泄洪建筑物下游防護(hù)工程基礎(chǔ)修復(fù)措施探討

牛文娟

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

泄水建筑物常用于水利工程施工期導(dǎo)流、運(yùn)行期泄洪，是水利水電工程重要的組成部分。但由于泄水建筑物及下游防護(hù)工程經(jīng)常受到高速水流的沖刷作用，造成河床、護(hù)坦及護(hù)岸等結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，甚至影響壩體結(jié)構(gòu)安全。李婧、楊欣研究并分析了進(jìn)水口、渡槽以及各類消能工沖刷破壞的防治措施，泄水建筑物滲漏破壞的防治措施，重點(diǎn)均以預(yù)防為主[1- 2]。蔣煌斌等人針對(duì)泄水建筑物沖刷破壞部位，研制了4種組合修復(fù)材料，通過試驗(yàn)以及實(shí)際工程驗(yàn)證，膠結(jié)提質(zhì)材料具有良好的浸滲能力[3]。耿冰冰研究了泄水建筑物空蝕破壞以及沖刷破壞機(jī)理，并提出了防治措施[4]。普羅沃羅娃對(duì)泄水建筑下游消力池進(jìn)行了局部沖刷計(jì)算，提出了最優(yōu)的計(jì)算方法和計(jì)算公式[5]。目前，對(duì)于泄水建筑物下游防沖的研究多集中于沖刷計(jì)算、有限元分析以及預(yù)防措施方面，針對(duì)沖刷破壞后的修復(fù)措施卻研究甚少。本文結(jié)合新疆某水庫下游防護(hù)工程沖刷破壞后的實(shí)際情況，采取永臨結(jié)合的修復(fù)措施，提高建筑物防沖能力及穩(wěn)定性。

2 沖刷破壞情況與應(yīng)急加固措施

2.1 沖刷破壞情況

某水庫壩址以上的河流水系形態(tài)為羽狀水系，流域形狀為橢圓形，當(dāng)降雨天氣沿著壩址以上流域的長軸方向自東向西移動(dòng)過境且雨區(qū)面積較大時(shí)，受支流洪水匯入水庫時(shí)間差的影響，極易形成陡漲緩落復(fù)波疊加的洪水過程形態(tài)。同時(shí)該流域內(nèi)地表植被稀少，上游山區(qū)裸露陡峭，基本無植被覆蓋，地面多為礫石戈壁，最終形成含泥量高、沖擊力強(qiáng)的暴雨型洪水。該水庫首次度汛運(yùn)行時(shí)，泄洪系統(tǒng)下游河道整治段河床出現(xiàn)洪水沖刷現(xiàn)象。首次度汛行洪情況如圖1所示，洪水消退后暴露的下游防護(hù)工程基礎(chǔ)沖刷破壞情況如圖2所示。由圖1和圖2可知，首次度汛運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)流底孔側(cè)護(hù)坦、護(hù)岸邊墻等部位基礎(chǔ)因洪水沖刷淘蝕而發(fā)生脫空破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性，在正常運(yùn)行尤其是再次行洪時(shí)很容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，若不及時(shí)修復(fù)甚至可能危及大壩整體穩(wěn)定。尤其是二次洪峰來臨時(shí)差僅有3～5d，這種情況使得及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急修復(fù)更為迫切。

2.2 應(yīng)急修復(fù)

考慮二次洪峰來臨時(shí)差僅有3～5d，應(yīng)急處理加固方案必須考慮如下原則：力求施工便捷、迅速；盡量利用現(xiàn)有防洪儲(chǔ)備物資，以及當(dāng)?shù)夭牧希槐M可能地達(dá)到永臨措施良好地結(jié)合，從而減少工程投資，并保證工程持久安全運(yùn)行[6]。由于本工程具有灌溉、防洪綜合利用任務(wù)，故工程運(yùn)管單位對(duì)防洪預(yù)案及防洪物資是有一定的儲(chǔ)備，主要是鉛絲石籠成品網(wǎng)、鋼筋、水泥、沙袋等，但儲(chǔ)量有限，無法滿足工程現(xiàn)在的需求。河床下游10km范圍內(nèi)雖有一定儲(chǔ)量的粒徑大于200mm的石塊，但需要人工篩檢和機(jī)械裝運(yùn)一同協(xié)作。工程區(qū)所處縣鎮(zhèn)常用主材均需外運(yùn)，運(yùn)距150km。該縣鎮(zhèn)常住總?cè)丝诩s為2000人，對(duì)應(yīng)急加固工程帶來了極大的挑戰(zhàn)。

原參建各方和上級(jí)主管部門對(duì)沖刷現(xiàn)場進(jìn)一步踏勘并進(jìn)行了會(huì)議研判，及時(shí)確定了應(yīng)急加固方案。利用有限的5d時(shí)間，針對(duì)出現(xiàn)的沖刷部分采取了如下的應(yīng)急加固處理措施。

(1)沿右側(cè)擋墻外側(cè)90m與海漫末端下游使用鉛絲石籠回填，鉛絲石籠回填頂部寬5m，兩側(cè)邊坡1∶1。鉛絲石籠回填完成后，在鉛絲石籠表面緊貼擋墻墻趾和下游護(hù)坦擺放一排鋼筋石籠，每四個(gè)鋼筋石籠之間通過連接筋焊接成整體。鉛絲石籠平面圖如圖3所示，鉛絲石籠結(jié)構(gòu)如圖4所示。鋼筋石籠尺寸1.5m×0.75m×0.75m，外框采用D=25mm鋼筋焊接，每一面的內(nèi)格柵采用D=14mm鋼筋焊接，格柵鋼筋間排距15cm.籠內(nèi)石塊粒徑大于20cm，鋼筋籠裝滿后，頂蓋現(xiàn)場焊接，頂蓋外框和內(nèi)甘山都采用D=14mm鋼筋焊接。單個(gè)鋼筋龍鋼筋重量128kg，鏈接鋼筋籠采用直徑16mm鋼筋連接，連接筋間距30cm。

圖3 鉛絲石籠平面圖

圖4 鉛絲石籠結(jié)構(gòu)圖

(2)護(hù)坦末端左側(cè)裹頭鋪設(shè)鉛絲石籠，厚1m，寬3m。

(3)對(duì)于鉛絲籠以外的消力池出口沖坑，設(shè)置軟護(hù)坦，軟護(hù)坦長度40m，寬度同護(hù)坦末端寬度，軟護(hù)坦分為兩側(cè)，底部回填粒徑≥20cm的塊石或卵石，表面回填1m厚鉛絲石籠。軟護(hù)坦施工時(shí)，應(yīng)先將砂礫石回填的臨時(shí)道路清除。

(4)護(hù)坦末端已經(jīng)放置的鋼筋石籠后部再鋪設(shè)一層鉛絲石籠，寬度2m。鋼筋石籠下游鋪設(shè)鉛絲石籠示意圖如圖5所示。

圖5 鋼筋石籠下游鋪設(shè)鉛絲石籠示意圖

搶抓水庫放空的時(shí)間，水庫應(yīng)急加固根據(jù)以上措施內(nèi)容，晝夜施工，完成了應(yīng)急加固方案確定的全部加固任務(wù)。應(yīng)急加固措施完工后現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 應(yīng)急加固措施完工后現(xiàn)場圖

3 永久加固措施

3.1 永久加固措施設(shè)計(jì)

根據(jù)下游河道整治段布置現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)狀度汛應(yīng)急加固處理措施，進(jìn)一步對(duì)下游河道整治段護(hù)坦、邊墻基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。并且充分利用現(xiàn)狀應(yīng)急度汛對(duì)下游河道護(hù)坦、邊墻基礎(chǔ)的臨時(shí)除險(xiǎn)加固措施，最終確定永久加固措施設(shè)計(jì)方案。

護(hù)坦末端、右側(cè)擋墻基礎(chǔ)部分均挖除表面砂礫石回填料，開挖深度至礫巖面。對(duì)應(yīng)急加固鉛絲石籠頂面和邊坡進(jìn)行規(guī)整，外層鉛絲石籠進(jìn)行沖洗，去除表面的淤泥。在靠近護(hù)坦一側(cè)底部沿基巖面向下槽挖，放置鉛絲石籠。對(duì)鉛絲石籠坡面設(shè)置插筋，之后進(jìn)行自密實(shí)混凝土灌漿。接著鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，最后澆筑護(hù)坡C20混凝土板，厚度0.3m，頂寬3.0，邊坡1∶1.5。原護(hù)坦和邊墻段基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 原護(hù)坦和邊墻段基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)剖面圖(單位：mm)

2020年3月施工單位進(jìn)場后首先進(jìn)行了第二部分消力池護(hù)坦、河道邊墻基礎(chǔ)加固土石方開挖和大橋防沖齒墻防沖網(wǎng)裝石鋪設(shè)施工。隨著護(hù)坦及邊墻基礎(chǔ)土石方開挖后揭露出的沖刷狀況，護(hù)坦及邊墻基礎(chǔ)下多處存在沖刷洞穴，洞中充填淤泥，洞口被防汛期間應(yīng)急加固時(shí)拋填的鉛絲石籠封堵，并且鉛絲石籠中及之間均充填不同程度淤泥。實(shí)施現(xiàn)場揭露實(shí)際情況如圖8所示。

圖8 永久加固措施現(xiàn)場揭露實(shí)際情況

分析發(fā)現(xiàn)在應(yīng)急加固拋填鉛絲石籠過程中水庫曾進(jìn)行了放空沖沙運(yùn)行，原設(shè)計(jì)確定的充分利用已有拋填鉛絲石籠作為加固體部分?jǐn)嗝?，通過拋石斷面修正、注漿及包裹鋼筋砼層組成的加固體斷面方案，對(duì)水庫排沙沖淤后的淤積影響考慮不足，現(xiàn)狀大量淤泥填充其中無法徹底清除，原設(shè)計(jì)加固斷面基本無法保證施工質(zhì)量，因此決定結(jié)合現(xiàn)狀對(duì)加固斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[7- 8]。結(jié)合現(xiàn)場開挖現(xiàn)狀反饋，專題小組綜合分析達(dá)成一致意見，對(duì)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。護(hù)坦和邊墻段基礎(chǔ)加固優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容為：①徹底挖除基礎(chǔ)沖坑中拋石及洞穴中淤泥；②探出基巖埋深，將防沖齒墻嵌入基巖面下1m；③采用自密實(shí)拋石砼重力式擋墻結(jié)構(gòu)加固護(hù)坦與邊墻基礎(chǔ)。護(hù)坦和邊墻段基礎(chǔ)加固優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 護(hù)坦和邊墻段基礎(chǔ)加固優(yōu)化設(shè)計(jì)剖面圖(單位：mm)

3.2 加固措施實(shí)施過程

(1)挖除基礎(chǔ)沖坑中拋石及洞穴中淤泥。首先采用機(jī)械大面挖除，之后及時(shí)做好相應(yīng)安全支撐措施，最后人工再采用高壓水槍沖洗篩除一遍，將浮土浮渣清除，至基巖面出露。挖除基礎(chǔ)沖坑中拋石及洞穴中淤泥現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 挖除基礎(chǔ)沖坑中拋石及洞穴中淤泥現(xiàn)場

(2)將防沖齒墻設(shè)計(jì)高程處基巖面向下深入1m，底寬保證大于2m，開挖邊坡控制1∶0.3。齒墻基礎(chǔ)開挖如圖11所示。

圖11 齒墻基礎(chǔ)開挖

(3)采用自密實(shí)拋石砼重力式擋墻結(jié)構(gòu)加固護(hù)坦與邊墻基礎(chǔ)。

自密實(shí)拋石混凝土中塊石粒徑要求在20～30cm范圍內(nèi)，拋石量控制在40%～50%。自密實(shí)混凝土的坍落度250～280mm、坍落擴(kuò)展度600～750mm以及V型漏斗通過時(shí)間4～20s，三項(xiàng)指標(biāo)須滿足以上范圍要求，否則不得入倉。自密實(shí)混凝土需設(shè)置外模，方可澆筑。模板可采用鋼模、木模等常態(tài)混凝土模板，其技術(shù)要求需參照相關(guān)國家規(guī)范執(zhí)行[9- 13]。模板由下至上分層砌筑，每層控制上升高度1.5～1.8m；混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa以上方可拆模。

永久加固后的加固體斷面結(jié)構(gòu)充分利用了應(yīng)急防汛加固時(shí)拋填的塊石，同時(shí)施工過程中嚴(yán)格控制基礎(chǔ)下洞穴的密實(shí)填充，不僅保證了加固體的施工質(zhì)量，并且提高了加固體結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度，減小了加固體斷面尺寸，節(jié)省了工程量及投資。

本次永久加固措施實(shí)施工期共3個(gè)月，趕在主汛來臨之前全部完工，具備過洪條件。同時(shí)可最大程度上簡化施工工序，用機(jī)械化施工替代人工作業(yè)，不僅提高了作業(yè)效率和質(zhì)量，還節(jié)約工程投資直接費(fèi)約29.3%?；A(chǔ)修復(fù)完工全貌如圖12所示。

圖12 基礎(chǔ)修復(fù)完工全貌

4 永臨結(jié)合措施修復(fù)基礎(chǔ)沖刷破壞的效果及啟示

工程修復(fù)完成之后，次年7月25日首次經(jīng)歷泄洪運(yùn)行。運(yùn)行洪量約為20年一遇(設(shè)計(jì)工況)下泄標(biāo)準(zhǔn)，行洪歷時(shí)約2h，基礎(chǔ)修復(fù)后首次通水現(xiàn)場如圖13所示。行洪過程中護(hù)坦末端水流流態(tài)基本穩(wěn)定，下游軟護(hù)坦二次跌差對(duì)余能消除起到了更加穩(wěn)固的作用，加固基礎(chǔ)范圍內(nèi)無沖刷、掏涮現(xiàn)象。行洪過后，基礎(chǔ)加固范圍內(nèi)外觀良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無變形，軟護(hù)坦形態(tài)完整，河床基本無下切掏涮現(xiàn)象。經(jīng)過修復(fù)后下游防護(hù)工程經(jīng)受了次年20年一遇洪水的考驗(yàn)，說明采用永臨結(jié)合措施對(duì)下游防護(hù)工程基礎(chǔ)沖刷破壞的修復(fù)是成功的，可總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)供類似工程借鑒。

圖13 基礎(chǔ)修復(fù)后首次通水

(1)臨時(shí)加固措施采用大量的塊石進(jìn)行裝填加固，效果雖好，但塊石之間易被泥沙淤堵，對(duì)后期采用自密實(shí)混凝土加固造成了較大困難。因此，臨時(shí)加固基礎(chǔ)時(shí)，可先采用無紡布對(duì)加固范圍進(jìn)行鋪設(shè)，之后再進(jìn)行塊石鋪設(shè)，最后再將無紡布包裹至塊石最表面，并與鋼筋石籠綁接牢靠。通過增設(shè)無紡布可以有效阻隔淤泥沉積于塊石之間，從而永久加固就可以直接揭開無紡布，進(jìn)行自密實(shí)混凝土填充加固，避免了人工沖洗塊石、二次倒運(yùn)、基坑二次排水等施工措施，最終可達(dá)到節(jié)約投資和工期的效果。

(2)臨時(shí)基礎(chǔ)加固措施實(shí)施時(shí)，鋼筋石籠采用四箱一連，預(yù)留2根直徑12mm的鋼筋重疊連接，水平纏繞間距30cm，并用直徑22mm鋼筋在籠角進(jìn)行焊接。通過實(shí)際行洪驗(yàn)證，鋼筋石籠整體性效果較好，作為軟護(hù)坦自適應(yīng)性良好。通過鋼筋石籠自身一定的柔軟度和糙率，從而降低水流流速，減小基礎(chǔ)沖刷影響。與此同時(shí)，鋼筋石籠自身四籠一連也增強(qiáng)了鋼筋石籠的剛度，建立起捆綁式抵御水流沖擊的防護(hù)體系，整體實(shí)施后效果良好。

(3)通過本次基礎(chǔ)加固總結(jié)，上游消能設(shè)施以及輔助消能工可從根本上解決下游沖刷的問題，當(dāng)面臨下游結(jié)構(gòu)沖刷時(shí)，可先結(jié)合增設(shè)輔助消能措施進(jìn)行緩解。

5 結(jié)語

水庫大壩運(yùn)行過程尤其是行洪運(yùn)行過程中，泄洪建筑物下游防護(hù)工程基礎(chǔ)沖刷破壞較常見的情況。本文針對(duì)某實(shí)際工程案例，對(duì)下游防護(hù)工程基礎(chǔ)沖刷破壞進(jìn)行了應(yīng)急修復(fù)和永久加固設(shè)計(jì)，并結(jié)合永久加固方案實(shí)施過程中揭露的現(xiàn)場情況，對(duì)永久加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了永久加固。修復(fù)后次年20年一遇洪水行洪運(yùn)行條件下，基礎(chǔ)加固范圍內(nèi)河床基本無下切掏涮現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無變形，軟護(hù)坦形態(tài)完整。說明本工程對(duì)導(dǎo)流底孔側(cè)護(hù)坦、護(hù)岸邊墻等基礎(chǔ)進(jìn)行的綜合考慮應(yīng)急修復(fù)和永久加固需要、永臨措施良好結(jié)合的修復(fù)加固方案是成功的，保證工程安全運(yùn)行的同時(shí)還可以減少工程投資，獲得的經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒參考。