摘要：郑州黄河长管袋结构实验坝近年来出险具有猛墩猛蛰的特点，往往土胎裸露，在大水或险恶水流条件下出险并迅速垮坝的威胁较大。其出险的原因在于长管袋排体在水流的长期作用下，突然发生滑动或断裂破坏。该坝型给巡坝查险、预防出险造成困难。随着长管袋的日益变形、破坏，其出险将会加剧。建议对该坝型进行加固处理，设置类似于险工工程的根石台。该坝型还有许多专业技术问题需要进行深入的研究，该坝型的继续实验应在重大改进后进行。

关键词：分析 应用效果 长管袋实验坝 郑州黄河

　　不抢险结构坝是治黄工作者长期以来所不懈追求的理想。长管袋结构实验坝作为不抢险坝的一种尝试，自1998年以来，在郑州黄河枣树沟等河道整治工程中得到了较大规模的实验。

图1 郑州黄河枣树沟河道整治工程俯瞰

1 长管袋实验坝结构型式

1.1 褥垫沉排坝

　　修建褥垫沉排结构坝32道，分别为枣树沟控导工程-4～22坝、保合寨控导工程18～23坝、马渡下延工程94坝，该坝型断面结构如图2。

1.2 排体进占坝

　　修建排体进占结构坝17道坝，即桃花峪控导15～24坝、马渡下延95～101坝，该坝型断面结构如图3。

1.3 土工布护底、长管袋进占结构坝

　　修建土工布铺盖护底、长管袋进占结构坝1道，即九堡下延142坝，该坝型断面结构如图4。

　　九堡下延142坝修建时护底土工布铺设十分困难，因其铺设质量较差，所以实验价值不大。该坝自2000年1月份建成后多不靠河，在2002年8月6日～9月14日短暂靠边溜的时间里，出险15次，体积1928m3，呈现了小险、多出、紧抢的局面，其出险特点同传统坝无异，说明土工布没有铺设到位或土工布铺盖没有起到预期的护底作用。

　　本文以下所称长管袋结构坝均指褥垫沉排坝和排体进占坝而言，不包括土工布护底、长管袋进占结构坝。

2 褥垫沉排坝近年来的靠河特点

　　枣树沟工程自建成后至今靠河良好，工程中下段靠河几率大约在70%左右，但－4～22坝间各褥垫沉排坝靠河时，上部坝体均处于着水不着溜或靠溜不紧的状态，没有出现过明显紧靠边溜或紧靠大溜的情况。这是因为这些坝的下部距上口石边沿以外大约40m范围内的河床都有长管袋褥垫沉排护底，水下褥垫沉排起了挑溜外移的作用。

　　近年来，虽然枣树沟长管袋褥垫沉排坝上部坝体均处于着水不着溜或靠溜不紧的状态，但其下部褥垫远端靠溜较紧，远端靠溜也即为丁坝靠溜。

　　褥垫沉排坝的这种靠溜特点目前只在枣树沟工程存在；保合寨18～23坝尚没有靠过河；马渡94坝只是单坝沉排，其相邻丁坝都没有沉排护底，故而也没有明显的靠溜不紧现象。

　　排体进占坝虽然也有管袋排体护底，但其宽度仅有8m，范围相对较小，没有明显的靠溜不紧现象。

3 长管袋结构坝出险特点

3.1 建成初期出险少

　　截止2003年9月20日，郑州黄河长管袋结构坝的建成时间、靠溜几率、出险情况见表1。

　　浅基修做的传统结构坝，一靠河即大小险情接连不断，单坝出险数十次、抛石4000～5000m3后才逐步趋于稳定，和长管袋实验坝同期修建的郑州黄河保合寨控导39～41坝、赵口控导1～8坝都是这种情况。

　　郑州黄河长管袋结构坝在近年的运用中，大部分靠河良好，的确出险少，这一方面的效果是明显的，和同期修建的保合寨控导39～41坝、赵口控导1～8坝等传统结构坝形成了鲜明的对照。不仅枣树沟工程的褥垫沉排坝具有出险少的特点，桃花峪工程、马渡下延工程的排体进占坝也明显的出险少。

3.2 坝前水势平稳、猛墩猛蛰

　　长管袋结构坝近年来虽然出险少，但还是出现了一些险情，如枣树沟工程1坝、14坝、16坝、17坝，桃花峪工程15坝等，其出险特点及对抢护的要求与传统结构坝有很大的不同。

　　褥垫沉排坝出险时坝前水势很平稳、没有明显的靠溜迹象，如枣树沟工程14坝（图5、图6）、15坝（图7）、16坝、17坝、18坝（图8）；褥垫沉排坝在坝前水势平稳的情况下，不仅坝头、上跨、迎水面较前部位出险，而且迎水面较后部位也有较大的墩蛰险情出现，如枣树沟工程14坝；排体进占坝出险时坝前水势一般也不险恶，远劣于传统结构坝出险，如桃花峪工程15坝（图9）。

　　无论是褥垫沉排坝还是排体进占坝，其出险的方式大都是猛墩猛蛰式的，没有明显的出险征兆，一出险就相对较大，往往土胎裸露，但也往往相对稳定。

　　这里讲的相对稳定是指险情不再继续快速发展，可以相对从容的进行抢护，但这也只是在近年小水作用下的情况。长管袋结构坝尚没有经过大水考验，在大水或险恶水流条件下猛墩猛蛰出险后未必就是相对稳定的，其土胎裸露，险情迅速发展并垮坝的威胁不仅存在、而且还比较大。

4 长管袋结构坝出险机理探讨

4.1 管袋布突然断裂破坏，发生猛墩猛蛰险情

　　水流在传统坝前只要淘刷河床就会形成冲刷坑，传统坝的根坦石就下蛰、坍塌而出险。

　　褥垫沉排坝出险与传统坝出险有着较大的不同。从表面上看，长管袋结构坝出险时坝前水势平稳、没有明显的靠溜迹象，但其出险是水流从其长管袋远端开始、较长时期作用的结果。

　　褥垫沉排坝的褥垫在水下经水流的较长时期作用，会在某些部位发生沉陷变形，而这些变形是不均匀的；褥垫沉排坝的褥垫排体由多个褥垫排体块组成，这些不均匀的变形极有可能造成褥垫块之间的搭接被破坏，某些薄弱部位的管袋布也有被撕裂的可能；于是水流就在这些裂口处开始淘刷，并不断发展；当水流开始在袋下淘刷时，由于长管袋褥垫排体有一定的抗冲能力和强度，所以在水面上并不立即表现为工程出险；等冲刷坑发展到相当程度，长管袋褥垫排体下部被淘空，承担不了其上部根坦石的压荷时，突然发生断裂破坏，此时在水面上就表现为工程的猛墩猛蛰出险，且墩蛰体积往往较大。

4.2 褥垫块整体滑动，发生较大或重大险情

　　褥垫沉排坝的各个管袋由泥浆充填，然后水由管袋布排出，沙粒则留在管袋里。这样的管袋布表面就布满了微细的沙粒，这样的微细颗粒表层在水下起到了润滑的作用。可以说，充沙长管袋在水下是比较光滑的，褥垫块之间的搭接是比较软弱的（图10）。

　　褥垫沉排坝在水流的长期作用下，褥垫排体不均匀的变形造成褥垫块之间的搭接被破坏，由比较光滑的长管袋组成的褥垫块存在着整体滑动的可能，尤其是下跨角部位的褥垫块更容易向下游、向主河槽方向滑动，褥垫块滑动造成的出险往往就是较大或重大险情。2003年9月10日枣树沟14坝整个坝头墩蛰入水以及2003年10月21日下午枣树沟工程18坝坝头墩蛰入水很可能就是这种情况。

4.3 排体进占坝存在设计缺陷

　　排体进占坝和褥垫沉排坝的设计初衷有着本质的不同，褥垫沉排坝的设计意图是不抢险结构坝，而排体进占坝仅是利用长管袋进占技术代替传统的埽体进占，不是不抢险结构坝。从这个角度讲，排体进占坝出险是正常的、无可厚非的。

　　但是，排体进占坝在设计上存在缺陷，其不应在根石底部设置长管袋，甚至在根石坡脚外设置数米宽的长管袋排体；这样设计的初衷是想让长管袋起到一定的保护坝体的作用，达到一定程度少出险、出小险的目的；然而正是由于这样的长管袋排体的存在，才导致了猛墩猛蛰类险情的出现。

　　由于排体进占坝根石坡脚外8m宽的长管袋排体有一定的抗冲能力和强度，水流在袋下开始淘刷时，在水面上并不表现为工程出险，而是等到冲刷坑发展到相当程度，长管袋排体下部被淘空，承担不了其上部根坦石的压荷时，突然断裂破坏，此时在水面上就表现为工程的猛墩猛蛰出险，且墩蛰体积往往较大。

　　排体进占坝和褥垫沉排坝的根坦石都座落在长管袋上，两者的出险特点和机理相类同。

4.4 长管袋褥垫排体遭破坏的其它原因

　　褥垫沉排坝出险的原因在于褥垫排体遭到破坏，褥垫排体之所以被破坏还可能有以下五个方面的原因：①长管袋充填饱和度不当、接缝缝合不紧、沉排铺设不到位等施工质量问题；②长管袋遭根石探测破坏、挂破等人为破坏；③丁坝根石直接座落在长管袋上，造成土工布的自然破坏；④长管袋自身长度、宽度及搭接是否合理，土工布质量是否合乎要求等；⑤长管袋充饱后土工布性能是否降低等深层的因素。

5 长管袋结构坝给巡坝查险、预防出险造成困难

　　长管袋结构坝出险具有较强的突发性，但也不应是所有的险情发生前都毫无征兆，其前兆应该是根坦石慢蛰、坡度变陡、坝面出现裂缝甚至沉陷等，只是这些征兆往往不太明显，需要巡坝查险人员认真巡查、仔细判别。

　　这就要求各单位加强对一线守险、查险人员的职业责任教育和查险、报险专业知识教育，使他们不仅做到对各种工程险情的早发现、早报告，还要做到对坝面裂缝、根坦石慢蛰等出险前兆的早发现、早报告，尤其是对长管袋试验坝更要如此。

　　长管袋结构坝的猛墩猛蛰出险方式还给巡坝查险等活动带来了安全隐忧，当长管袋下部被淘空、将断而尚未断裂时，如果有人员及机械设备等到坝边活动，不排除突然墩蛰出险、塌入河中的可能性。故而当出现根坦石慢蛰、坡度变陡、坝面出现裂缝甚至沉陷等出险前兆时，到坝上活动要格外注意安全。

　　传统坝靠溜较紧、根石坡度变陡时，我们通过加固根石来预防出险，变出险后的被动抢险为出险前的主动加固。而发现长管袋结构坝出现根坦石慢蛰、坡度变陡、坝面出现裂缝甚至沉陷等出险前兆时，加固根石断不可行，我们很难采取具体的措施来预防其出险。

6 中长期问题多

　　由于小浪底清水下泄，河床刷深，目前枣树沟工程的长管袋褥垫大部分裸露，要不了多少时日，管袋布将失去强度。届时，该结构坝型将一如浅基传统结构坝。

　　土工布长管袋纵然不裸露，其长期在水下也有个老化、被破坏的问题。

　　由此是否可以说，现有的褥垫沉排坝并没有减少险情，只是把工程出险的时间推迟了，出险的间隔拉大了，把传统坝小险、多出、紧抢的局面变成了猛墩、少出、缓抢的局面。在工程运行的中长期，随着长管袋褥垫的日益破坏，其出险将会加剧，出险特点也将越来越接近于传统坝。

　　可以预期，目前的郑州黄河长管袋结构坝的最终稳定也将是和传统坝一样，通过足够多的抛石抢险来达到稳定的深度。

7 补救建议

　　为了避免长管袋结构坝在大水或险恶水流条件下猛墩猛蛰出险、土胎裸露，险情迅速发展并垮坝，建议进行加固处理，即对现有的各个该结构坝设置类似于险工工程的根石台，如图11。根石台的宽度应超过一般出险宽度，可设置4m左右；台顶高程可按低于坝顶高程2m左右来考虑；根石台外坡同坦石外坡，取1∶1.5。这样使得初期的墩蛰出险在根石台上进行，等到出险特点接近于传统坝时，可以将根石台取消。

　　给长管袋结构坝设置上述根石台，排体进占坝单坝耗石约在3000～5000m3，褥垫沉排坝由于褥垫较高，可适当抬高根石台高程，单坝耗石约在2000～3000m3。这样设置虽然耗石量较大，但绝大部分都是长远有效耗石，应该是可行的。

8 需进一步研究的问题

　　长管袋坝还存在着一些专业问题需要进行系统、深入、细致的研究分析，主要内容为：

（1）水下充沙长管袋表面与坝基、河床之间的摩擦以及管袋自身之间的摩擦研究：①褥垫块是否会发生整体沿河床滑动，解释其滑动的条件与机理；②长管袋在坝体内的锚固长度是否满足要求，应如何进行锚固等；③褥垫块之间的搭接是否满足要求，应如何搭接等。

（2）长管袋在水下的耐久性及强度研究：①管袋充饱后管袋布性能是否降低，长管袋在水下的充填饱和度与长管袋强度之间有无关系，如何相关等；②管袋布长期在水下强度是否会降低、以及如何降低等；③管袋布接缝缝合是否满足要求、应如何进行缝合等；④管袋布应满足何种质量要求，长管袋自身长度、宽度如何合理选择等；⑤长管袋褥垫排体下部被淘空时，是否会在上部压荷的作用下突然发生断裂破坏，应如何防止等。

（3）水流在沉排体前端的冲刷坑研究：①各种水流条件下沉排体前端冲刷坑的形成状况及其冲刷机理，找出最不利的状况；②水流在沉排体前端形成冲刷坑与在传统坝前形成冲刷坑的异同点；③沉排体前端的冲刷坑是否会发展到坝体坦石以下部位；④针对水流在沉排体前端形成冲刷坑的特点，沉排坝的设计应如何优化改进等。

（4）长管袋褥垫沉排改进研究：和土工布有关厂家合作，提高土工布的强度和耐久性，同时改进长管袋褥垫沉排的缝制方法及褥垫块布局，避免长管袋断裂破坏、褥垫块搭接破坏以及褥垫块整体滑动等问题，提出基于不抢险坝要求的长管袋褥垫沉排坝经改进后的新的结构型式。

（5）长管袋褥垫沉排坝施工工艺研究：对基于不抢险坝要求的长管袋褥垫沉排坝经改进后的新的结构型式展开施工关键技术研究，找出切实可行的施工工艺和方法，确保施工质量，为经改进后的长管袋褥垫沉排坝的继续实验打下坚实的基础。

9 对褥垫沉排坝的改进建议

（1）提高管袋布的强度和耐久性，杜绝长管袋断裂破坏；

（2）将长管袋褥垫沉排做成一个整体，避免褥垫块之间的搭接；

（3）长管袋褥垫在坝体内端用立桩锚固，杜绝褥垫排体的滑动破坏；

（4）进行施工关键技术专项研究，确保施工质量，力求满足不抢险坝的要求。

10 结语

　　长管袋结构坝的实验时日尚短，还有待于今后长期的实践检验，逐步改进完善。

　　利用黄河泥沙资源充填土工布长管袋做坝，无异是黄河下游做坝技术的一大进步。用长管袋进占代替传统埽工进占在溜势较缓的情况下是简捷可行的、经济的，应予推广，其占体位置应同传统埽工占体，丁坝根石不应坐落在长管袋上。

　　近期长管袋结构坝所表现出的不足既有坝型设计本身的缺陷，也应该有施工质量等方面的原因，今后该坝型的继续实验应在重大改进后进行。

本文仅是对郑州黄河长管袋结构坝近年来的运用状况做了一些粗浅的分析，还有许多问题有待于今后进一步深入、细致的研究。