shí)際運(yùn)行多為35%～40%。以此作為東明灘區(qū)高效輸沙淤筑村臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)，抽沙總量達(dá)到2 100萬m3，從而為利用黃河泥沙資源提供了可靠技術(shù)。

3.2?鋼結(jié)構(gòu)異形板樁壩河勢控導(dǎo)示范研究

按照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)修建丁壩需大量塊石，還要占用耕地，預(yù)算居高不下且裕度較大，故將河勢控導(dǎo)示范工程結(jié)構(gòu)材料改為鋼材，變?yōu)椤颁摻Y(jié)構(gòu)異形板樁壩示范工程”[6]。該板樁構(gòu)件上部以長度10.5 m、直徑325 mm（小部分鋼管直徑377 mm）的鋼管為中心，由寬翼緣H型鋼對(duì)稱焊接預(yù)制而成“鋼結(jié)構(gòu)異形板樁”。將兩根寬翼緣型HW300×300的H型鋼切成斜尖狀，對(duì)稱焊接在鋼管樁兩側(cè)，加工成寬度為137～150 cm的異形板樁，除銹防腐處理而成上部板樁;下部采用長度8 m、直徑325 mm的環(huán)氧煤瀝青防腐鋼管作為底樁，進(jìn)口段其底樁長度超過10 m。

在相鄰兩異形板樁構(gòu)件打樁到位后，中間需用不同寬度的6 m長鋼板或不同直徑的鍍鋅管，把迎、背水面水上部分自下而上滿焊牢固。鐵船不僅成為臨水面施工處理的工作臺(tái)，而且為改善施工環(huán)境，巧妙運(yùn)用船體產(chǎn)生的人工環(huán)流[16]使水沖河岸狀況大為緩解，再加上質(zhì)量很大的“鋼結(jié)構(gòu)異形板樁”構(gòu)件一旦打入河床，其背后與下游的流態(tài)得到改善，使示范工程在水中進(jìn)占時(shí)比較順利。水中施工大大節(jié)省了工程費(fèi)用，還適應(yīng)于應(yīng)急搶險(xiǎn)。

雖然在25 m深度內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)河流沖積層，但異形板樁打入時(shí)，經(jīng)常在10 m以下遇到以前抽沙以及其他活動(dòng)遺留的管道、船體等堅(jiān)固物體，不僅明顯增加了施工難度，而且局部工程位置也難以“整齊劃一”，不得不在現(xiàn)場不斷調(diào)整“施工設(shè)計(jì)”和打樁方案。

板樁構(gòu)件陸續(xù)沉樁、對(duì)其中空間灌水泥砂漿且頂部采用無收縮灌漿料后，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)灘面（高程約為65.8 m）高0.5 m。為增強(qiáng)工程整體性，同時(shí)增加高度，在組合板樁頂上水平固定外徑為426 mm的臥管，每節(jié)長4 m，兩端有直徑為55.5 cm的法蘭盤。目前可利用法蘭盤架空而形成的高6.45 cm的縫口溢流漫灘，以后需要時(shí)將此口封上，即建成壩頂高程約為66.8 m的河勢控導(dǎo)示范工程。

設(shè)計(jì)時(shí)確定的施工水位約為64 m，但施工期流量與水位變幅較大，如果采用傳統(tǒng)的施工技術(shù)，投資將會(huì)大增。例如：“十三五”國家安排修建老君堂下延5道壩的投資為1 130.91萬元，因2017年河勢靠溜狀態(tài)較好，故采取分期實(shí)施方案，建成前3道丁壩及相應(yīng)連壩無足夠經(jīng)費(fèi)，到2018年3月“河勢得到明顯改善，河底高程基本穩(wěn)定，滿足施工條件”，上級(jí)于2018年9月20日以魯黃規(guī)計(jì)【2018】32號(hào)批復(fù)“同意實(shí)施剩余33、34號(hào)壩及相應(yīng)連壩”，又批復(fù)“經(jīng)審核，老君堂控導(dǎo)下延工程設(shè)計(jì)變更共需增加投資1 415.56萬元，從黃河下游防洪工程（山東段）概算投資中統(tǒng)籌解決”，表明采用傳統(tǒng)技術(shù)修建，在水流條件發(fā)生較大變化后，投資可能會(huì)翻一番。

3.3?上挑變流壩促淤示范工程

清華大學(xué)研發(fā)的上挑120°淹沒式變流壩具有小水流量不影響壩頭穩(wěn)定、大中水因漫頂而使近岸淤積嚴(yán)重的規(guī)律，促淤效果良好。課題組利用實(shí)施異形板樁控導(dǎo)工程及其他形式的示范工程之機(jī)，修建了本項(xiàng)目課題4研發(fā)的變流壩，開展促淤效果示范試驗(yàn)。在示范工程施工受到其他因素影響而后延較多的狀況下，為發(fā)揮更好的促淤效果，將變流壩間隔7.5 m縮短至4.5 m，變流壩頂部比板樁工程頂?shù)?.5 m，在輸沙效率較低的中小流量下，壩頂隱藏在水面以下，以便在高效輸沙流量級(jí)時(shí)不對(duì)流速較大的中上部水流產(chǎn)生干擾，將更多的水流能量用到輸沙過程之中。

變流壩采用鋼材作為支撐，迎水面上部固定廢舊傳送帶制成上挑淹沒式變流壩。實(shí)施不久流量很快增大到2 000 m3/s左右，漫頂水深一般為0.3～0.5 m，壩前自然出現(xiàn)平軸環(huán)流，表流流向河中，含沙較多的底流受到變流壩阻撓而按相反的方向?qū)⒛嗌硯蚪堵溆賉17]。施工期泥沙淤積效果已好于預(yù)期，如果到了汛期，含沙量和漫頂水深增大，促淤效果會(huì)更好，工程穩(wěn)定性也有保證。因此，將變流壩形狀優(yōu)化為便于打樁的倒三角形，基礎(chǔ)深度減少一半，在變流壩近岸泥沙淤積處不設(shè)立柱，而是與板樁壩焊接一體，且固定廢舊傳送帶的范圍也有所減?。ㄒ妶D2），明顯減小了施工難度，減少了工程投資。

將上挑變流壩與鋼結(jié)構(gòu)異形板樁壩結(jié)合一體，可使板樁壩前長期淤積而改變基礎(chǔ)埋置與空間結(jié)構(gòu)狀況，明顯增加組合壩整體穩(wěn)定性[6]，故在示范成果推廣階段將上部板樁長度減少2～4 m，減少了鋼材用量，減輕了打樁難度，縮短了施工工期，為減少工程投資提供了更大空間。

3.4?“鋼管輪胎透水樁束流輸沙工程”示范研究

為兼顧中水整治流量時(shí)能夠束流輸沙，在大洪水期所布置的工程又不至于影響過洪寬度，需在鋼結(jié)構(gòu)異形板樁壩河勢控導(dǎo)示范工程的河對(duì)岸下游過渡段，設(shè)置透水樁束流輸沙示范工程。黃河上運(yùn)用的鋼筋混凝土透水樁壩又稱管樁透水壩，存在造價(jià)高、施工困難、易斷樁等問題[18]，為減少投資并提高施工可靠性，項(xiàng)目組選擇抗彎剛度大的鋼管作為透水樁材料， 并在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展沖刷計(jì)算。一般透水樁附近沖刷計(jì)算參照《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2002）中推薦的非黏性土河床的局部沖刷公式[13]，當(dāng)V≤V0時(shí)公式為

式中：hb為透水樁局部沖刷深度，m;kξ為墩形系數(shù)，kξ=k′ξkmφ，取k′ξ=1.0，kmφ=1+5[（m-1）φBm]2，Bm為樁群垂直水流方向的分布寬度，m為樁的排數(shù)，φ為樁群計(jì)算寬度;kη2為河床顆粒影響系數(shù);b為鋼管樁計(jì)算寬度，取0.3 m;d-為河床泥沙顆粒直徑平均值，取0.05 mm;hp為一般沖刷水深，m;V為行近流速，一般為沖刷后垂線平均流速，因水流方向與樁體存在角度，故行近流速值取3×sin 30°;V0為河床泥沙起動(dòng)流速，m/s，按張瑞瑾公式計(jì)算[16];V0′為床面泥沙始沖流速，m/s;n2為指數(shù)。

由式（1）～式（5）計(jì)算得到一般沖刷深度為3～4 m時(shí)，鋼管樁最大沖刷水深為5～7 m。

從現(xiàn)有規(guī)范上講，樁前總沖刷水深由河床一般沖刷深度和樁的局部沖刷深度相加而得，而實(shí)際兩者并不是相互獨(dú)立的，故有學(xué)者由總水深給出沖刷公式。例如，張紅武根據(jù)樁旁側(cè)水流集中情況，引進(jìn)臨界穩(wěn)定流速，導(dǎo)出如下適用于床沙中徑D50<0.15 mm的總沖刷水深公式[13]：

式中：hm為總水深;kξ為樁型系數(shù)，圓管樁kξ=1;v0為行近流速;h0為相應(yīng)水深;γs、γ分別為泥沙、水的容重;Sv為體積含沙量;ν為水流運(yùn)動(dòng)黏滯性系數(shù);g為重力加速度。

由式（6）能考慮透水樁對(duì)應(yīng)的水力泥沙因子計(jì)算不同部位透水樁的沖刷深度。管樁設(shè)計(jì)流量下最大沖刷水深一般為6 m。相關(guān)設(shè)計(jì)常采用式（6）計(jì)算，但因這類適用于橋墩局部沖刷計(jì)算的公式不考慮橋墩間距影響，就無法考慮透水率的影響，故對(duì)于典型的透水樁的沖刷計(jì)算并不適用。為此，張紅武等[17]根據(jù)模型試驗(yàn)給出透水樁局部沖刷公式（式中l(wèi)為樁距）：

由式（7）看出，透水樁局部沖刷深度跟樁徑b、行近流速V0及相應(yīng)水深h0成正相關(guān)，跟透水率（l-bl）-0.5及起動(dòng)流速Vc成負(fù)相關(guān)（起動(dòng)流速按張紅武公式[19]計(jì)算），其計(jì)算結(jié)果也頗為符合實(shí)際。

采用式（7）及清華大學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果加以分析比較，認(rèn)為鋼管樁比鋼筋混凝土樁在節(jié)省工程投資、便于打樁施工等方面有明顯優(yōu)勢，故使用直徑為210～270 mm的鍍鋅管或防腐鋼管作為樁體，樁間距1.1 m（為減少掛草過多影響[20]，尾段86號(hào)樁以下樁間距增大到1.2 m），兩排鋼管樁中心線距離1 m，樁相互錯(cuò)開，除上游4根鋼管樁樁長為15 m外，77%的鋼管樁長度為14 m，從左排第6根始，往下游相間布置的鋼管長度減為12 m。打樁到位后樁頂高于河床2.17 m，為提高穩(wěn)定性，管中灌注水泥砂漿。在床面開挖0.8 m后每根樁套上一個(gè)直徑0.6 m的廢舊輪胎起抗沖作用，再采用8 cm×4 cm鍍鋅方管將鋼管樁相夾焊接，在右排迎水面趁機(jī)夾住由廢舊傳送帶制成的緩沖彈片。通過鍍鋅方管互相焊接，使透水樁在河床以下能夠整體連接，同時(shí)便于托撐套在鋼管樁上的5個(gè)輪胎。清華大學(xué)研究表明，輪胎重度略大于1，不易陷入泥內(nèi)，又因樁前后沖刷深度有差異，加上水流作用下輪胎內(nèi)邊距樁遠(yuǎn)近一般是迎水側(cè)近、背水側(cè)遠(yuǎn)，在沖刷坑發(fā)展過程中不至于平行下沉很多而具有限沖作用。

在雙排樁的頂部固定直徑325 mm嶄新防銹鋼管作為臥管（每節(jié)4 m長，兩端有法蘭盤）。兩排臥管北端利用彎頭相連接并充填混凝土漿后，南端利用臥管法蘭盤加固成示范工程標(biāo)志牌支架，并在其他法蘭盤處都用鋼材與另一排相近的法蘭盤相連，進(jìn)一步加強(qiáng)透水樁之間的整體性，避免像鋼筋混凝土透水樁壩那樣，在中水流量下即因沖刷而倒入河中[20]。

安裝臥管時(shí)需將樁旁河床墊高，完工后又沒有將河床完全恢復(fù)成原狀，外套的廢舊輪胎被壓在土層內(nèi)。該工程建成不久，因上游河勢上提，故主流逐漸斜沖至透水樁壩，甚至左排樁壩也遭到水流的沖刷（見圖3）。由高村與艾山水文站聯(lián)合進(jìn)行的原型觀測發(fā)現(xiàn)，沖刷發(fā)展過程中，輪胎內(nèi)側(cè)因積土被逐漸淘空而露出水面，更好地發(fā)揮了限沖與緩流落淤作用，且能防止漂浮物的撞擊破壞。又由于河床下設(shè)置了緩沖彈片[7]，可產(chǎn)生變流緩沖效果，因此鋼管輪胎透水樁束流輸沙工程在主流持續(xù)沖刷下安然無恙。

示范工程總長度遠(yuǎn)超過任務(wù)書要求的500 m，為使河勢控導(dǎo)示范工程同對(duì)岸下游的透水樁壩更加配套，項(xiàng)目組要求在異形板樁壩的尾部繼續(xù)增建整合送溜、緩沖限流示范工程，有利于主流平順地經(jīng)過渡段進(jìn)入周營工程，這對(duì)于黃河治理工程措施的示范很有意義。這些工程的樁都是利用間距1 m、直徑356 mm的無縫防銹鋼管制作的。對(duì)于77 m長的整合送溜示范工程，為強(qiáng)化其控導(dǎo)送溜作用，背水側(cè)采用廢舊三角帶系住上下兩個(gè)輪胎掛在鋼管上（輪胎豎放，相鄰輪胎均通過三角帶相互連接，上部輪胎頂高程比嫩灘面低10 cm左右），再利用相互焊接的高2 m的鋼架擋護(hù)（其頂部比嫩灘面高約35 cm）;臨水面固定有廢舊傳送帶，在利用鉛絲對(duì)鋼架加密的同時(shí)，將嫩灘上大量廢棄的纖維織物固定在鋼架上，背后采用直徑16 cm、長9 m的鍍鋅管作為立柱，每3 m打入一根，在其頂部用鍍鋅管與鋼結(jié)構(gòu)擋護(hù)架及鋼管透水樁焊接一體，使其擋水護(hù)灘的同時(shí)，灘土也對(duì)透水樁整合壩產(chǎn)生支撐作用。正因?yàn)槿绱?，可將這一示范工程的形式稱為“鋼管輪胎透水樁整合壩送溜工程”。所謂“整合”，就是把一些廢舊物品通過某種方式彼此連接，從而在工程系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用的良好效果，最終形成有護(hù)灘與送溜價(jià)值的整體。

此外，沿工程位置線，采用直徑為219 mm的鋼管增建了長40 m的單排鋼管透水樁緩沖限流示范工程（設(shè)置緩沖片）。

3.5?“Z型鋼板樁護(hù)灘工程”示范研究

1958年非汛期以來黃河下游灘區(qū)出現(xiàn)大量生產(chǎn)堤[1]，使泥沙主要淤在主槽和嫩灘上，逐漸使寬河段歷史上的高灘深槽演化成為1980—2000年的“二級(jí)懸河”態(tài)勢。而小浪底水庫運(yùn)行20 a后的今天，被劃定成基本農(nóng)田的灘地塌失嚴(yán)重，“人河爭地”矛盾愈加突出。造成大量灘地坍塌的原因，可運(yùn)用張紅武的河床自適應(yīng)原理[15，21]解釋：近些年水流含沙量減小[22]，粗化效應(yīng)使河床難以產(chǎn)生較大變形，下切幅度自上而下逐漸衰減，河床比降減小到一定程度后，自然會(huì)利用富裕能量進(jìn)行橫向刷灘展寬調(diào)整，趨于新的河相平衡[21]。黃河泥沙量減少的趨勢已不以人們的意志而轉(zhuǎn)移 [4]，黃委將小浪底水庫攔沙期向后推延[23]，少沙流量過程加長，灘地遭到水流沖刷的局面將維持較長時(shí)間，從而導(dǎo)致灘區(qū)農(nóng)田大面積塌失[7]。

課題組選擇由錳鋼制作的2.5 mm厚的Z型鋼作為板樁材料（見圖4），其頭部折成20 mm卡槽，可相互扣在一起。以此起伏不平的Z型鋼板樁作為護(hù)灘面，不僅使工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，而且增大了對(duì)近岸壁的水流的阻力[24-25]，能夠有效限制水流對(duì)灘岸的沖刷。在透水樁束流輸沙工程尾部的背后，順灘沿向下游修建了“Z型鋼板樁護(hù)灘工程”（見圖1）。施工完成后不久，“Z型鋼板樁護(hù)灘工程”初步經(jīng)受了水流沖刷考驗(yàn)。現(xiàn)場觀測表明，該工程靠水的坡腳處沖刷深度很小，從水文部門提供的流場流態(tài)資料看出，主要是護(hù)灘工程在透水樁束流輸沙工程尾部背后和西北處恰好得到了透水樁工程的掩護(hù)，其束流輸沙功能可使主流逼近河槽左側(cè)的部位下移600多m，或者說護(hù)灘工程位于透水樁工程能夠發(fā)揮緩流落淤作用的有效區(qū)，說明“Z型鋼板樁護(hù)灘工程”結(jié)合“鋼管輪胎透水樁束流輸沙工程”進(jìn)行布置是合理的。

4?結(jié)論與展望

4.1?結(jié)?論

（1）本課題實(shí)施189 m鋼結(jié)構(gòu)異形板樁壩河勢控導(dǎo)示范工程、116 m上挑變流壩促淤示范工程、216 m鋼管輪胎透水樁壩束流輸沙示范工程、185 m Z型鋼板樁護(hù)灘示范工程、77 m鋼管輪胎透水樁整合壩送溜工程、40 m鋼管透水樁緩沖限流示范工程等，不僅滿足了群眾需要，而且增加了示范工程種類，擴(kuò)大了示范作用，達(dá)到了很好的示范效果。其工程的空間布局屬于能發(fā)揮最大輸沙減淤潛力的工程布控模式，符合能量守恒原理和工程邊界約束下的河床自適應(yīng)演變規(guī)律，在河道制導(dǎo)工程空間布局上取得了突破。

（2）工程的鋼結(jié)構(gòu)組合構(gòu)件截面緊湊、強(qiáng)度高、剛度大，使得打樁方式靈活，節(jié)省工期，減少了施工工作量，便于精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。其中的鋼結(jié)構(gòu)異形板樁壩河內(nèi)進(jìn)占便宜，特別適合推廣到河流堵口等應(yīng)急搶險(xiǎn)中，在河流治理中明顯加大了工程的制約與送導(dǎo)作用，洪水時(shí)自動(dòng)漫頂，實(shí)現(xiàn)了河勢穩(wěn)定控制、中小水流量輸沙不淤與大水行洪需要相統(tǒng)一。

（3）在治導(dǎo)線的過渡段對(duì)岸布局兩排108 m長的鋼管輪胎透水樁壩，輪胎減小透水率和橡膠的柔性特征，能促使工程具有更好的緩流落淤效果，又因在床面下加強(qiáng)鋼管透水樁連接時(shí)設(shè)置的緩沖彈片具有變流緩沖作用，故樁附近局部沖刷深度受到限制。該工程在中常洪水時(shí)具有束流輸沙功能，限制河勢上提，減輕了水流對(duì)工程背后與同側(cè)下游農(nóng)田的沖擊，且大洪水期不會(huì)影響水流漫灘與水沙的橫向交換。

（4）初步的洪水考驗(yàn)表明，這些示范工程設(shè)置較為合理、巧妙，能夠?qū)崿F(xiàn)河勢控導(dǎo)、變流促淤、束流輸沙、護(hù)灘防沖、泥沙高效輸送等預(yù)期目的，河勢控導(dǎo)示范工程具有施工快、抗水毀的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)固牢靠、不搶險(xiǎn)、調(diào)控自如的河勢送導(dǎo)工程效果，同時(shí)工程不影響漫灘且與防洪對(duì)河寬的要求不相矛盾，在黃河上推廣時(shí)可制定出中小水輸沙與特殊洪水行洪共適應(yīng)的工程邊界布控方案。

4.2?展?望

本課題主要示范工程材料為廢舊鋼材，還使用大量抗老化的輪胎、傳送帶、三角帶等廢舊物質(zhì)，在降低工程成本的同時(shí)，體現(xiàn)了綠色發(fā)展理念。尤其是降低了成本與后期維護(hù)費(fèi)用，不占原有農(nóng)田，有效保護(hù)了耕地，易得到當(dāng)?shù)厝罕娭С郑以谙掠文軌蛑苯佑俪鰪V闊的嫩灘，有利于生態(tài)修復(fù)，具有顯著的直接、間接經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)效益。

經(jīng)估算，本課題示范工程建設(shè)成本相對(duì)于傳統(tǒng)工程至少節(jié)省50%，尤其將上挑變流壩與異形板樁壩結(jié)合一體后，將上部板樁長度減少2～4 m，可為減少工程投資提供更大空間。傳統(tǒng)工程考慮維護(hù)成本，經(jīng)費(fèi)需要更多，因此示范成果更有推廣價(jià)值。如果進(jìn)一步采用本示范技術(shù)對(duì)寬河段進(jìn)行系統(tǒng)治理，并利用預(yù)制板樁示范技術(shù)將河道工程（包括大量的險(xiǎn)工與控導(dǎo)工程）和防護(hù)堤改造后，河勢控導(dǎo)與水流輸沙能力將大幅度提高，超標(biāo)準(zhǔn)洪水的過洪寬度不受影響，大量耕地被節(jié)省，再實(shí)施Z型鋼板樁護(hù)灘工程示范技術(shù)，灘地保護(hù)率將比現(xiàn)狀大幅度提高，可對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展起到顯著的促進(jìn)作用。

此外，本課題示范技術(shù)可推廣應(yīng)用于其他流域的河道治理，而且推廣到水治理、應(yīng)急搶險(xiǎn)、危橋加固、山地災(zāi)害防治、尾礦庫除險(xiǎn)、海岸線蝕退防治、淤地壩修建與加固等領(lǐng)域，無疑會(huì)發(fā)揮極大的經(jīng)濟(jì)效益。

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