生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性防沖體作為水閘消能海漫研究

姜志偉

(山東黃河勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250013)

1 工程概況

龐口閘位于東平湖退水入黃河道的末端，如圖1所示，承擔(dān)著將東平湖老湖區(qū)蓄滯的黃、汶河洪水退入黃河的艱巨任務(wù)[1]。龐口閘為樁基胸墻式閘型結(jié)構(gòu)，工程等別為Ⅱ等，大(2)型，建筑物等級為2級[2]。龐口閘設(shè)計工況下水頭差2.1m，單寬流量12.96m3/s，校核工況下22.22m3/s，屬于特征明顯的過閘水流水頭差值小、但單米秒流量大的平原退排水水工建筑物。此類水閘的下游消能防沖是平原水力學(xué)的難點[3]。

圖1 龐口閘退水入黃河示意圖

根據(jù)龐口閘的各種工況下下游消能措施的計算結(jié)果：龐口閘下游消能防沖結(jié)構(gòu)為：閘后綜合式消力池，池長25m；砌石海漫長度為46m；海漫末端沖刷坑深度為11.65m。

然而龐口閘下游200m即為黃河主河槽，閘后河道表層為黃河淤積的粉細(xì)沙，抗沖能力較低，下層為壤土層和土質(zhì)稀軟呈軟塑-流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)粘土層[4]，消力池和防沖槽開挖范圍內(nèi)正好位于壤土及淤泥質(zhì)粘土層上，基坑降水困難，開挖難度較大。龐口閘11.65m深的沖刷坑預(yù)拋石也很難一次預(yù)拋到位，沖刷發(fā)生后能否按照預(yù)先設(shè)想的斷面平鋪在沖刷坑上游坡面上，也很難保證，防護效果存在風(fēng)險。

2 生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性防沖體

經(jīng)過分析各種建筑材料，考慮生態(tài)格賓網(wǎng)具有較強的抗拉強度和柔韌性[5]，利用生態(tài)格賓網(wǎng)將單個塊石網(wǎng)接成整體作為防沖海漫，既有非常良好的整體性又有較高的柔韌性，不但能抵抗過水閘水流的抗擊破壞，還有一定的根據(jù)河床斷面因水流沖刷變化進行變形的能力，將其平鋪在下游可能產(chǎn)生沖刷坑的基槽內(nèi)，當(dāng)過閘水流將閘后河床造成破壞，在河道上形成沖刷坑時，格賓網(wǎng)石箱柔性防沖海漫將因自身的重量較大，自動下沉，緊密地貼敷在沖刷后的河床上，保護海漫下部土體免受繼續(xù)沖刷迫害，有效阻止沖刷坑向水閘的上游發(fā)展，進而保護閘的自身安全[6]。如圖2所示。

圖2 格賓網(wǎng)石箱平面布置及沖刷變形示意圖

2.1 河床沖坑深度計算

生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性防護材料作為防沖體(或防沖海漫)，其關(guān)鍵在于防沖體長度要覆蓋住沖刷坑的上游坡并留有余地，水流通過水閘斷面的收縮，流速增加，相應(yīng)動能也會加大，對下游河床會造成沖擊，破壞河床結(jié)構(gòu)，當(dāng)河床的破壞達(dá)到一定程度會形成沖刷坑，當(dāng)坑內(nèi)充滿水體時反過來成為阻水體，將會逐漸消耗通過水閘的動能，減少其對河床的繼續(xù)破壞[7]；當(dāng)河床的沖刷坑發(fā)展到足夠的體積和深度時，以至于沖刷坑內(nèi)的積水能全部消耗過閘水流的動能，水閘下游的河床的破壞便不會再惡化，達(dá)到過閘水流完全消能的狀態(tài)。根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》公式B.3.1計算河床沖刷深度。

(1)

式中，dm—海漫末端河床沖刷深度，m；qm—海漫末端單寬流量，m3/(s·m)；[υ0]—河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s；hm—海漫末端河床水深，m。

2.2 抗拉強度計算

生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性防護材料在順?biāo)飨蚝痛怪彼飨蚓芰?，因此抗拉強度是保證石籠整體性的關(guān)鍵。確定生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性防護材料的抗拉強度應(yīng)以沖刷坑達(dá)到最大值時，防沖體處于可能的最大傾斜狀態(tài)為最不利，生態(tài)格賓網(wǎng)的最上端單米寬的石箱最大下滑力T2為：

T2=γLhsinθ

(2)

式中，L—石籠長度，m；h—石籠厚度，m；γ—容重，kN/m3；θ—下游沖刷坑穩(wěn)定坡面的坡角。

石籠與斜坡面間的摩擦系數(shù)f=(0.5～0.6)。最上端單位寬度石籠承擔(dān)的最大拉力為：

T1=T2-fγLhcosθ

(3)

最上端單位格賓承擔(dān)的最大拉力為：

T=T1÷(2+h/b)

(4)

式中，b—格賓網(wǎng)格寬度，m;h—石籠厚度h，參照砌石海漫厚度選用，取0.4～0.6m，在保證不被水流掀動的前提下，盡量取小值。

2.3 整體抗滑穩(wěn)定計算

生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性防護材料抗滑穩(wěn)定分析，根據(jù)一般設(shè)計工況考慮格賓網(wǎng)石箱柔性體的抗滑穩(wěn)定結(jié)果，因沖刷坑的原因，造成的部分柔性體懸空不考慮其抗滑不穩(wěn)定結(jié)果[8]。計算簡圖如圖3所示。

圖3

抗滑穩(wěn)定計算公式為：

(5)

式中，L2—防沖體坡面斜長，m；L1—斜坡面頂部水平防沖體長，m；θ—斜坡面傾角；f—石籠與斜坡面間的摩擦系數(shù)，一般取f=0.5～0.6。

2.4 防沖體長度

根據(jù)沖刷后河床防護的面積及其上水深、流速等要素分析，設(shè)計方案采用長寬高分別為3、3、0.6m作為單元格賓網(wǎng)石箱的尺寸，網(wǎng)箱中間設(shè)2 道橫斷，分割成1.5m×1.5m 小方格，箱內(nèi)裝填塊石，單個箱體之間縱橫向及上下側(cè)邊用相同材料的網(wǎng)絲連接(扎接扣間距不大于250mm)，使之形成既有較高強度又有較強柔性的整體。

格賓線材采用高鍍鋅六角線，金屬鋅的含量要保證260g/m2以上，抗張強度不小于380MPa，軸向變形率大于20%?；木€徑φ2.7mm，邊線線徑φ3.4mm，扎線線徑φ2.2mm，網(wǎng)孔長、寬分別為100、120mm。格賓網(wǎng)石箱填石采用d=150～250mm的塊石，為防止水流將下部土顆粒帶走，網(wǎng)石箱下面先敷設(shè)10cm厚的碎石作為墊層，其下平鋪一層無紡?fù)凉げ?，土工布根?jù)反濾排水準(zhǔn)則選擇合適的型號，保證其性能能滿足設(shè)計要求。

3 經(jīng)濟效益及社會效益

龐口閘采用生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性海漫[9]，節(jié)約海漫砌石工程量1440m3，減少砌石護坡122m3，減少下游防護長度21m，減少基坑開挖土方1.0萬m3，可節(jié)約工程投資74.58萬元。同時還減少了棄土堆放及臨時占地，減少了石料開采和運輸。

龐口閘下游海漫高程較低，其下有一層淤泥質(zhì)粘土，且該位置據(jù)黃河主河槽較近，地下水位較高，開挖降水均比較困難。采用格賓網(wǎng)石箱海漫后，在減少了開挖工程量的同時，降低了施工難度，縮短水閘施工工期，保證龐口閘汛前建設(shè)完成，汛期投入使用。

4 結(jié)論

龐口閘類的低水頭、大流量水閘的下游消能防沖是平原水閘[10]的難點，生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性海漫在充分利用龐口閘下游天然河道寬闊斷面的基礎(chǔ)上，調(diào)整水流流速分布，將沖刷防護的重點放在沖刷后的最低點，保護其下河床沖刷不向上游發(fā)展，保護龐口閘主體安全。實踐證明，生態(tài)格賓網(wǎng)石箱柔性海漫在龐口閘上運用情況良好，對類似工程有一定借鑒意義，但因首次運用到水閘上，還需要進一步研究。