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1 混凝土杩杈的研究目的
河道护岸工程就护岸机理而言，可分为实体抗冲护岸和减速不冲护岸。这些工程措施均能在不同程度上达到预期的整治效果，起到一定的积极作用，但各自有其适用条件和优缺点。
减速不冲护岸（一般为轻型整治建筑物），如：木杩杈、挂柳、钢筋混凝土网格排等，能局部改变水流流态，降低保护区流速，使其冲淤态势转变，达到淤岸护坡的效果。但木杩杈、挂柳等易于腐烂冲毁，维护工程量大，一般为临时性措施；钢筋混凝土网格保护效果好，但基础水下施工较为复杂，且需要有足够的埋深。因此，寻求新型河道整治工程措施是十分必要的。西北水利科学研究所的科研人员提出了钢筋混凝土四面六边体透水框架结构（混凝土杩杈）治河护岸技术，该技术的运用能很好的解决上述工程难题，一方面，它是透水建筑物能柔性地调整水流，且具有良好的自身稳定性，克服了实体坝的缺点；另一方面，它是钢筋混凝土结构，具有一定的耐久性。
长江江西河段和陕西渭河下游的试验工程基本解决了杩杈杆件材料的选型、杩杈成型组装、施工定位等工艺问题。工程实践表明：
1.钢筋混凝土杩杈具有透水、改变水流结构、吸收能量、在局部区域降低流速和挟沙能力的作用，能显著地降低流速、促淤、保滩护岸、淤滩冲槽、控制主流及塑造河道形态，用它来代替传统的实体材料构筑治导工程、整治河道是可行而有效的。
2.钢筋混凝土杩杈治河技术具有无需开挖基础、稳定性好、不存在基础与根石冲刷问题，以及有良好的防沉陷等优点。
3.施工简便，可以实现工厂化生产，比传统的实体材料经济实用，又可以在河床上按需要布置移动，重复使用。
4.四面六边体透水框架群的水力学特性及落淤特性，提出了构件尺寸的设计原则。
5.利用该种构件加固防护已有实体坝垛，以及用该技术防治堤岸崩塌的可行性。
但是，目前的研究尚停留在实际应用方面，且成果过于笼统粗糙，主要是定性的研究，而在该构件框架群对水流结构的影响，对河流阻力的影响、减速促淤机理和定量效果、框架群尺度、架空率、投放形式等因素的影响程度等问题的研究，不仅在理论上处于空白，而且在试验上也缺乏系统的试验研究成果，这必然限制了该项技术的实际运用与推广，因此进一步深入地进行试验研究具有理论上和实用上的重大意义。
近年，河海大学一些科研人员以流速为主要参数，对杩杈框架群的水流特性，减速促淤机理，及框架群的架空率、布置形式、边坡系数等对流速场的影响进行了系统的研究，取得了极有价值的成果，在一定程度上填补了混凝土杩杈框架群护岸技术研究中的空白。进一步，准备将混凝土杩杈框架群护坡技术应用于长江口长兴岛保滩工程丁坝的坝头保护，这就涉及到深水条件下混凝土杩杈框架群对水流垂向结构调整作用的研究以及混凝土杩杈护底效果的估计，而这些方面的研究还很不足，因而很有必要进行深入系统的试验研究。
2 混凝土杩杈护岸效果的模型试验论证
长兴岛位于长江口南支，四面环水，与横沙岛一起将南支分为南、北两港，水流动力条件复杂，保滩工程形势严峻。据资料统计，从1962年开始陆续兴建的74条保滩工程丁坝坝头大多已损坏，其中35%的丁坝已经损坏殆尽。丁坝坝田间的20 670m长护坎工程也已基本损坏，失去了保滩护坎的基本成效，直接威胁到沿岸大堤的安全。为此，上海市滩涂管理局委托河海大学进行长兴岛南兴圩典型河段物理模型试验。研究调整保滩工程布局，探求对原有损坏丁坝的坝头保护加固工程措施及新增设丁坝的坝头护底工程技术，保护前沿滩地及大堤防洪安全。
模型的几何比尺为80、流速比尺为8.94、流量比尺为57 243、糙率比尺为2.08、水流运动时间比尺为8.94，在此比尺范围内进行试验，针对原有保滩工程丁坝损坏严重的情况，定床试验阶段主要通过清水流场测试，重点研究保滩丁坝用混凝土杩杈护底，以防止丁坝底部进一步损坏的护底技术。
四面六边体混凝土透水框架是一种新颖的结构形式，它四面是等腰三角形，接触面积较大，可任意抛放且稳定性能良好，因而在长江护岸工程中取得良好效果。但在长江口水域开阔处、水深流急的丁坝坝头部位，能否作为护底结构保护河床，从而进一步保护和加固丁坝？为此在模型试验中进行局部流速场的探索性对比试验。
设计的单个四面六边体的棱边柱体长1.28m，模型中为1.6cm，柱体截面为正方形，边长10cm，考虑到柱体两端的构造搭接，所以四面六边体的棱边长约为1.46m，最大外围长度可达1.63m，因此它的任一面三角形约为1.5m2。设计的单层铺设四面六边体透水框架，外侧紧密排列，但框架的棱边柱不得上下搭接，所以单层铺设时，理论上单位河床上的四面六边体透水框架个数为0.87个/m2。
原丁坝头部设计护底面积为4 000m2，轴线方向长80m，其中坝头内侧20m，坝头向外延伸60m，垂直于丁坝轴线长为50m，扣除丁坝头部与河床接触部分的面积，实际每个原丁坝头部护底面积约3 650m2，单层抛放四面六边体透水框架约为3 200个。模型试验中以称重法控制四边框架的个数，在设计护底范围内随机抛置于坝头部位河床，模型中流速测点间隔仍为20cm，当设计抛置双层四面六边体透水框架结构形式时，则增加1倍四面体个数平抛于丁坝护底范围内。
在试验中选择了上下游两端原6号、9号丁坝坝头局部区域为流速变化观测河段，分析研究抛放四面六边体透水框架护底工程前后局部区域的流速变化。模型试验中仍以枯水大潮涨急、洪水大潮涨急及“9711”台风潮落急状态，即对保滩工程最不利条件的流速场作为护底工程减速效果的对比依据，原6号丁坝坝头局部区域护底工程前后流速变化（见图）足以说明工程措施的效果。
流场测试结果表明，在未抛透水框架护底前，由于原丁坝的存在，近岸滩地区域水流阻力加大，丁坝局部区域流速较新增丁坝处无丁坝时的滩面流速略有减小，测得坝头区域0.6H处的最大平均流速为0.8m / s，比其它无丁坝布置时的坝头滩面处最大平均流速0.94m / s减小0.14m / s。随机抛置单层四面体透水框架护底后，靠近坝头四周32m范围内的流速显著减小，河底处流速减幅更大。原6号丁坝相对水深0.6H处平均流速减幅约14%，河底平均流速减幅可达23%～42%，原9号丁坝坝头0.6H处平均流速减幅增大至22%左右，河底平均流速减幅为20%～50%，从而使得抛设四面体透水框架护底后，在遭遇最恶劣“9711”台风潮涨状态下的坝头区相对水深0.6H处的最大平均流速由0.70m / s～0.80m / s减小到0.60m / s～0.64m / s，河底处平均最大流速由0.58m / s～0.66m / s减小到0.43m / s～0.51m / s，而在其它常遇状态下的河底平均流速均在0.40m / s以下，可以起到保护河床、减缓水流对泥沙的冲刷作用。当增加一倍四面体透水框架进行双层随机抛设护底后，模型测试表明靠近坝头区0.6H处平均流速进一步减小，最大流速为0.55m / s左右，河底处平均最大流速至0.44m / s，多数情况下河底流速减小为零，显示抛设双层四面体透水框架后，可更有效地保护河床免遭水流冲刷。在抛筑四面体透水框架临江外侧，随水深增大，护底工程前后流速变化渐趋平缓，实验表明：
1.在原有丁坝坝头附近区域抛设四面六边体透水框架护底后，河床底部流速减幅较大，缓流促淤较好，同时相对水深0.6H处也有轻微减速效果，故用四面六边体透水框架结构在水域开敞、水深较大的长江口区域，能够起到良好的护岸保滩作用。
2.对随机抛设单层或双层四面六边体透水框架（杩杈）两种护底方式比较，抛设双层杩杈底部流速削减更为显著，护岸效果更好，但增加工程量较大。
3 结论与建议
混凝土杩杈在保滩护岸工作中能起到减缓流速、有效地使河床和整治建筑物免遭水流严重冲刷的作用。它的运用能延长护岸工程中的整治建筑物的寿命。在水域开敞、水深较大的长江口区域的运用，能起到良好的护底保滩作用。考虑到单独抛设时的任意性大，建议将3～4个杩杈沿某一棱边捆制成整体，顺某一方向沿程抛放，便于控制单层铺设。在水深较浅、水流较缓的河道工程区域可铺设单层混凝土杩杈，以节省工程投资。建议在工程区域两端整治建筑物头部水深较大、河床底较陡处抛设双层杩杈，以增强保滩护岸的效果。
混凝土杩杈模型试验研究[0个Ｅ路币]
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