淺談沙河梁式渡槽槽墩應急防護處理

鄭曉陽，張建偉，毛鵬飛

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設管理局河南分局，河南 鄭州 467000；2.中國南水北調(diào)集團江漢水網(wǎng)建設開發(fā)有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

南水北調(diào)中線沙河渡槽工程是世界綜合規(guī)模最大的渡槽工程，全長9050m，由沙河梁式渡槽、沙河～大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河～魯山坡箱基渡槽、魯山坡落地槽組成。沙河梁式渡槽工程長1 410 m，跨越右岸I級階地和漫灘、河床和左岸漫灘等不同地貌單元。I級階地地面高程118～120m，寬度約410m；漫灘河床地面高程111～116m，寬度約1000m。沙河梁式渡槽槽身采用C50預應力鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)型式，共4槽，單槽直徑8 m，直段高3.4m，U槽凈高7.4 m，4槽各自獨立，每2槽支承于一個下部槽墩上。

2 工程水文條件

2.1 水位流量關系

沙河交叉斷面上下游有水文站，但距交叉斷面較遠，實測水位流量關系不宜借用，因此，交叉斷面水位流量關系根據(jù)調(diào)查的糙率和測量的河道縱橫斷面采用天然河道恒定非均勻流公式推算。水位推算采用河南省水利勘測總隊1995年測量的河道縱橫斷面圖，交叉斷面上下測量河段長3～5 km，橫斷面間距一般為200m。

交叉河流交叉斷面天然水位推算成果見表1。

表1 交叉河流天然水位流量成果表

2.2 洪水標準

考慮到防護工程的破壞將直接威脅到沙河渡槽主體結(jié)構(gòu)的安全，因此防護工程的洪水標準與主體結(jié)構(gòu)一致，采用100年一遇洪水設計，相應洪峰流量為8190m3/s，300年一遇洪水校核，相應洪峰流量為10160m3/s。

3 應急防護的必要性分析

沖溝、砂坑影響：由于前期沙河河道治理滯后，采砂船采砂導致沙河梁式渡槽交叉斷面上、下游河道內(nèi)存在多處沖溝、砂坑和砂堆，特別是交叉斷面下游存在幾個連續(xù)的大砂坑，砂坑總面積約20余萬m2，其中較大的砂坑深度均在10 m左右，距渡槽最近的砂坑在渡槽下游50m位置。汛期沙河河道行洪時勢必沖刷渡槽基礎，將土石向坑內(nèi)搬運，可能造成槽墩承臺外露，給渡槽運行安全帶來不利影響。

導流槽影響：沙河梁式渡槽交叉斷面上游約2 km位置修建的攔河橡膠壩時在沙河主河道內(nèi)開挖了寬15～20m、深2～3m的1條子槽（子槽底部高程略低于承臺頂部高程），子槽從河道與渡槽交叉斷面上游2km開始一直向下下穿沙河梁式渡槽36跨后與下游砂坑相接。子槽下穿渡槽情況詳見圖1。

圖1 子槽下穿渡槽示意圖

沙河河道內(nèi)由于子槽的存在，使主流更為集中，遭遇洪水時子槽與下游砂坑的不利組合影響，會造成沙河渡槽承臺外露甚至樁基外露，影響建筑物運行安全，所以為了消除渡槽工程度汛安全隱患，保證渡槽輸水運行安全，在主汛期到來前對沙河梁式渡槽基礎進行加強防護非常必要。

4 應急防護方案及技術要求

4.1 防護方案比選

為保護沙河渡槽槽墩，防護材料必須具有較強的消能抗沖能力和適應變形能力等，散拋石、漿砌石、格賓石籠均能滿足要求。

4.1.1 散拋石

具有單價較低，施工便利的特點。另外，散拋石具有一定的抗沖能力，適應地基變形能力強。缺點是：拋石基礎對塊石要求較高，需采用較大石塊；散拋石不受約束，整體性差，易流失。

4.1.2 漿砌石

漿砌石為剛性結(jié)構(gòu)，抗沖刷能力強。缺點是：不適應不均勻變形；透水性差，只能靠設置排水管進行排水；隔絕水域和自然環(huán)境生態(tài)性差；漿砌石施工難度大，且后期維修較為困難，若結(jié)構(gòu)破壞，一般需重建；漿砌石結(jié)構(gòu)造價較高。

4.1.3 格賓石籠

1）柔性結(jié)構(gòu)。格賓網(wǎng)具有柔性結(jié)構(gòu)及高伸張率，其采用的低碳鋼絲使得格賓具有很強的柔韌性及變形能力，尤其能夠適應基礎的不均勻沉降，適應河床變形能力強。

2）耐久性。格賓編織鋼絲采用重鍍高爾凡方式進行防蝕處理。重鍍高爾凡鍍層工藝具有鍍層厚度均勻和抗腐蝕性、耐久性較強等特點。通過資料查詢，重鍍高爾凡格賓網(wǎng)一般情況下使用壽命可以達到50～70年，同時由于結(jié)構(gòu)的整體性，以及和自然環(huán)境融為整體，所以在鍍層損失的情況下，不影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3）自透水性。格賓具有天然的透水性，可以迅速降低結(jié)構(gòu)后填土內(nèi)由于降雨等原因?qū)е碌倪^高地下水位，消散孔隙水壓力，維持土體強度，降低發(fā)生滑坡的危險。格賓石籠網(wǎng)不需傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的排水設施，節(jié)省工序，提高施工效率，同時可以加強水體交換能力，促進植被生長和生態(tài)系統(tǒng)的恢復。

4）獨立性和整體性。通過將石料限制在格賓中產(chǎn)生的允許剪切力要遠大于散拋石的允許剪切力，可減少所需的石料數(shù)量。格賓石籠其格賓單元在工地現(xiàn)場組裝成型，相互綁扎成整體，屬于典型的柔性防護結(jié)構(gòu)，可以適應地基的不均勻沉降。

5）施工便捷，效率高。格賓石籠中的格賓網(wǎng)可工廠化生產(chǎn)制作出半成品，施工現(xiàn)場按施工圖進行組裝定型。整體工法操作簡便、工序少、無需特殊的技術工人、受氣候干擾小、整體施工效率頗高且效果易于保證。在現(xiàn)場機械配合下，更加能夠加快施工進度。工人只需簡單培訓即可上手，施工效率很高，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工效率的2～3倍，可以大大縮短施工周期。

6）各種方案綜合對比，見表2。

表2 各種方案綜合對比表

通過分析對比說明：格賓石籠具有適應變形能力強、自然透水、抗沖消能效果好、耐久性較好等優(yōu)點，故沙河渡槽應急防護選取格賓石籠防護方案。

4.2 應急防護工程總體布置

沙河梁式渡槽防護工程范圍為渡槽第35、36跨上游10 m至下游27m。沙河梁式渡槽第35、36跨上游10 m范圍內(nèi)鋪設1 m厚的格賓石籠，首端設2 m深齒墻，槽身下方及渡槽下游15m范圍內(nèi)鋪設1 m厚的格賓石籠，護砌頂高程自上游至下游由114.0 m沿自然坡度漸變至113.5m，后接1∶30的斜坡順延至下游主河床底高程113.0m，末端設深3m的防沖槽。斜坡段格賓石籠下鋪一層400g/m2的無紡土工布。具體布置情況見圖2、圖3。

圖2 沙河梁式渡槽槽墩防護平面示意圖

圖3 沙河梁式渡槽槽墩防護剖面示意圖

4.3 格賓石籠技術要求

格賓石籠規(guī)格為：200 cm×100 cm×100 cm（長×寬×高），技術要求如下。

4.3.1 格賓網(wǎng)

1）格賓網(wǎng)鋼絲強度。鋼絲抗拉強度介于40～55kg/mm2之間，延伸率≥13%。

2）鋼絲鍍層。鋼絲鍍層為重鍍高爾凡(5%鋁鋅合金+稀土元素)。鍍層重量滿足國家標準《鋅-5%-鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》（GB/T 20492）中A等級鋼絲標準，其中鋁含量≥4.2%。鍍層均勻性滿足國家標準《鍍鋅鋼絲鋅層硫酸銅試驗方法》GB/T 2972。鍍層粘附力應滿足，當鋼絲繞具有4倍鋼絲直徑的圓柱6周時，鍍層表面不起層或開裂，同時用手指碾搓鋼絲不會剝落或開裂。鍍層附著力測試應滿足《金屬材料線踩纏繞試驗方法》（GB/T 2976）。

3）鋼絲網(wǎng)格。網(wǎng)面抗拉強度和網(wǎng)面翻邊強度均＞50 kN/m；網(wǎng)面鋼絲完整不允許有斷絲，網(wǎng)片外露面色澤基本一致；網(wǎng)片面不得有破損、銹蝕、鍍層不得有裂痕、涂（鍍）層不得破損。

網(wǎng)面加工過程中，裁剪后末端與邊端鋼絲的連接處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為加強網(wǎng)面與邊端鋼絲的連接強度與性能，需采用專業(yè)的翻邊機將網(wǎng)面鋼絲纏繞在邊端鋼絲上≥2.5圈，盡量不采用手工絞，翻邊強度需大于35kN/m。

綁扎鋼絲與網(wǎng)面鋼絲采用同一種材質(zhì)鋼絲，為保證連接強度，嚴格按照間隔10～15cm單圈－雙圈連續(xù)交替絞合。

鋼絲網(wǎng)格應由機器預先整體編織成六邊形雙絞合網(wǎng)格，其聯(lián)接處由相互纏繞3圈的一對絞鋼絲組成，如圖4所示，為保證整體強度,應采用專業(yè)的翻邊機械將網(wǎng)面鋼絲在邊端鋼絲上纏繞2.5圈以上。

圖4 格賓網(wǎng)示意圖

4.3.2 填料要求

填充石料采用堅固、耐久、未風化且粒徑級配好的花崗巖塊石或卵石。所用填充石料應滿足質(zhì)地堅硬、新鮮、完整，無風化剝落層或裂紋，石材表面無污垢、水銹等雜質(zhì)，其用于填充表面的石材，應色澤均勻。石料料外形規(guī)格要求如下：毛石砌體，毛石應呈塊狀，中部厚度≥20 cm。規(guī)格小于要求的毛石，用于塞縫，其砌體重量應小于該處重量的10%。料石砌體：按其加工面的平整度分為細料石、半細料石、粗料石和毛料石四種。料石各面加工要求應滿足《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50203－2011）的有關規(guī)定。石料容重＞25 kN/m3，濕抗壓強度＞100MPa[1]。

5 河道防護后沖刷計算

河道防護后沖刷計算采用300年一遇洪峰流量10 160 m3/s，相應洪水位為121.23m。

5.1 上游護底首端河床沖刷計算[2]

上游護底首端河床沖刷計算采用根據(jù)《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）公式B.3.2計算，計算公式如下：

式中 d'm——上游護底首端河床沖刷深度（m）；q'm——上游護底首端單寬流量[m3/（s·m）]，計算時設計流量取河槽分攤的流量；[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）；沙河河槽表層土質(zhì)主要為第③層礫砂和第（13）-1層卵石層；h'm——上游護底首端河床水深（m），取6.73m。

經(jīng)計算，上游護底首端河床沖刷深度為1.43 m。本次設計上游端設2.0m深齒墻，可滿足設計需要。

5.2 下游河床沖刷計算[2]

根據(jù)現(xiàn)場邊界條件，沙河渡槽槽身下游河床沖刷坑深度按以下公式計算：

式中 dm——下游河床沖刷深度（m）；qm——單寬流量[m3/（s·m）]，計算時設計流量取河槽分攤的流量；[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）。沙河河槽表層土質(zhì)主要為第③層礫砂和第（13）-1層卵石層；hm——下游河床水深（m）。

經(jīng)計算，沖刷深度為dm=4.1 m，因此，本次設防沖槽，防沖槽深度為3.0 m，確保拋石數(shù)量能安全覆蓋沖刷坑的上游坡面。

5.3 沖刷后墩前行近流速[3]

槽墩處沖刷流速采用《公路工程水文勘測設計規(guī)范》（JTGC 30-2015）中公式（7.4.4-1）進行計算，計算公式如下：

式中 Bz——造床流量下的河槽寬度（m）；Bc——河槽寬度（m）；hc——河槽平均水深（m）；hcm——河槽最大水深（m）；Hz——造床流量下的河槽平均水深（m）；Q2——橋下河槽部分通過的設計流量（m3/s）；Qc——天然狀態(tài)下河槽部分設計流量（m3/s）；μ——橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；Bcg——橋長范圍內(nèi)的河槽寬度（m），當河槽能擴寬至全橋時取用橋孔總長度；λ——設計水位下，在Bcg寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過水面積的比值；Vc——河槽平均流速（m/s）；Ad——單寬流量集中系數(shù)；V——河槽平均流速（m/s）。

經(jīng)計算，主槽處槽墩墩前行近流速為4.7 m/s。本次防護設計采用格賓石籠防護，格賓石籠抗沖刷性能好，抗沖流速為6～8m/s，大于槽墩處行近流速4.7 m/s，因此可滿足抗沖防護要求。

6 結(jié)語

由于沙河梁式渡槽工程的特殊性，必須在汛期前保證槽墩基礎防護完成，否則汛期極有可能因沙河洪水導致渡槽基礎失穩(wěn)影響整個南水北調(diào)中線干線工程的正常輸水運行。本次沙河梁式渡槽槽墩應急防護工程槽墩防護設計具有科學合理、經(jīng)濟實用，施工便捷，效率高等優(yōu)點，尤其施工中所采用的防護材料格賓石籠因其特有的柔性結(jié)構(gòu)設計及高伸張率的低碳鋼絲，具有很強的柔韌性及變形能力、自然透水、抗沖消能效果好、耐久性較好等優(yōu)點。該應急防護工程的實施從工程角度消除了沙河梁式渡槽槽墩及渡槽下游沖刷、淘刷嚴重的安全隱患，確保了工程實體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效保障了南水北調(diào)工程調(diào)度安全、供水安全、運行安全。