土工合成材料在興隆樞紐工程中的應(yīng)用

郭紅亮 吳云飛 焦雨佳 陳超敏

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 樞紐設(shè)計(jì)處，湖北 武漢 430010；2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；3.中國(guó)石油西氣東輸管道公司，上海 200122)

土工合成材料在興隆樞紐工程中的應(yīng)用

郭紅亮1吳云飛2焦雨佳3陳超敏1

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 樞紐設(shè)計(jì)處，湖北 武漢 430010；2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；3.中國(guó)石油西氣東輸管道公司，上海 200122)

興隆水利樞紐為I等大(一)型工程，主要建筑物有泄水閘、船閘及電站廠房等。壩址區(qū)為深厚粉細(xì)砂覆蓋層，抗沖能力低、滲透穩(wěn)定性差，邊坡保護(hù)問(wèn)題突出以及缺乏粘土料及石料，導(dǎo)流明渠及下游引航道護(hù)坡需解決水下施工難題等。為此展開(kāi)了分析研究，根據(jù)研究結(jié)果，決定采用土工布、復(fù)合土工膜、復(fù)合土工袋、土工格柵、土工網(wǎng)、模袋和三維植草土工網(wǎng)墊等多種土工合成材料，較好地解決了上述難題。

水下施工;施工材料;土工合成材料;興隆水利樞紐;湖北省

1 工程概述

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，是南水北調(diào)中線漢江中下游4項(xiàng)治理工程之一，也是漢江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最下一級(jí)。樞紐以灌溉和航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電。壩軸線兩岸漢江大堤之間河道總寬度約為2 800 m，主河槽位于河道偏右側(cè)，寬約700 m；主河槽左側(cè)漫灘寬約1 400 m，右側(cè)漫灘寬約700 m，兩岸漫灘高程與正常蓄水位接近。樞紐布置采用建閘留灘格局，這樣就可以在正常蓄水位時(shí)，兩岸漫灘參與擋水；在洪水期間，灘地漫頂行洪。

泄水閘布置在主河槽，右側(cè)為電站廠房，船閘布置在右岸漫灘上；上下游引航道經(jīng)開(kāi)挖形成，其左側(cè)保留的漫灘則形成了隔流堤。泄水閘56孔，閘孔總凈寬為784 m。船閘按Ⅲ(3)級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)配套設(shè)計(jì)，為單線一級(jí)船閘，設(shè)計(jì)代表船隊(duì)為雙排雙列1頂4駁(1+4×1 000 t)船隊(duì)，閘室有效尺寸為180 m×23 m×3.5 m，主體段總長(zhǎng)256 m。電站廠房前沿總長(zhǎng)112 m，為低水頭河床徑流式電站，安裝4臺(tái)貫流式燈泡水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量40 MW。采用左岸漫灘上的明渠導(dǎo)流。

工程于2009年2月正式開(kāi)工， 2013年初主體工程泄水閘、船閘施工基本完成， 2013年4月下閘蓄水和船閘通航， 2014年6月最后一臺(tái)機(jī)組發(fā)電。至此,已開(kāi)始全面發(fā)揮工程效益。

興隆樞紐具有以下特點(diǎn)：

(1) 壩址區(qū)為深厚粉細(xì)砂覆蓋層，粉細(xì)砂中值粒徑僅0.15～0.19 mm，抗沖能力低，滲透穩(wěn)定性差，邊坡保護(hù)問(wèn)題突出。

(2) 附近缺乏防滲性能好的粘土料，粘土料運(yùn)距達(dá)27 km。

(3) 缺乏抗沖性能好的石料，石料外運(yùn)距離遠(yuǎn)(約為80 km)。

(4) 對(duì)導(dǎo)流明渠和圍堰外下游引航道高程32 m以下采用吹填方式開(kāi)挖，對(duì)護(hù)坡則需解決水下施工難題。為此，在工程中應(yīng)用了多種土工合成材料。

2 施工材料

2.1 土工布

土工布在興隆樞紐工程中應(yīng)用十分廣泛，在主體工程的泄水閘、船閘、電站廠房以及臨時(shí)工程的土石圍堰等部位均有大量應(yīng)用，使用總量約90萬(wàn)m2。按所起作用主要分為以下兩類。

(1) 反濾保護(hù)。壩址區(qū)粉細(xì)砂取樣的級(jí)配包絡(luò)線及粒徑特征見(jiàn)表1。

從表1可知，粉細(xì)砂所含粘粒很少。室內(nèi)滲透試驗(yàn)得出的粉細(xì)砂滲透系數(shù)為5.56×10-3～2.50×10-2cm/s。

對(duì)存在滲流的坡面，比如電站引水渠和尾水渠坡面、船閘上游引航道坡面、船閘下游引航道馬道以上坡面、土石圍堰內(nèi)外側(cè)坡面等,都鋪設(shè)有一層土工布，以保護(hù)坡面土體顆粒不被滲流帶出。根據(jù)保土性、透水性和防堵性的要求，選用土工布規(guī)格為400 g/m2，要求滲透系數(shù)大于5×10-2cm/s，土工布等效孔徑O95為0.10～0.20 mm。室內(nèi)反濾試驗(yàn)結(jié)果顯示，粉細(xì)砂滲透破壞比降值無(wú)反濾時(shí)為0.6～1.04，用土工布反濾后則提高幅度較大，表明土工布對(duì)粉細(xì)砂具有較好的保土作用，試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有明顯淤堵。

(2) 隔離水流防止淘刷。泄水閘進(jìn)水渠護(hù)底順流向長(zhǎng)40 m，寬912 m，為現(xiàn)澆混凝土塊，分塊尺寸為4 m×4 m，厚為30 cm。為了防止水流沿結(jié)構(gòu)分縫躥入淘出地基粉細(xì)砂，在粉細(xì)砂表面跨縫鋪設(shè)了一條寬80 cm的土工布，規(guī)格為 400 g/m2，將泄水時(shí)的紊動(dòng)水流與粉細(xì)砂隔離，從而起到保護(hù)作用。

在柔性混凝土海漫下也鋪設(shè)了一層土工布，其作用相同。

2.2 復(fù)合土工膜

興隆工程土石圍堰防滲線路總長(zhǎng)3 949 m，堤基防滲采用塑性混凝土防滲墻，防滲墻平均深60 m，墻厚80 cm，防滲墻頂高程為35.5 m。圍堰堤身就近采用導(dǎo)流明渠、船閘、右岸漫灘等部位的開(kāi)挖料填筑，以砂性土為主。堤身若采用常規(guī)粘土心墻防滲，會(huì)出現(xiàn)粘土料運(yùn)距長(zhǎng)工效低造價(jià)高等問(wèn)題，且開(kāi)采粘土料還需占用耕地。研究論證后，對(duì)堤身采用了復(fù)合土工膜心墻防滲，這樣使經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均得到了顯著提高。

通過(guò)在墻頂現(xiàn)澆蓋帽混凝土，將復(fù)合土工膜埋入其中30 cm，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合土工膜與防滲墻的連接。復(fù)合土工膜心墻隨兩側(cè)填筑“Z”形折疊上升，與堰體填筑同步進(jìn)行，施工簡(jiǎn)便。圍堰典型斷面見(jiàn)圖1。

復(fù)合土工膜規(guī)格為兩布一膜型式(200 g /0.5 mm/200 g)，幅寬不小于2 m?？刂浦笜?biāo)為：抗拉強(qiáng)度(經(jīng)、緯向)≥20 kN/m；滲透系數(shù)K≤10-11cm/s；伸長(zhǎng)率>60%，撕裂強(qiáng)度≥0.5 kN，CBR頂破≥3 kN。復(fù)合土工膜的總用量為8.8萬(wàn)m2。

2.3 復(fù)合土工袋

原設(shè)計(jì)的下游引航道開(kāi)挖后所形成的隔流堤長(zhǎng)為960 m，其中位于圍堰外的部分長(zhǎng)為820 m。但主體工程開(kāi)工不久，圍堰下游右岸高漫灘發(fā)生崩岸，長(zhǎng)約2 000 m，崩塌寬為40～100 m，下游隔流堤原利用灘地基本崩入江中。經(jīng)水工模型試驗(yàn)，為保證下游口門區(qū)通航水流條件，必須實(shí)施水下人工修筑隔流堤。與原設(shè)計(jì)方案相比，堤頭位置向?yàn)┑匾粋?cè)橫向移動(dòng)23.5 m，向下游延伸12 m，堤頂為同一寬度。

水下筑堤材料需具備一定抗沖和水下自穩(wěn)能力，通常采用拋石、石渣和砂卵石等。但該類型材料距工地約80 km，運(yùn)距遠(yuǎn)價(jià)格高，工期又十分緊迫。在分析研究筑堤方式利弊的基礎(chǔ)上，決定利用該河段粉細(xì)砂多、含泥量少及能就近取材的條件，采用吹填筑堤。即利用泥漿泵或高壓水泵切割沖吸粉細(xì)砂洲，經(jīng)輸泥管水力輸送充填入復(fù)合土工袋，水則經(jīng)土工袋孔隙排出，沉留袋內(nèi)的粉細(xì)砂固結(jié)形成有一定密實(shí)度的袋裝土，兩側(cè)堤腳用袋裝土疊置成棱體，使其具備防沖和自穩(wěn)能力；堤身在棱體保護(hù)下吹填粉細(xì)砂填筑，既巧妙地解決了水下施工難題，又節(jié)省了工程投資。

設(shè)計(jì)隔流堤斷面頂寬為8 m，在堤身高程32.5 m處設(shè)有馬道，兩側(cè)馬道上下兩級(jí)邊坡按穩(wěn)定要求確定為1∶3。

棱體臨江側(cè)頂寬10 m，航道側(cè)頂寬8 m，頂高程31.5 m，每層充填后的復(fù)合土工袋厚度不超過(guò)0.5 m，內(nèi)坡坡比為1∶1.5，外坡坡比為1∶3。兩側(cè)棱體先行施工，其間對(duì)高程31.5 m以下堤身,在棱體保護(hù)下直接吹填粉細(xì)砂，對(duì)高程31.5 m以上堤身,則利用引航道的開(kāi)挖棄料填筑。堤身馬道以下臨江側(cè)拋石護(hù)坡和護(hù)底，航道側(cè)用模袋混凝土護(hù)坡； 馬道以上堤身及堤頂為雷諾護(hù)墊保護(hù)(見(jiàn)圖2)。

復(fù)合土工袋應(yīng)滿足吹填砂對(duì)滲透性、保土性及防淤堵的要求，滲透系數(shù)要求10-1～10-2cm/s, 等效孔徑O95為0.10～0.20 mm；抗拉強(qiáng)度不小于18 kN/m，延伸率不大于20%，袋裝土充盈系數(shù)宜為85%，充填后的土工袋長(zhǎng)/寬>2.4，長(zhǎng)/高>3.5，充填后的干土重度不得小于14.5 kN/m3。復(fù)合土工袋棱體總體積為14.4萬(wàn)m3。

實(shí)踐證明，采用上述設(shè)計(jì)方案，堤身填筑密實(shí)、堤身穩(wěn)定，施工迅捷簡(jiǎn)便。

2.4 土工格柵

(1) 減小土壓力。泄水閘進(jìn)水渠與電站引水渠、泄水閘出水渠與電站尾水渠之間高差達(dá)10～15 m，在兩者之間設(shè)置了混凝土空箱式擋土墻。同時(shí)為保證電站進(jìn)出水的流態(tài)良好，在擋土墻頂泄水閘一側(cè)設(shè)有導(dǎo)墻。

由于擋墻擋土高度超過(guò)10 m，土壓力很大，因此擬在原設(shè)計(jì)空箱內(nèi)填筑高為8.1 m的土來(lái)滿足抗滑穩(wěn)定性的要求。后因進(jìn)度滯后，空箱內(nèi)若填土則施工相互之間干擾大，為此，采用了土工格柵對(duì)擋墻填土進(jìn)行加筋，以增加回填土體的抗剪強(qiáng)度，從而減小土壓力40%，達(dá)到滿足抗滑穩(wěn)定的目的。

土工格柵采用單向土工格柵布置，規(guī)格為TGDG80PP，且順土的壓力方向布置，從下往上每60 cm布置一層，一端直抵擋土墻，長(zhǎng)度分別為3.0～9.5 m；土工格柵幅寬為2.5～4.0 m，各幅間搭接寬度不小于0.5 m。其物理力學(xué)性能為：每延米拉伸強(qiáng)度≥80 kN/m；2%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉力≥26 kN/m；5%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉力≥48 kN/m；標(biāo)稱拉伸強(qiáng)度伸長(zhǎng)率≤10%。土工格柵用量為3 300 m2。

(2) 控制差異沉陷。圍堰除保護(hù)基坑外，寬10 m的頂部同時(shí)也作為施工道路，可供重載車通行。為控制差異沉陷，減少路面維修，在路面鋪設(shè)有一層SS30型土工格柵和厚30 cm的碎石(見(jiàn)圖 1)。土工格柵用量為7.3萬(wàn)m2。

2.5 土工網(wǎng)

泄水閘柔性混凝土海漫采用的是一種嵌套式預(yù)制塊體結(jié)構(gòu)，塊體平面呈“H”型，單塊長(zhǎng)和寬都為48 cm，相鄰塊體相互嵌套；同時(shí)為了增強(qiáng)消能效果，更好地調(diào)整水流流態(tài)，在每個(gè)塊體上均設(shè)有2個(gè)開(kāi)孔，開(kāi)孔尺寸為7 cm×10 cm，預(yù)制塊體腰間也內(nèi)收2.5 cm，拼裝后形成的海漫面積開(kāi)孔率為26%。為保護(hù)海漫下鋪設(shè)的碎石層不被紊動(dòng)水流從塊體孔洞和間隙中沖出，柔性海漫下面設(shè)置了一層土工網(wǎng),其規(guī)格為CE121，網(wǎng)眼尺寸為6 mm×8 mm，總用量為7萬(wàn)m2。

從粉細(xì)砂河床表面自下而上，柔性海漫構(gòu)造依次為土工布(400 g/m2)、碎石墊層(厚20 cm，粒徑2～4 cm)、土工網(wǎng)和海漫預(yù)制塊體。

2.6 模袋混凝土

利用模袋灌裝混凝土，解決了水下施工的邊坡防護(hù)難題。

(1) 臨時(shí)工程縱向土石圍堰的頭部及明渠一側(cè)水下邊坡，導(dǎo)流明渠高程32 m以下采用吹填方式開(kāi)挖，明渠邊坡防護(hù)必須進(jìn)行水下施工。其典型斷面見(jiàn)圖3。

(2) 對(duì)主體工程的圍堰外下游引航道高程32.5 m以下也采用吹填方式開(kāi)挖，引航道邊坡防護(hù)施工需水下進(jìn)行。對(duì)下游引航道靠江一側(cè)以及灘地一側(cè)、高程32.5 m以下的邊坡，均為模袋混凝土護(hù)坡。

上述部位的水下護(hù)坡均采用鉸鏈塊型(RB型)模袋混凝土，各塊間用高強(qiáng)尼龍繩連接，形成相連而獨(dú)立的防沖體系，施工方法簡(jiǎn)便快速。模袋混凝土厚度為25 cm，單塊排體尺寸為10 m×2 m，對(duì)每塊塊體的縱橫向均布設(shè)2根?12 mm的鉸鏈繩，模袋下設(shè)置反濾布保土及透水。模袋混凝土護(hù)坡總面積為18.6萬(wàn)m2。

有關(guān)指標(biāo)為：采用矩形無(wú)濾點(diǎn)模袋，材料可用錦綸、滌綸，重量不得小于500 g/m ，單層材料厚度>0.45 mm;經(jīng)向抗拉強(qiáng)度>2 200 N/3 cm，緯向抗拉強(qiáng)度>3 000 N/5 cm;經(jīng)向伸長(zhǎng)率>14%，緯向伸長(zhǎng)率>12%;垂直滲透系數(shù)>5×10-3cm/s，CBR頂破強(qiáng)度>3 000 N。

2.7 三維植草土工網(wǎng)墊

興隆樞紐采用了建閘留灘的樞紐布置格局，中、大洪水時(shí)，兩岸漫灘也參與行洪。右岸漫灘設(shè)計(jì)高程為38 m，行洪時(shí)灘頂最大流速值約為1 m/s。

對(duì)右岸漫灘采用植草防沖保護(hù)措施，植草范圍為壩軸線上下游各50m。為保護(hù)噴播的草籽，防止被雨水沖走，提高植草的抗沖能力，采用了EM5三維植草土工網(wǎng)墊,總用量為7.8萬(wàn)m2。

3 結(jié) 語(yǔ)

在興隆樞紐工程中，不僅將土工合成材料應(yīng)用于臨時(shí)工程，而且在主體工程中也有大量應(yīng)用，應(yīng)用的部位多、種類全、數(shù)量大。土工合成材料的成功應(yīng)用，在提高工程安全性能、降低施工難度、促進(jìn)工程進(jìn)度以及節(jié)約工程投資等方面，均發(fā)揮了非常重要和獨(dú)特的作用。

2014-12-15

郭紅亮，男，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司樞紐設(shè)計(jì)處，高級(jí)工程師.

1006-0081(2015)02-0034-04

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