組合式金屬防洪擋板研究進展

秦英泉，鄧 飛，呂中榮，徐丹麗，劉祚秋

（1.中山大學 航空航天學院，廣東 深圳 510006；2.廣東水利水電技術中心，廣州 510635）

根據 《2020 年全國水利發展統計公報》［1］，截至2020 年底，全國已建成5 級及以上江河堤防32.8 萬km，累計達標堤防24.0 萬km，堤防達標率為73.0%，其中1 級、2 級達標堤防長度為3.7 萬km，達標率為83.1%。在高堤防達標率的情況下，2020 年全國洪澇災害直接經濟損失仍高達2669.8 億元，占當年GPD 的0.26%。安徽、四川、湖北、江西、重慶、湖南、甘肅等省（直轄市）受災較重,為減輕洪水災害，仍需進一步研究更有效率的防洪擋板。

為解決城市防洪安全需與人們在水面岸上雙向風景觀賞、居民親水性需求之間的矛盾，對組合式金屬防洪擋板的應用研究逐漸成為熱點，且對如何在雨季落實防洪措施、提高防洪能力的研究顯得尤為重要。為此，聚焦于國內組合式金屬防洪擋板的使用狀況，以及國內外組合式金屬防洪擋板的研究進展。

組合式防洪擋板是一種高效安全的防洪設備，最早由德國的蒂森克虜伯城市基礎建設公司研制并應用，國際上第一套組合式防洪擋板在1984 年安裝于德國的科隆市。2002 年歐洲持續的暴雨天氣引發特大洪水，為應對洪水災害，捷克的布拉格、英國的比尤德利、多瑙河畔的奧地利等城市也相繼開始大規模使用這種組合式防洪擋板，到如今組合式防洪擋板已在歐洲廣泛使用。

1 國內外研究現狀

1.1 國內防洪墻的應用類型

沙袋是防洪中最常見的應急防洪措施，仍在全球范圍內的防洪現場被作為應急系統使用。沙袋防洪系統可在無專業技術人員指揮的情況下進行建立，其安裝方便靈活且快捷，可根據當地環境地形進行因地制宜的安裝，能在洪水發生時立刻安裝［2］。但沙袋防洪系統對內裝的沙子及袋子的材料有要求，且由于沙袋必須組裝城墻體才有一定防洪能力，因此對沙袋的運輸效率也有要求，沙袋防洪系統安裝成功后的抗水壓的強度不高，且易失穩，由于沙袋系統經常用于應急抗洪，通常需要人力進行安裝，在防洪時的安全程度也不足。

綠籬防洪墻目前在國內應用較少，在蚌埠市城市圈堤［3］也有應用，其在防洪擋水的同時也是城區河道沿線的一道靚麗的風景線，生態效果好且工程造價便宜，缺點是需長時間維護，且堤身加高到一定高度時，受風浪壓力及凍脹的影響明顯加強，墻體傾斜可能加大，同時綠籬本身也有人為破壞的可能。撫順市清原縣城段、沈陽市渾河南堤［4］(左堤)也有應用。

空箱式防洪墻能與土堤或混凝土防洪墻緊密連接，兩者之間可用一定厚度的止水材料填充。這類防洪墻能將防洪與商用結合為一體，發揮堤防的多功能效益［5］。但在加高培厚時，需開挖老堤身、清除已建成的生態帶。張晚祺等［6］專業人員研究在管道穿堤防洪補救中箱式防洪墻的應用。在瀾溪老街中也使用過一種空箱式鋼筋混凝土防洪墻［7］。

混凝土防洪墻是一種輕型的支擋構筑物，這種防洪墻的抗滑，抗傾覆能力取決于墻體自身的重量及填筑土體的重力效應，混凝土通常采用鋼筋混凝土使得防洪墻厚度減小自重減輕，滿足地基承載力較低的地形防洪要求，混凝土防洪墻防洪性能好、結構穩定，通常用于石料缺乏，地基承載力不足或經常發生地震的地區［8］。但其造價過高且鋼筋混凝土防洪墻對現有的城市景觀有一定的破壞且占地面積大，生態性能一般，難以協調防洪安全與城市建設的需求［9］。

漿砌石防洪墻為重力式結構，依靠墻體自身的重量壓實土壤以提供支撐力保持穩定，漿砌石防洪墻結構穩固，搭建簡單，材料的選擇也多樣且豐富。由于此類防洪墻依靠墻體的重力支撐，其對地基的承載力要求較高，施工的工程量較大質量難以控制，且施工工藝對生態環境會造成一定影響［8］。材料的沉降、凍脹問題較為明顯。

還有各式的傳統防洪子堤，有的直接使用鋼材焊接成子堤框架，把防水面板用螺栓固定，然后把防滲膠布鋪設在面板上，這類防洪墻原材料笨重，運輸不便，且易腐蝕，施工繁瑣也會給抗洪搶險工作的開展帶來不利影響。還可利用景觀將堆坡塑型對堤防進行加高，制造出對防洪有優勢的地形［10］。晏利軍對位于湖南省長沙市月亮島的防洪情況進行分析［11］，研究護欄式防洪墻在月亮島的應用，研究表明該型護欄式防洪墻既滿足月亮島汛期的防洪需要，同時兼顧在非汛期對行人的保護作用，這類防洪墻止水效果好，重量輕，可重復使用。肖和華等［12］對位于長沙的1071 防洪墻工程進行研究，應用一款鋼筋混凝土扶壁式防洪墻。

1.2 組合式金屬防洪墻參數

通過以上研究分析，傳統的防洪墻存在一定缺陷，發展新型防洪墻，尤其是組合式金屬防洪擋板，正逐漸成為目前防洪的重要方式方法。

組合式金屬防洪墻由如下部分組成［13］：組合式金屬防洪擋板防洪墻由立柱、預埋件、鎖定裝置、水封組成，在不同工況下還會加入斜撐。

組合式金屬擋板具備安裝簡單、結構穩定可拆卸可調節、安全可靠強度高、質量輕、運輸存放方便等特點，且材料一般選擇耐腐蝕的可循環利用材料，因此其循環利用率高。且該類金屬擋板安裝時安全度高，建設工期短，滿足突發洪水的應急需求。防洪墻成型時占地面積可控，且能夠在有限的工作面進行安裝，符合城市水生態的剛性需求。安裝成功后不會破壞原有的林木與建筑，滿足多功能防洪墻的發展需求。防洪墻能與已建成的堤防相結合，在滿足防水要求的情況下，能有效解決現有堤防防洪高程不足的問題，可用于提高已有防洪子堤的強度。

1.3 組合式金屬防洪墻應用類型及研究現狀

根據以上特點，該組合式金屬防洪擋板可應用于多種場景，如河道堤岸、建筑物及堤防開口、城市街道等防洪場合。對工廠小區、地下車庫及其他重要建筑也具備良好的防洪能力。

防洪擋板的主要型式有整版、橫板、豎版式，按材質分主要有鋁合金、鋼材等［14］。國內研究人員根據實際情況，因地制宜地選擇更適合當地使用的組合式金屬防洪擋板。

在安徽省銅陵市［7］運用了一種可拆卸式移動防洪墻，嚴冬青也以金華江作為防洪實例，研究可拆卸式移動防洪墻的應用條件［15］。

在姚江、上海等城市運用的通透式玻璃防洪墻［16］，該型防洪墻是在原有的混凝土堤上，通過混凝土堤上帶有的卡槽用鋼柱連接在一起完成安裝，而玻璃式是指使用高強度的鋼化夾膠玻璃，防洪的同時能突破視覺效果、這類防洪墻安裝便捷，對汛期預警時間要求較低，防洪效果好，滿足防洪與城市景觀的相協調要求。然而該型玻璃防洪墻不可拆卸且易破損，常用玻璃的力學性能較差，在長期使用的情況下若無專人維護，還會在玻璃上黏著污染物，影響視覺效果的同時也會影響防洪質量［2］。

活動鋼閘板防洪墻［16］，由底座、鋼架、擋水板、支撐件及橡膠止水條等組成［10］。成型防洪墻占地面積小，有利于防汛物資運輸和人員通行，在哈爾濱中也有使用樁基活動鋼板防洪墻作為防洪系統的例子［17-18］。孟祥光也提出一種新型的懸掛式鋼板活動防洪堤［19］。但活動鋼閘板量大，制造、安裝技術要求較高，節點多，節間止水不易；需要較大的有起吊設備的倉庫保管閘板，維修保養工作量大，不利于再提高標準。

快速裝配式擋水墻，是一種專門用于城市的防洪墻，其由單元模板拼接而成，安裝迅速、操作簡單、拆裝方便，且防洪效果好，而且拆卸下來的單元模板運輸與儲存方便，可重復利用，緊急情況下擋水板還能拆下來作為車輛通道使用，因此在城市街道、地下通道口、建筑物等低洼處具有廣闊的應用前景。自此產品研制出來后，已在武漢、廈門、廊坊等城市的防洪搶險工作中得到應用。龔朝暉針對湘江東岸的情況，對鋁合金裝配式防洪墻進行研究，驗證該型防洪墻 的 設 計 合 理 性［20］。2005 年，劉 加 海 等［21］還 提 出 裝配式鋼閘板組合防洪墻。伍俊等［22］研制出一種裝配式的玻璃鋼桐木夾層防洪墻，將多種材料結合起來，提高防洪墻的力學性能。但這種防洪墻安裝時只能設置成直線排布，無法滿足施工現場根據地理條件進行靈活安裝的需求。

插接式防洪子堤，早年在國外提出的一種堤防加高方法，主要部件為立柱和擋板，立柱為整個系統的支撐結構，通過與預埋件建立連接，達到承受荷載的效果。這種防洪擋水墻治水效率高，且可因地制宜治水［8］。這類防洪子堤造價低廉，材料綠色環保。在沒有洪水期間還可拆卸部分或全部擋板以還原河道視野，而在汛期來臨時安裝也較為便利，通過吊車、拖車等可迅速完成防洪墻的安裝，在天津市防洪中使用該型防洪墻［23］，張德斌等［24］以合肥市為代表，研究該型防洪設施在城市防洪工程中的實踐，陳鶴棟等［25］對該型防洪墻的施工工藝進行論述。但工程造價過高限制其泛用性，且對汛期預警時間有一定要求。

在研究組合式金屬防洪擋板類型的同時，也有人在研究如何更高效安全可靠的使用組合式金屬擋板，對組合式金屬擋板的各項參數進行研究對比，以尋找更適用的擋板類型。

汪倫焰等［26］對移動防洪系統的應急安裝流程進行分析研究。丁澤霖等應用響應面法及改進的遺傳算法［27-28］對移動式防洪擋板進行一個優化分析，也提出一種基于城市地下空間進出的新型移動防洪墻［29］。王忠權［30］、吳軍君［31］、倪立建等［32］研究移動式防洪墻防水性能，對其擋水變形情況進行討論。郭磊等［33］以IBS 移動式防洪墻為例，對移動式防洪墻的力學性能及滲漏特性進行研究。扎西卓瑪［34］對IBS 移動式防洪墻的關鍵技術進行仿真優化。姚明星等［35］研究移動式防洪墻主要構件的承載力計算方式。陳梁擎等［36］對防洪擋板的抗沖擊能力進行研究，從理論分析入手，通過仿真的方式對擋板的物理沖擊情況進行分析。李建習等［37］針對防洪擋板多用于鹽水環境的使用現狀，對常用的防洪擋板材料進行耐腐蝕性能研究。雷冬等［38］針對不同擋水高度的鋁合金移動式防洪墻進行整體力學性能的分析。

國外也有一批研究人員對組合式防洪系統使用條件及如何更高效地使用該型防洪系統進行研究。Ivan Ma?ín［39］討論在防洪系統中實現動態化增強系統參數的方法，并給予專利示例。Velychko 等［40］對如何確定在強烈山洪條件下城市地區防洪的最佳移動結構進行綜述。Liem 等［41］為避免傳播的洪水波對人類的危害，需對墻構件尺寸進行設置，通過分析傳播波內的作用力與水位的數據，得出防洪擋板所需面積。Koppe 等［42］給出移動防洪系統的應用 系 統 化的 機 會 和 缺 點。Krueger Marc 等［43］對 移 動防洪系統進行比較與檢驗。István［44］針對匈牙利的洪水情況，提出移動式防洪墻的防洪方案，并對其研究，以確定其可實現與可持續。Malerova 等［45］針對摩爾多瓦的洪水問題，探討在該地區使用移動防洪墻的可能性。

1.4 組合式金屬防洪擋板設計基本理論及施工要求

組合式金屬擋板的工作原理［26］：在有洪水災害的地段預先建成帶有預埋件的基座，洪水到來時，在預埋件上安裝好立柱，再在立柱之間安裝好金屬防洪擋板及止水材料，洪水到來時水進入中空的擋板，增加防洪擋板的自重，并通過立柱下壓杠桿來迫緊裝置產生下壓力，利用下壓力壓緊防洪擋板，同時洪水對防洪擋板的橫向側壓沖擊力，使防洪擋板的防水材料之間及底部防洪擋板與地面之間壓緊，防洪擋板的表面與固定邊柱、中立柱相互壓緊，從而起到密封防水的效果［31］。

組合式金屬防洪擋板的安裝施工要求快速完成安裝并在安裝現場留有適當的安裝通道。在安裝施工前應對要安裝產品進行質量檢查，確保表面沒有破損及裂紋等缺陷。防洪擋板安裝之前應對安裝現場及預埋件保護螺栓等進行清理。安裝結束應對現場進行逐項檢查，確保緊固與密封情況良好。根據防洪需求，組合式金屬防洪擋板宜用作防洪加高應急搶險，洪水過后按順序拆卸擋板與立柱并回收、清理，擋板應干燥，存放于倉庫中，以備再次使用。

2 國內組合式防洪墻使用狀況

2.1 國內組合式防洪墻使用地點

近年來，我國浙江、山東、安徽等省也將防洪擋板作為一項新技術逐漸應用在防洪工程中。目前各地已安裝的水利防洪工程防洪擋板基本用于江河堤防、局部交通閘口等工程或場所，防洪擋板技術在我國也逐步開始運用。2002 年哈爾濱市主城區安裝鋼質防洪擋板，是國內最早應用防洪擋板的城市。由于鋼質防洪擋板較重，現發展為鋁合金材質，便于施工安裝。水利工程中北江大堤西南水閘、廣州中心城區珠江兩岸堤防防洪提升工程已安裝防洪擋板，清遠潖江蓄滯洪區建設與管理工程防洪擋板設計方案已批復，準備實施。各地已安裝的水利防洪工程防洪擋板多數安裝于非頂沖堤段堤頂，已運行時間最長僅數年，大多未擋過水，少量擋過水的擋水高度也較小；用于日常交通的堤防旱閘閘口擋水較普遍，暫未出現嚴重滲漏現象和安全問題。

還有如下地區也使用的組合式金屬擋板，如圖1，武漢市漢江流通巷段防洪擋板218 m×2 m，于2016年10 月建成；如圖2，長江月亮灣堤段防洪擋板848 m×2.3 m，于2019 年7 月 建成。上述兩段防洪擋板作用是防浪，迄今未出現過擋水或擋浪工況。

圖1 武漢市漢江流通巷段防洪擋板［46］

圖2 長江月亮灣段防洪擋板

北江大堤西南水閘北江側防洪擋板70m×2m；西南涌側防洪擋板71 m×2 m，于2017 年3 月 建成，如圖3，用作檢修圍堰臨時擋水。2016 年 12月15 日至2017年3 月15 日，閘后西南涌側防洪擋板擋水約3 個月，最高擋水1.8 m，有滲漏，但不嚴重。

圖3 西南水閘西南涌側防洪擋板

2.2 國內組合式防洪墻使用問題

盡管組合式金屬防洪擋板存在大量優勢，但要在防洪工程中投入大規模使用則仍需對以下問題進行進一步探討：

2.2.1 生產防洪擋板的廠家良莠不齊

有的廠家有理論研究、科學試驗、設計制造、施工安裝及運維的一整套較完備的產業體系，產品較保守；有的廠家規模小，缺乏專業的人才隊伍和理論支撐，產品相對單薄。該型產品的生產廠家尚未發展出成熟的產業鏈。在此基礎上，防洪擋板單價差別也大，在廣東、湖北、湖南等地都有廠家生產，相同擋水高度或相似的運用工況，其用材和價格均相差較大。

2.2.2 在使用防洪擋板時缺乏規范，設計和審批依據不足

目前與防洪擋板有關的規范僅有中國水利學會發布的團體標準《組合式金屬防洪擋板技術規范》［13］，其他可依據和參考的規范主要是金屬原材料規范和水工閘門規范等。目前設計制造主要靠實踐經驗或引進國外技術，或參照金屬結構有關規范自主研發，部分廠家還與高校合作進行理論研究和產品質量檢測測試等。由于設計制造缺乏規范性指導，產品差異性較大，部分廠家的質量難以保證。相對于傳統堤防，防洪擋板應用實例偏少，由于事關人民生命財產安全，審批單位對防洪擋板的應用比較慎重，批準的多用于堤防防浪、臨時工程及閘口。

2.2.3 防洪擋板安裝使用缺乏經驗

防洪擋板平時放入倉庫，洪水來臨時需快速安裝，安裝需一定時間、人員和專門工具。對于洪水水位變幅大或水位暴漲暴落的山區河流，對洪水汛期預警、安裝指揮決策、應急動員、安裝速度等有很大壓力。根據技術規范要求［13］，防洪擋板設計應考慮漂浮物撞擊。根據不同水域的使用，防洪擋板受到漂浮物撞擊也不同，因此對防洪擋板的使用選擇仍有研究空間。而且目前對防洪擋板長期承受洪水水壓、超標準洪水漫頂、漲水及退水過程的理論和實踐尚無深入的研究和總結，還不清楚防洪擋板的破壞機理、垮塌形式，不當使用還存在垮塌風險。

3 結論與展望

本文整理了國內外組合式金屬擋板的使用及研究現狀，許多業界人士依結構、材料的不同提出多種移動式防洪墻，結合多個移動式防洪墻特點，分析得出如下結論：組合式金屬防洪墻相比傳統防洪墻而言，具備安裝簡單安全、結構穩定、可拆卸可調節、擋水性能好、強度高、質量輕、運輸存放方便、循環利用率高等優點。且具備建設工期短，滿足突發洪水的應急需求，成型后占地面積可控，能夠在有限工作面上安裝，符合城市水生態的剛性需求。安裝成功后不會破壞原有林木與建筑，不影響旅游業的發展，滿足多功能防洪墻的發展需求。防洪墻能與已建成的堤防相結合，在滿足防水要求的情況下，能有效解決現有堤防防洪高程不足的問題，可用于提高已有防洪子堤的防洪強度。但移動式防洪墻的使用目前仍有許多問題可繼續研究，因此，根據當地水文狀況，研究并選擇適合的移動式防洪系統變得尤為重要。

基于以上研究，對未來的研究進行展望：

（1）由于移動防洪墻的安裝需要專業人士指導，在移動防洪墻使用過程中，對汛期預警要求較高，因此研發出一套適用于大多數水文情況的應急型移動防洪墻，可使工作人員在缺乏專業人員指導下也能完成應急安裝。

（2）由于各地水文情況不同，移動式防洪墻對由不同漂浮物的撞擊導致的破壞機理及坍塌形式尚有研究空間。

（3）對組合式防洪擋板的漲潮、退潮的研究尚不充分，其組合式擋板模式對洪水的退潮沖擊研究尚不充分，需對這種沖擊類型進行進一步研究。