基于多源多维度指标的河道护岸建筑物技术状况评判方法

技术领域

本发明涉及河道护岸维修领域，具体涉及一种基于多源多维度指标的河道护岸建筑物技术状况评判方法。

背景技术

长江干线航道是长江流域东西交通主动脉，素有“黄金水道”之称，是沿江综合立体交通走廊的主骨架。航道整治建筑物是在航道建设中用于提高或改善通航条件的水工建筑物。随着长江干线航道系统治理不断加快，航道整治建筑物越来越多。长江干线中下游航道从宜昌九码头至江苏太仓浏河口段，全长1618.4公里，已建及在建航道整治工程60多项，已竣工验收并交付使用的航道整治建筑物有400多处。其中，护岸建筑物是守护高滩、岸线，稳定航道边界条件的主要工程手段之一，目前仅长江中游宜昌至湖口段航道整治护岸工程就达45处。受自然条件变化、建筑物使用年限增长及人为因素的共同影响，护岸建筑物正常发挥作用的同时，自身会发生变形或者损坏，当损坏达到一定程度，其功能就会受到影响。尤其是三峡工程蓄水运行后，长江中下游航道的来沙量锐减、来流过程调整，河床处于强冲刷状态的同时，部分高滩、岸线所处水流条件变差，护岸建筑物稳定性受到影响，损毁问题更趋严重。为此，航道维护单位需要投入大量人力、物力对护岸建筑物进行评价，为科学探明护岸建筑物的状态提供支撑。

目前，国内外学者从土力学、水力学及河流动力学等方面对岸坡稳定因素进行了研究。Terzaghi、Beriram、Karpoff等从土力学岸坡稳定的观点出发，认为主要因素有岸滩土体本身的物理性质、状态指标、强度指标及其变化，河床的冲刷深度，河道水位的变化及引起的渗透水压力等。余文畴、马爱兴、王平义、何广水等从水力学及河流动力学的观点出发，认为上游河势改变，主流贴岸顶冲引起近岸河床刷深、岸坡变陡是崩岸发生的先决条件。前期研究成果对认识护岸建筑物的破坏提供了基础，但对于护岸建筑物而言，建筑物损毁不仅和原岸坡破坏因素相关，也和建筑物自身因素相关，尤其是护岸建筑物具有形态扁平化、工程面积广、局部构件多等特点，导致建筑物损毁源呈现多样化，护岸建筑物破坏机理的揭示更趋复杂，相应建筑物评价和维修需从多源进行分析，其评价方法也应从多维度进行综合考虑。

目前的护岸建筑物技术状况评价，主要依据《内河航道维护技术规范》第6.2.5条规定，航道整治建筑物的技术状况，可分为四类：

(1)技术状况良好，功能发挥正常的为一类；

(2)建筑物有少量变形，但不影响建筑物稳定和整治功能的为二类；

(3)建筑物损坏较明显，尚能发挥整治功能，但需要及时修复的为三类；

(4)建筑物损坏严重或有明显缺陷，已经或即将失去整治功能的为四类。

但实际评价过程中存在经验性强、范围模糊、难以定量判断等问题，亟待建立能够科学评价护岸建筑物损毁程度的定量评价方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于多源多维度指标的河道护岸建筑物技术状况评判方法，该方法以航道护岸建筑物为研究对象(长江中下游)，分析了包括坡顶、坡面、坡脚等局部源的护岸建筑物多源损毁特点，提出了基于护坡建筑物横向变形率、坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势等多维度的岸坡技术状况定量评判方法。

为实现上述目的，本发明所设计一种基于多源多维度指标的河道护岸建筑物技术状况评判方法，包括以下步骤：

1)对现有河道护岸建筑物进行前期观察分析，将已完成历史使命或河道发生较大变化后续不需发挥整治功能的河道护岸建筑物不纳入技术状况评级，并将剩余的河道护岸建筑物纳入待评价的标的物；

2)对某处待评价的河道护岸建筑物进行观测，按照护岸顶部损毁源、护岸坡面损毁源、护岸水下护底损毁源进行多源河道护岸建筑物技术状况数据分析；

3)按照护岸建筑物横向变形率、岸坡坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势性，进行多维度评判河道护岸建筑物技术状况等级。

4)基于上述河道护岸建筑物技术状况等级，对河道护岸建筑物进行对应损毁维修。

进一步地，所述步骤2)中：多源河道护岸建筑物技术状况数据分析具体如下：

对于护岸顶部损毁源，分析崩窝或塌陷情况；

对于护岸坡面损毁源，分析岸坡坡比，崩窝或塌陷情况，整体功能发挥；

护岸水下护底损毁源，分析排体横向变形率，崩窝或塌陷情况，整体功能发挥。

再进一步地，所述步骤3)中：河道护岸建筑物技术状况等级评判方法如下：

横向变形率、坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势性

若排体横向变形率＜5％，或岸坡坡比＜1:2.5，整体无崩窝或塌陷，整体功能发挥正常时，河道护岸建筑物评为一类；

若5％≤排体横向变形率＜20％，1:2.5≤岸坡坡比＜1:2，局部有小区域崩窝或塌陷，呈现少许破坏且发展较慢，或破坏较严重但有淤积趋势，不影响护坡稳定和整治功能，河道护岸建筑物评为二类；

若20％≤排体横向变形率＜50％，或1:2≤岸坡坡比＜1:1.5，局部崩窝或塌陷，护岸排体形成垛状破坏且发展较迅速的，影响整治功能充分发挥，河道护岸建筑物评为三类；

若排体横向变形率≥50％，且岸坡坡比≥1:1.5，护岸出现严重窝崩，坡脚的破坏已发展至枯水平台以上时，已经或即将失去整治功能，河道护岸建筑物评为四类。

再进一步地，所述步骤4)中，河道护岸建筑物进行对应损毁维修方案如下：

若河道护岸建筑物评为一类时，不需进行维修；

若河道护岸建筑物评为二类时，需加强观测，暂缓维修；

若河道护岸建筑物评为三类时，需及时维修；

若河道护岸建筑物评为四类时，需及时维修并需采取局部改善措施。

此外，对于遇到特殊水文年、人为破坏等情况，导致建筑物破坏发展迅速，需立即维修的，则列为应急维修。

根据上述方法，维护部门根据现有维修原则及时机、护岸建筑物多源维修方法和修工艺方法进行维修；维修时的建议如下：

1.维修原则及时机

(1)维修原则

一般河段的维修原则为原状恢复；河势已发生较大变化河段的维修原则为顺应发展趋势进行局部多源改善。

(2)维修分期

维修工程通常是一次实施完成，但对于突发的破坏发展迅速的建筑物，一般分阶段完成维修，即先进行整体控制，后局部加固完善，即在发生剧烈变化时对其进行应急维修加以控制，然后在合适的时机进行加固完善。

(3)维修时机

对于低水位期能够出露的维修区域，应尽量采取陆上施工方式，容易保证施工质量，有利于提高维修工程稳定性。对于常年淹没水下的维修区域，考虑到枯水期拟维修工程区一般流速较小，有利于提高抛投的到位率，因此，一般在枯水期实施。但对于洪冲枯淤变化明显的区域，为减少枯水期泥沙大幅淤积带来的影响，应尽量在冲刷幅度较大时即汛末时间实施。

2.护岸建筑物多源维修方法

(1)崩窝状损毁源维修方法

对于崩窝状破坏，通常是对崩窝上、下游侧进行裹头处理，并对崩窝内进行促淤处理，崩窝外侧，采取沉排+抛石覆盖处理。

(2)岸坡变陡损毁源维修方法

对于岸坡冲刷发展、变陡区域，通常先进行沉排，然后抛石补坡，再进行外侧镇脚抛石处理，镇脚抛石要充分考虑一定年限内的冲刷量，以防止因镇脚抛石量不够而反复维修情况的出现。

(3)坡脚外侧排体冲刷损毁源维修方法

护岸建成后，排体外侧河床冲刷下切，护脚外排体随之发生变形，有时出现排体悬挂现象，或者出现垛状类破坏，对于排体变形距离护脚较远时，如整体表现为线状变形，则可以先观察一段时间；但当破坏快要接近护脚区域，则要及时进行加固。加固结构则需视原结构情况而采取针对性措施，如原来排体上无抛石或抛石很少，则可以采取抛枕护底+抛石盖面结构。如原来排体为全抛石结构，则仍采取抛石结构，但应加强垛状破坏区域的精细抛石施工控制，以防止抛石体突出造成新的破坏。

(4)陆上护坡损毁源维修方法

主要针对比较常见的渗流鼓包类破坏、钢丝网格破坏、砼块掀起类破坏进行处理。对于钢丝网格类破坏，一般是因为船舶靠泊触碰引起，往往导致相邻钢丝网也被牵扯，破坏面较大，需重新铺设钢丝网，并在坡顶处设置禁止靠泊等提示类标牌。对于砼块掀起类破坏，如垫层已发生破坏，需对破坏处垫层进行更新，然后将砼块恢复原状，对于个别砼块缺失区域，可采取现场浇筑处理。对于渗流鼓包类破坏，需将原陆上护坡块体或块石拆除，一般需重新布设盲沟，或将原盲沟清理后，加大盲沟尺寸。对于部分渗流较强区域，盖面可直接采取铺石方式，以增大排水能力。

3.维修工艺方法

(1)护底施工工艺及设备

目前，长江中下游护底维修主要采用两种方式，一是常规的沉排护底工艺，即对于维修规模较大、原排体破坏明显且具备沉排条件的维修工程区域，尽量采取重新沉排方式，一般采取40m宽铺排船，二是水上抛枕。沙枕因块体较大，保沙性能相对较好。对于维修规模较小，不适宜进行铺排的施工区域，沙枕无疑是一种相对较好的替代方式，但沙枕的抛投需提高其到位率。施工设备包括抛枕船、深仓驳(装载河沙)及充枕装置。

(2)平抛石施工工艺及设备

长江中下游维修中，因块石适应河床变形的能力和耐久性较好，平抛块石在维修工程中普遍应用，施工设备主要为装载长臂挖机的抛投船、定位船，施工时，民用运输块石的驳船靠泊定位船，然后采用长臂挖机按网格法进行抛投。

(3)陆上铺石施工工艺及设备

枯水期施工，对于部分中滩滩面，人工运输块石难以上岸区域，可采取斗类吊机进行吊装施工，提高施工效率。

(4)简易施工设备

对于抛枕船无法进入的区域，如水凼、倒套等区域，则可因地制宜制作简易抛投装置，如界牌中滩鱼嘴滩面水凼内使用的抛枕装置。

本发明的有益效果：

(1)传统对护岸建筑物主要进行整体评价，本发明从护岸不同位置的损毁源出发，细化揭示了护岸建筑物损毁原因，深化了对损毁过程的认识。护岸建筑物损毁源主要包括护岸顶部损毁源、护岸坡面损毁源和护岸水下护底损毁源。其中护岸顶部损毁源一般位于护岸与原有岸坡衔接处，在水流等因素作用下，局部土沙被水流冲走或散粒体块石松动、钢丝笼损坏等引起的局部损毁；护岸坡面损毁源破坏一种表现为在重力、水流冲击和渗流等作用下岸坡块石脱离原位、坡面流土和鼓包等，另一种则由于坡面工程底部垫层冲刷或下沉引起局部坡面凹陷；水下护底损毁源往往因水流长期冲刷、淘蚀，护底边缘出现冲刷坑，造成护岸建筑物水下护底破坏，进而导致岸坡出现垮塌。

(2)传统对护岸建筑物主要进行定性评价，本发明从护岸损毁的不同因素出发，构建了护岸建筑物损毁的主要量化指标，并建立了不同等级下各指标的范围，提高了评价的标准性、准确性和科学性。按照护岸建筑物横向变形率、坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势性进行多维度评判河道护岸建筑物技术状况等级。若排体横向变形率＜5％，或岸坡坡比＜1:2.5，整体无崩窝或塌陷，整体功能发挥正常时，河道护岸建筑物评为一类；若5％≤排体横向变形率＜20％，1:2.5≤岸坡坡比＜1:2，局部有小区域崩窝或塌陷，呈现少许破坏且发展较慢，或破坏较严重但有淤积趋势，不影响护坡稳定和整治功能，河道护岸建筑物评为二类；若20％≤排体横向变形率＜50％，或1:2≤岸坡坡比＜1:1.5，局部崩窝或塌陷，护岸排体形成垛状破坏且发展较迅速的，影响整治功能充分发挥，河道护岸建筑物评为三类；若排体横向变形率≥50％，且岸坡坡比≥1:1.5，护岸出现严重窝崩，坡脚的破坏已发展至枯水平台以上时，已经或即将失去整治功能，河道护岸建筑物评为四类。

(3)传统对护岸建筑物维修主要依据河道维护机构根据实际定性认识情况进行维修，本发明优化了不同等级建筑物维修策略，建立了护岸建筑物多源维修方法。若河道护岸建筑物评为一类时，不需进行维修；为二类时，需加强观测，暂缓维修；为三类时，需及时维修；为四类时，需及时维修并需采取局部改善措施；对于遇到特殊水文年、人为破坏等情况，导致建筑物破坏发展迅速，需立即维修的，则列为应急维修。对于崩窝状损毁源，通常是对崩窝上、下游侧进行裹头处理，并对崩窝内进行促淤处理，崩窝外侧，采取沉排+抛石覆盖处理；对于岸坡变陡损毁源，通常先进行沉排，然后抛石补坡，再进行外侧镇脚抛石处理，镇脚抛石要充分考虑一定年限内的冲刷量，以防止因镇脚抛石量不够而反复维修情况的出现；对于坡脚外侧排体冲刷损毁源，排体变形距离护脚较远时，如整体表现为线状变形，则可以先观察一段时间。但当破坏快要接近护脚区域，则要及时进行加固；对于陆上护坡损毁源，主要针对比较常见的渗流鼓包类破坏、钢丝网格破坏、砼块掀起类破坏进行处理。

综上所述，本发明方法具有标准性、准确性和科学性优点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

本发明的基于多源多维度指标的河道护岸建筑物技术状况评判方法，包括以下步骤：

1)对现有河道护岸建筑物进行前期观察分析，将已完成历史使命或河道发生较大变化后续不需发挥整治功能的河道护岸建筑物不纳入技术状况评级，并将剩余的河道护岸建筑物纳入待评价的标的物；

2)对某处待评价的河道护岸建筑物进行观测，按照护岸顶部损毁源、护岸坡面损毁源、护岸水下护底损毁源进行多源河道护岸建筑物技术状况数据分析；具体如下：

对于护岸顶部损毁源，分析崩窝或塌陷情况；

对于护岸坡面损毁源，分析岸坡坡比，崩窝或塌陷情况，整体功能发挥；

护岸水下护底损毁源，分析排体横向变形率，崩窝或塌陷情况，整体功能发挥；

3)按照护岸建筑物横向变形率、岸坡坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势性，进行多维度评判河道护岸建筑物技术状况等级；道护岸建筑物技术状况等级评判方法如下：

横向变形率、坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势性

若排体横向变形率＜5％，或岸坡坡比＜1:2.5，整体无崩窝或塌陷，整体功能发挥正常时，河道护岸建筑物评为一类；

若5％≤排体横向变形率＜20％，1:2.5≤岸坡坡比＜1:2，局部有小区域崩窝或塌陷，呈现少许破坏且发展较慢，或破坏较严重但有淤积趋势，不影响护坡稳定和整治功能，河道护岸建筑物评为二类；

若20％≤排体横向变形率＜50％，或1:2≤岸坡坡比＜1:1.5，局部崩窝或塌陷，护岸排体形成垛状破坏且发展较迅速的，影响整治功能充分发挥，河道护岸建筑物评为三类；

若排体横向变形率≥50％，且岸坡坡比≥1:1.5，护岸出现严重窝崩，坡脚的破坏已发展至枯水平台以上时，已经或即将失去整治功能，河道护岸建筑物评为四类；

4)基于上述河道护岸建筑物技术状况等级，对河道护岸建筑物进行对应损毁维修，道护岸建筑物进行对应损毁维修方案如下：

若河道护岸建筑物评为一类时，不需进行维修；

若河道护岸建筑物评为二类时，需加强观测，暂缓维修；

若河道护岸建筑物评为三类时，需及时维修；

若河道护岸建筑物评为四类时，需及时维修并需采取局部改善措施。

实施例1

长江中游新洲～九江河段(以下简称新九河段)上起葫芦山，下迄九江港客运码头，全长35.0km，左岸为湖北省黄梅县小池镇，右岸为江西省九江市。九十年代中期以后，随着新洲左汊分流比逐渐减小，右汊分流比不断增大，水流动力增强，徐家湾边滩头部冲刷，滩体下移，河床断面宽浅，水流分散，浅区淤浅，航道出浅碍航。三峡蓄水后，徐家湾边滩逐渐切割形成心滩，并且伴随滩体进一步下移，一方面浅区过水断面愈加宽浅，枯期水流分散；另一方面则是边滩与岸脱离，形成多槽争流，航道形势趋于不利。

为此，2011年12月长江航道局开始实施长江中游新洲～九江河段航道整治工程。工程内容包括徐家湾边滩护滩工程、鳊鱼滩滩头梳齿坝工程、新洲尾护岸工程、蔡家渡一带护岸工程、鳊鱼滩头部及右缘中上段护岸工程、大树下塔一带护岸加固工程。其中，蔡家渡一带护岸工程采用平顺护岸，护岸长度为2316m，两端各设50m衔接段。工程于2013年7月交工验收，2016年11月竣工。

(一)损毁指标分析

根据近年来建筑物现场维护情况，蔡家渡护岸大江侧区域总体较好，但在蔡家渡护岸起点上游侧20m处出现崩窝，崩窝长度为100m，崩窝中点水下高程为-5.2m。水下排沿岸(横向)冲刷幅度2m以上长度为760m，护岸总长度为2416m，水下护排冲刷毁比例为31.4％。崩窝发生后，崩窝中心附近边坡坡比变陡，最大达1:1.7。2015年该处岸坡较为平缓，无崩窝；2017年汛前水下坡脚局部崩塌出现一个小范围崩窝，2017年汛期水流快速淘刷，该处坡脚以上岸坡崩塌形成较大崩窝，2018年、2019年、2020年度崩窝面积扩大，护岸工程头部有所损毁。2018年护岸头部崩窝面积为217m

(二)技术状况等级评价

采用本发明提供的方法进行分析，蔡家渡护岸的损坏包含了护岸顶部损毁源，护岸坡面损毁源和护岸水下护底损毁源。按照护岸建筑物横向变形率、坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势性进行多维度评判河道护岸建筑物技术状况等级。若20％≤排体横向变形率＜50％，或1:2≤岸坡坡比＜1:1.5，局部崩窝或塌陷，护岸排体形成垛状破坏且发展较迅速的，影响整治功能充分发挥，河道护岸建筑物评为三类。

(三)维修建议

建议后续尽快对损毁工程进行维修。

实施例2

陆溪口水道上起赤壁山，下至刘家墩，水道全长10km。河段自赤壁山以下由新洲分为左右两支，左支沿左岸以东北走向顺中港而下，至中港中部又在左侧向北方向由中洲分出一个支汊(圆港)，左支(中港)主流折向东南向。右支沿右岸以北偏东70°走向，在航运上称为直港。陆溪口水道的演变特点表现为中港周期性生成-坐弯-衰退-切割新洲形成新中港，新旧中港交替之时，河道内滩槽格局散乱，航道条件极差。

为此，2014年11月长江航道局开始实施陆溪口水道航道整治工程，主要建设内容为新洲筑坝工程、中洲护岸工程，工程于2011年9月竣工验收。

(一)损毁指标分析

中洲护岸段守护后，2012年汛后，受新洲左缘持续挤压、本届大水坐弯水流淘刷作用下，中洲下游未护段出现了较为明显的持续崩塌现象，形成了大型崩窝，崩窝纵深达70m，长度约450m，2014年以后枯水平台上段和尾段冲刷较为明显，范围较大，水下护排冲刷毁比例超过20％。水下坡脚变陡，局部坡比已达1:1.8，特别是护岸下游岸线垮塌不断加剧，坡比明显增大，护岸尾部护底局部冲深已延伸至护底排体边缘，整治建筑物的稳定性变差，若任其发展，护岸工程将失去岸坡守护功能。

(二)技术状况等级评价

采用本发明提供的方法进行分析，中洲护岸的损坏包含了护岸坡面损毁源和护岸水下护底损毁源。按照护岸建筑物横向变形率、坡比、崩窝或塌陷、功能及趋势性进行多维度评判河道护岸建筑物技术状况等级。若20％≤排体横向变形率＜50％，或1:2≤岸坡坡比＜1:1.5，局部形成了大型崩窝，崩窝纵深达70m，长度约450m，影响整治功能充分发挥，河道护岸建筑物评为三类。

(三)维修建议

建议后续尽快对损毁工程进行维修。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。