淺析西部山區(qū)河流河岸防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

杜震宇，陳 軍，謝金元，劉 躍，王小波

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

山區(qū)河流具有地形陡峻、河道狹窄、流態(tài)復(fù)雜、急彎卡口眾多、岸線極不規(guī)則、洪水陡漲陡落、水流沖擊力大且挾沙量大等特點(diǎn)，河岸穩(wěn)定問(wèn)題突出。山區(qū)河流由于水流掏刷、洪水破壞、泥石流損毀及因不良地質(zhì)作用造成的臨河建筑破壞屢見(jiàn)不鮮，為提高山區(qū)河流臨河建筑的安全性，合理選擇河岸防護(hù)措施顯得尤為重要。

1 山區(qū)河流河岸防護(hù)原則及措施

河道水流對(duì)河岸沖刷一般有兩種作用：一種是水流直接作用于岸坡坡面；另一種是彎道、繞流產(chǎn)生的螺旋流、漩渦等水流沖刷坡腳，使上部岸坡坍塌和掏空。山區(qū)河流河岸防護(hù)應(yīng)以“因勢(shì)利導(dǎo)、因地制宜”為原則，根據(jù)水流對(duì)岸坡的沖刷機(jī)理，通?？刹捎靡韵麓胧?/p>

(1)水力措施：如岸坡平順開(kāi)挖、裁彎取直等可取得穩(wěn)定河槽，改善水流條件的效果；設(shè)置導(dǎo)流堤、丁壩、潛壩、丁壩群等可改善河流走勢(shì)，減輕河岸貼邊沖刷。

(2)防護(hù)措施：即用防沖結(jié)構(gòu)保護(hù)岸坡免受水流的沖刷；常規(guī)的沿河防護(hù)方式有拋石護(hù)腳、防沖擋墻、護(hù)坦、漿砌石護(hù)坡、混凝土護(hù)坡等。針對(duì)山區(qū)河流的特點(diǎn)，還需充分考慮護(hù)岸底部的防掏問(wèn)題。在實(shí)際工程中，通常采用上述綜合防護(hù)措施。

2 山區(qū)河流防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 水力設(shè)計(jì)

為研究山區(qū)河流水流特性，需對(duì)山區(qū)河流進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，水力設(shè)計(jì)包含河道行洪能力、泥沙沖淤、河床演變、河岸臨邊流場(chǎng)及相關(guān)水力防護(hù)措施對(duì)河道的影響分析等。水力設(shè)計(jì)的方法主要有理論分析、物理模型試驗(yàn)、原型觀測(cè)、數(shù)值模擬和工程經(jīng)驗(yàn)參考等。

理論分析在建立液體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律方面，已達(dá)到較成熟的程度，但由于實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)的多樣性，對(duì)于某些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，完全用理論分析還存在一定的困難；物理模型試驗(yàn)受比尺效應(yīng)影響顯著，試驗(yàn)過(guò)程往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，經(jīng)濟(jì)性較差；采用原型觀測(cè)往往只能等工程完建后才能進(jìn)行，不能提前指導(dǎo)河岸防護(hù)設(shè)計(jì)。而數(shù)值模擬分析具有不受比尺效應(yīng)影響、水力學(xué)要素完整可視及經(jīng)濟(jì)快速等優(yōu)點(diǎn)，此外，利用一體化水力學(xué)數(shù)值分析計(jì)算技術(shù)，即采用BIM建模-集成-剖分-初始化/邊界條件-求解-數(shù)據(jù)整理的設(shè)計(jì)流程，更加簡(jiǎn)化了水力設(shè)計(jì)的時(shí)間和流程，通過(guò)水力學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算可以得到河道流量、流場(chǎng)、水面線、沖淤和渦量場(chǎng)等水力學(xué)要素，能夠有效指導(dǎo)河岸防護(hù)設(shè)計(jì)，相關(guān)工程水力學(xué)數(shù)值計(jì)算成果見(jiàn)圖1。

圖1 河道水力學(xué)分析計(jì)算案例

2.2 河岸防護(hù)技術(shù)

在中國(guó)西部山區(qū)，先后設(shè)計(jì)建設(shè)了二灘、溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山、瀑布溝、雙江口、兩河口等多座世界級(jí)巨型水電工程，在河岸防護(hù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了具有適應(yīng)不同水流、地形地質(zhì)及施工條件的齊全的防護(hù)成套技術(shù)，如適用于巖基的混凝土護(hù)岸+錨筋樁的防護(hù)技術(shù)；適用于軟基及復(fù)雜地層條件下兼具坡腳防掏、岸坡防沖抗滑及臨河建筑物基礎(chǔ)加固的旋挖樁群技術(shù)；以及水下混凝土防護(hù)技術(shù)等。

2.2.1 混凝土護(hù)岸+錨筋樁防護(hù)技術(shù)

對(duì)節(jié)理裂隙發(fā)育的巖質(zhì)岸坡，紊動(dòng)水流易沿著節(jié)理及裂隙等軟弱面沖刷切割岸坡進(jìn)而引起坍塌和滑坡。對(duì)此類岸坡，可采用貼坡混凝土保護(hù)岸坡，并利用錨筋樁將坡腳巖塊串成整體，另視情況對(duì)坡腳進(jìn)行固灌加固，增強(qiáng)坡腳整體抗沖性能。

例如，兩河口水電站為雅礱江中下游的“龍頭”水庫(kù)，樞紐由攔河大壩、泄水、引水發(fā)電等主要永久建筑物組成。其中，泄洪建筑物均布置在大壩左岸，由洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞組成。工程校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(PMF)洪峰流量為10 400 m3/s，樞紐總泄量約8 200 m3/s，最大泄洪水頭約250 m，總泄洪功率約21 000 MW。泄洪消能系統(tǒng)具有“高土石壩、泄洪水頭高、泄量大、運(yùn)行工況復(fù)雜、泄洪出口集中于左岸、出流歸槽條件差、河谷狹窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點(diǎn)。

兩河口下游天然河道溝梁相間，泄洪消能區(qū)河道長(zhǎng)約1.4 km，枯水期天然河面寬度僅50～60 m；鉆孔揭示河床覆蓋層厚0～2 m，為含漂卵碎礫石夾砂?；鶐r為T(mén)3lh2(5)層粉砂質(zhì)板巖與絹云母板巖互層，河床為弱下風(fēng)化、弱卸荷巖體，深度6～42.1 m。兩岸臨河岸坡巖體弱風(fēng)化、弱卸荷，其中弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖、板巖抗沖流速3～4 m/s，微新變質(zhì)砂巖、板巖抗沖流速5～6 m/s。技施階段，工程采用了水力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)下游河道臨邊流速及河床沖刷情況進(jìn)行了測(cè)量和分析。結(jié)果顯示，泄洪出口流速范圍為3～9 m/s(其中靠下游河道流速范圍為3～5 m/s)，沖坑最深為17 m(相對(duì)于下游河道底高程2 595.00 m)，涌浪水位高程為2 607～ 2 618 m。

考慮到泄洪紊動(dòng)水流的影響，經(jīng)多方案比選，對(duì)岸邊流速小于5 m/s的下游河岸最終采用了“混凝土護(hù)岸+錨筋樁防護(hù)”的方案，即對(duì)下游河道岸坡采用貼坡混凝土襯護(hù)，對(duì)坡腳采用錨筋樁加固(參數(shù)為3C32，L=12 m，外露1 m，間排距為1.5 m)，主要利用錨筋樁將坡腳的破碎巖塊串成整體，另對(duì)局部破碎坡腳進(jìn)行控制固灌加固，以提高巖質(zhì)岸坡的整體穩(wěn)定性(見(jiàn)圖2)。兩河口泄水出口河岸防護(hù)工程建成后，經(jīng)受了建設(shè)期幾次超大洪水和幾年汛期運(yùn)行考驗(yàn)，目前該部分河岸防護(hù)工程運(yùn)行情況良好。

圖2 兩河口水電站下游河岸混凝土+錨筋樁防護(hù)剖面

2.2.2 混凝土護(hù)岸+旋挖樁群防護(hù)技術(shù)

軟基及復(fù)雜地層條件下的岸坡防護(hù)基礎(chǔ)往往難以深入基巖，軟基基礎(chǔ)受水流掏刷較易引起岸坡整體滑動(dòng)破壞。為提高此類岸坡防護(hù)的可靠性，在水流掏刷強(qiáng)烈部位及建筑物基礎(chǔ)等重點(diǎn)部位，采用混凝土護(hù)岸+旋挖樁群防護(hù)技術(shù)，即利用旋挖樁群形成連續(xù)防掏結(jié)構(gòu)，并采用連系梁將護(hù)岸混凝土與旋挖樁有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成完整的防沖結(jié)構(gòu)，另外，鋼筋混凝土旋挖樁還可以發(fā)揮抗滑作用。

桐子林水電站為雅礱江下游最末一個(gè)梯級(jí)電站，為河床式電站。樞紐建筑物從左到右由左岸擋水壩、河床式廠房壩段、4孔泄洪閘壩段、導(dǎo)墻壩段、導(dǎo)流明渠結(jié)合3孔泄洪閘壩段和右岸擋水壩等建筑物組成。其中，導(dǎo)流明渠布置在右岸灘地上，結(jié)合水工右岸三孔泄洪閘的布置，導(dǎo)流明渠渠身段底寬63.8 m，明渠中心線混凝土底板長(zhǎng)609.773 m，明渠進(jìn)口底板高程982.00 m，明渠出口高程在樁號(hào)0+180 m處由982.00 m以1：10反坡至986.00 m高程。明渠樁號(hào)0+000 m～0+060 m段為永久閘室段，樁號(hào)0+060 m～0+340.498 m段為閘室下游護(hù)坦區(qū)，樁號(hào)0+340.498 m下游段為明渠出口及右岸邊坡防護(hù)區(qū)。進(jìn)入主汛期后(導(dǎo)流明渠導(dǎo)流期內(nèi))，于2012年7月2日，導(dǎo)流明渠出口下游右岸漿砌石護(hù)坡水毀垮塌，從而導(dǎo)致上部桐雅公路發(fā)生變形。變形發(fā)生后，采用了石渣、塊石、混凝土六面體等特殊材料對(duì)變形垮塌部位進(jìn)行壓坡護(hù)坡，但至7月5日，該段公路依舊垮塌。該段沖刷垮塌區(qū)位于電站下游約596 m，天然邊坡坡度約35°～39°，桐雅公路路面高程約1 018 m，路基半挖半填，公路內(nèi)側(cè)多為基巖，外側(cè)為填方，沖溝處公路路基基本全為填方，公路內(nèi)側(cè)開(kāi)挖邊坡坡角約50°～55°。天然邊坡覆蓋層為坡殘積碎石土，公路路基及外側(cè)邊坡部分覆蓋層為人工堆積碎石土。河床覆蓋層厚約15～25 m，沿深槽分布。

經(jīng)多方案比選，對(duì)公路以下河岸采用混凝土護(hù)岸+旋挖樁群防護(hù)方案。為避免導(dǎo)流明渠泄洪水流掏刷邊坡，在高程1 006.00 m以下設(shè)置1.0 m厚的混凝土板護(hù)坡。樁號(hào)0+000 m～0+063 m段和樁號(hào)0+130.802 m～0+179.405 m段受泄洪水流頂沖影響，易被掏刷，采用雙排鋼筋混凝土旋挖樁加固坡腳，樁徑1.0 m，樁間距1.8 m，排距0.44 m。另外，在樁頂設(shè)置混凝土連系梁，在連系梁上設(shè)置錨索，將連系梁錨固在邊坡山體上，進(jìn)一步提高樁群的抗沖刷穩(wěn)定(見(jiàn)圖3)。桐子林水電站導(dǎo)流明渠出口河岸防護(hù)工程自建成后，至今已安全運(yùn)行多年，桐雅公路路基穩(wěn)定，運(yùn)行情況良好。

(a) 下游護(hù)岸剖面

(b) 旋挖樁群平面布置

2.2.3 水下混凝土防護(hù)技術(shù)

山區(qū)河流已建電站的下泄水流長(zhǎng)期作用掏刷河道岸坡，引起邊坡垮塌和護(hù)岸結(jié)構(gòu)破壞。該部分岸坡修復(fù)常需在動(dòng)水及深水條件下實(shí)施，為修復(fù)動(dòng)水及深水區(qū)河岸防護(hù)結(jié)構(gòu)，常需要采用水下混凝土技術(shù)(水下混凝土防護(hù)技術(shù)主要包含水下鋼模板架設(shè)、水下植筋、水下膜袋混凝土圍堰、水下混凝土澆筑等技術(shù))。其主要思路是利用外側(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)及鋼板作為模板，在破壞部位外側(cè)形成相對(duì)靜水區(qū)，通過(guò)預(yù)埋管道將混凝土灌注至掏空區(qū)域，外側(cè)的鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼板兼起水下混凝土模板和永久防掏結(jié)構(gòu)的作用。

瀑布溝水電站樞紐布置為礫石土心墻堆石壩，左岸布置引水發(fā)電建筑物及一條岸邊開(kāi)敞式溢洪道、一條深孔無(wú)壓泄洪洞，右岸布置一條放空洞及一條尼日河引水隧洞。泄洪建筑物按重現(xiàn)期500年洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水流量9 460 m3/s；最大可能洪水(PMF)校核，相應(yīng)洪水流量15 250 m3/s；下游河道及霧化邊坡防護(hù)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)入庫(kù)洪水流量為8 230 m3/s。2016年9月，泄洪洞對(duì)岸公路出現(xiàn)了路面塌陷和貼坡混凝土裂縫等破壞情況。右岸邊坡高程700 m以上分布有崩坡積塊碎石土層，由斜坡上部流紋斑巖崩塌堆積而成，結(jié)構(gòu)松散；內(nèi)側(cè)坡下部為震旦系下統(tǒng)蘇雄組弱風(fēng)化、弱卸荷流紋斑巖，呈鑲嵌～碎裂結(jié)構(gòu)，巖體質(zhì)量為Ⅳ級(jí)。

瀑布溝水電站泄洪洞出口對(duì)岸臨河道路基礎(chǔ)采用水下混凝土修復(fù)方案，即利用外側(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)及鋼板作為模板(兼做圍堰)，在破壞部位外側(cè)形成相對(duì)靜水區(qū)，通過(guò)預(yù)埋管道將混凝土灌注至掏空區(qū)域進(jìn)行水下混凝土澆筑。鋼框架圍堰施工過(guò)程具體如下：①潛水員對(duì)影響模板安裝的水下混凝土進(jìn)行鑿除；②采用吊車吊裝豎向定制H鋼(板厚10 mm、端寬168 mm、工高100 mm)，H鋼底部?jī)蓚?cè)各焊接一根長(zhǎng)約0.5 m的A48鋼套管，通過(guò)潛水員引導(dǎo)將鋼套管套入已提前打入的砂漿錨桿內(nèi)就位，然后將H鋼上部與縱向工字鋼焊接牢固；③H鋼底部高度2 m范圍內(nèi)焊接C16螺紋鋼，起固接水下混凝土和H鋼的作用；④鋼模板采用920 mm×920 mm×3.5 mm的定制鋼模板，直接插入安裝好的H鋼內(nèi)，底部采用膜袋混凝土找平，并在起伏較大的位置增加膜袋混凝土臨時(shí)護(hù)腳(見(jiàn)圖4)。

圖4 瀑布溝水電站泄洪洞出口對(duì)岸的水下混凝土防護(hù)剖面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于西部山區(qū)河流特點(diǎn)，結(jié)合多年的工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了針對(duì)不同地質(zhì)條件下的臨河防護(hù)技術(shù)，其中混凝土護(hù)岸+錨筋樁防護(hù)技術(shù)適用于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖質(zhì)岸坡，尤其是受紊動(dòng)水流易沿著節(jié)理及裂隙等軟弱面沖刷影響的河岸?；炷磷o(hù)岸+旋挖樁群技術(shù)適用于軟基及復(fù)雜地層條件，建議在水流掏刷強(qiáng)烈及建筑物基礎(chǔ)等重點(diǎn)部位采用。水下混凝土防護(hù)技術(shù)適用于動(dòng)水、深水區(qū)修復(fù)和防護(hù)。綜上所述，山區(qū)河流河岸防護(hù)應(yīng)以“因勢(shì)利導(dǎo)、因地制宜”為原則，根據(jù)工程實(shí)際情況采用相應(yīng)的技術(shù)。