航電樞紐邊坡水毀修復(fù)方法研究

程烈 廖柳霞 首佳 四川江源工程咨詢有限公司

1.引言

嘉陵江是長(zhǎng)江上游左岸的一級(jí)支流，發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，流經(jīng)陜西、甘肅、四川三省。沙溪、金銀臺(tái)、新政、金溪、鳳儀航電樞紐分別為嘉陵江16級(jí)梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第3、4、6、7、9級(jí)。本文結(jié)合樞紐庫(kù)區(qū)運(yùn)行情況和下游邊坡水毀修復(fù)方案進(jìn)行研究，分析了邊坡水毀成因機(jī)理，總結(jié)得出樞紐邊坡水毀修復(fù)的通用方法及措施。

2.樞紐邊坡水毀情況

（1）沙溪航電樞紐右岸尾水邊坡。2021年10月5日（以下簡(jiǎn)稱10.5），嘉陵江流域發(fā)生特大洪水，沙溪最高洪峰達(dá)15960m3/s，超過(guò)右岸尾水邊坡五年一遇（Q=14700m3/s）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。邊坡設(shè)計(jì)的框格梁+三維生態(tài)袋護(hù)坡植被尚未生長(zhǎng)，抗沖刷能力較低，在超標(biāo)洪水下，尾水邊坡框格梁區(qū)域局部損毀，錐坡末端出現(xiàn)局部淘刷。

（2）金銀臺(tái)航電樞紐大壩下游邊坡。10.5超標(biāo)洪水，金銀臺(tái)最高洪峰流量達(dá)21200m3/s，接近10年一遇流量，超過(guò)下游護(hù)坡工程兩年一遇洪水（Q=12100m3/s）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。洪水及其上游漂浮物對(duì)護(hù)坡造成沖刷破壞，同時(shí)經(jīng)歷洪水位反復(fù)漲落，也加劇了護(hù)坡的損毀。

現(xiàn)場(chǎng)情況顯示，路基、面板、岸坡填筑料以泥巖風(fēng)化料為主，遇水后力學(xué)參數(shù)很低，不利于排水，加上填料碾壓不均勻，洪水漲落過(guò)程中出現(xiàn)不均勻沉降，局部面板下部斷裂，沖刷后造成破壞。隨著細(xì)粒料流失，面板進(jìn)一步下沉形成坑洞，在洪水沖刷或快速退水時(shí)，面板發(fā)生大面積損毀。

（3）新政航電樞紐右岸尾水邊坡。10.5超標(biāo)洪水，新政最大洪峰流量達(dá)20500m/s，超過(guò)右岸護(hù)坡工程兩年一遇洪水（Q=12100m/s）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。且因亭子口電站調(diào)峰錯(cuò)峰，洪水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，反復(fù)淘刷造成護(hù)坡?lián)p毀。坡腳基礎(chǔ)部分區(qū)域洪水后將鉛絲籠護(hù)腳沖走，坡腳基礎(chǔ)向外側(cè)偏移，面板內(nèi)部淘空，造成面板底部塌陷、損毀。

（4）金溪航電樞紐右岸尾水邊坡。10.5超標(biāo)洪水，金溪最高洪峰達(dá)22500m3/s，超過(guò)右岸尾水邊坡設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（Q=14500m3/s）。超標(biāo)洪水流速大、涌浪大，位于上游端頭的噴錨砼區(qū)受洪水頂沖局部損毀。老面板局部出現(xiàn)斷裂、裂縫、起拱、變形等破壞，面板損毀后，坡體失去保護(hù)，堤體砂卵石流失、掏空。同時(shí)，樞紐下游河道大量采砂等原因，破壞了河床結(jié)構(gòu)和推移質(zhì)的天然沖淤平衡狀態(tài)，超標(biāo)洪水流速大，兩岸邊灘砂石加速補(bǔ)給下游低洼區(qū)，造成護(hù)坡段河床下切，坡腳出露，局部齒墻遭受嚴(yán)重淘刷。

（5）鳳儀航電樞紐左岸尾水護(hù)坡[5]和庫(kù)區(qū)黃傘壩。由于廠房機(jī)組常年發(fā)電出水和江陵壩隧洞排水對(duì)尾水渠左岸邊坡造成沖刷、淘蝕且情況嚴(yán)重，導(dǎo)致左岸尾水護(hù)坡出現(xiàn)水毀。黃傘壩堤防損毀主因是發(fā)生超標(biāo)洪水，超過(guò)鳳儀防護(hù)堤工程兩年一遇洪水（Q=12100m3/s）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。原設(shè)計(jì)采用砂卵石均質(zhì)面板堤，退水時(shí)迎水側(cè)面板內(nèi)外形成水壓力差，導(dǎo)致出現(xiàn)變形、破壞，造成退水破壞。黃傘壩堤防經(jīng)過(guò)多年長(zhǎng)期運(yùn)行，部分堤體內(nèi)部出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致臨水側(cè)面板受力不均出現(xiàn)較多微小裂縫。

3.樞紐邊坡水毀原因分析

3.1 水毀類型劃分

1）邊坡河灣凹岸沖刷。河灣中由于彎道環(huán)流存在導(dǎo)致凹岸沖刷，邊坡固定了河岸，環(huán)流充分發(fā)展，沖刷深度擴(kuò)大，沿河邊坡坡腳淘空造成邊坡坍塌。樞紐下游填方邊坡，邊坡較陡，同時(shí)結(jié)合石砌護(hù)坡和擋土墻，以減少對(duì)河道的壓縮和對(duì)水流的阻塞，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，護(hù)坡基礎(chǔ)埋深常常達(dá)不到設(shè)計(jì)深度，凹岸水流沖刷淘空基礎(chǔ)，造成護(hù)坡和擋墻失穩(wěn)甚至垮塌。

2）超標(biāo)洪水漫溢坡頂。發(fā)生超標(biāo)洪水時(shí)，洪水漫過(guò)坡頂，浸水邊坡受到水的浮力、側(cè)向壓力及沖刷作用，造成全毀或局部水毀，特別是淹后急速退水產(chǎn)生的負(fù)壓力和沖刷，邊坡毀壞更為嚴(yán)重；同時(shí)，洪水漫頂造成背側(cè)水土流失，加劇邊坡水毀。

3）樞紐尾水沖刷。尾水對(duì)邊坡基礎(chǔ)股流頂沖或斜沖，或股流彎曲逼近邊坡，長(zhǎng)期沖刷邊坡坡腳，造成破壞。尾水流速較天然河道流速大，沖刷能力強(qiáng)，造成邊坡水毀。

4）邊坡排水不暢。由于邊坡年久失修，排水系統(tǒng)不暢，在暴雨或洪水來(lái)時(shí)，無(wú)法正常排水，導(dǎo)致邊坡內(nèi)外水壓力差過(guò)大而造成水毀。

5）基礎(chǔ)埋深不夠，缺乏防護(hù)加固措施。由于邊坡基礎(chǔ)埋深不夠，或無(wú)防護(hù)加固措施，常年受到水流淘刷后，導(dǎo)致基礎(chǔ)不穩(wěn)或邊坡失穩(wěn)而水毀。

6）邊坡不均勻沉降。回填邊坡在施工過(guò)程中，存在回填不密實(shí)，碾壓不均勻等問(wèn)題，長(zhǎng)期運(yùn)行后發(fā)生不均勻沉降。面層底部出現(xiàn)空隙，在外力作用下，坡面砼出現(xiàn)局部損毀，同時(shí)洪水沖刷，造成邊坡發(fā)生水毀。

7）邊坡建筑物老化。邊坡運(yùn)行多年后，砼面板等構(gòu)筑物老化或材料標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，導(dǎo)致坡面形成裂縫等問(wèn)題，洪水過(guò)后退水時(shí)，反向水壓力作用下，面板被洪水翻出帶走，從而對(duì)邊坡造成水毀。

3.2 水毀原因分析

邊坡水毀是洪水水流與邊坡結(jié)構(gòu)物（坡面、基礎(chǔ)等構(gòu)造物）之間相互作用、相互影響的結(jié)果，多發(fā)生在汛期洪水來(lái)臨時(shí)。水毀主要特點(diǎn)是坡面和坡腳受水流沖刷、浸泡、淘刷，坡面出現(xiàn)坑洞，基礎(chǔ)被沖毀，造成邊坡坍塌。

主要成因：

①水流攜帶的大中型漂浮物在較大流速時(shí)，對(duì)坡面薄弱區(qū)域沖擊形成裂隙或者孔洞，裂隙或者孔洞繼續(xù)發(fā)展導(dǎo)致邊坡被淘刷，邊坡失穩(wěn)而破壞。

②水流淘刷基礎(chǔ)部位泥沙，泥沙因流速過(guò)大而被攜帶，坡面高度和坡度增大，邊坡失穩(wěn)而坍塌，水流持續(xù)沖刷坡面導(dǎo)致水毀加劇。坡腳沖刷是造成邊坡水毀的主要原因，坡腳保護(hù)尤為關(guān)鍵。

沖刷深度計(jì)算如下式：

式中：

h－局部沖刷深度（m）；

H－沖刷處水深（m）；

U－近岸垂線平均流速（m/s）；

n－與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～·/6；

η－水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表1進(jìn)行采用。

表1 水流流速不均勻系數(shù)

當(dāng)邊坡采用塊石等大粒徑巖石作為防沖護(hù)腳時(shí)，其保持穩(wěn)定的抗沖粒徑（折算粒徑）按文獻(xiàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

d——折算粒徑（m），按球形折算；

W——石塊重量（kN）；

V——水流流速（m/s）；

g——重力加速度（m/s）；

C——石塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)；水平底坡C=1.2，傾斜底坡C=0.9；

γ——石塊的容重（kN/m）；

γ——水的容重（kN/m）。

4.樞紐邊坡水毀修復(fù)方案

邊坡水毀主要為邊坡的坡面和坡腳受水流沖刷、浸泡，進(jìn)而坡面出現(xiàn)坑洞，基礎(chǔ)被沖毀，甚至邊坡坍塌等情況，以下就邊坡水毀修復(fù)方案進(jìn)行研究。

4.1 坡面修復(fù)方案

1）面板裂縫或局部坑洞修復(fù)。對(duì)混凝土面板局部連續(xù)性裂縫，堤體沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形時(shí)，采用瀝青灌縫方式處理；對(duì)于局部小坑洞，面板整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高時(shí)，清理原面板，對(duì)坑洞注漿回填，并恢復(fù)原結(jié)構(gòu)。

2）面板小面積水毀修復(fù)。面板產(chǎn)生小面積水毀，新增結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固以增加整體邊坡強(qiáng)度，考慮結(jié)合錨噴方案進(jìn)行修復(fù)。例如金溪右岸尾水邊坡原錨噴區(qū)域采用錨噴修復(fù)。

3）面板大面積水毀修復(fù)。面板產(chǎn)生大面積水毀，說(shuō)明原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，對(duì)坡面整體進(jìn)行加固修復(fù)，切割破壞邊緣，清理原砼塊體，填筑砂卵石，整體澆筑混凝土面板進(jìn)行修復(fù)，坡腳拋填原破碎砼塊體加強(qiáng)防沖。例如，金銀臺(tái)大壩下游邊坡修復(fù)、新政右岸尾水邊坡修復(fù)、金溪右岸尾水邊坡修復(fù)和鳳儀庫(kù)區(qū)黃傘壩面板修復(fù)，并在新修面板與底板、橫斷面老混凝土、防浪墻等新老結(jié)合處，采用膨脹橡膠條填充防滲。

4）邊坡淘刷修復(fù)。邊坡淘刷嚴(yán)重，后期恢復(fù)原坡面結(jié)構(gòu)時(shí)，不易對(duì)邊坡進(jìn)行密實(shí)而影響邊坡的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，堤身采用膠凝砂礫石進(jìn)行填充，坡面采用富膠凝砂礫石護(hù)面。例如，沙溪右岸尾水邊坡采用C15富膠凝砂礫石修復(fù)；鳳儀庫(kù)區(qū)黃傘壩水毀嚴(yán)重段，堤身采用膠凝砂礫石結(jié)構(gòu)，護(hù)坡采用C15加漿振搗富膠凝砂礫石和C4膠凝砂礫石填筑。防護(hù)堤縱向分縫采用橡膠止水帶和瀝青木板；膠凝砂礫石與底板及橫斷面老混凝土止水、新老結(jié)合處均設(shè)膨脹橡膠條充填防滲，形成完善的防滲體系。

4.2 坡腳修復(fù)方案

1）修復(fù)方案一（干地施工）。當(dāng)滿足干地施工條件時(shí)，護(hù)腳修復(fù)采用C15富膠凝砂礫石現(xiàn)澆護(hù)腳或者大塊石護(hù)腳。例如，金溪右岸尾水邊坡坡腳沖刷嚴(yán)重段，離水域較遠(yuǎn)，具備現(xiàn)澆場(chǎng)地條件，采用C15富膠凝砂礫石現(xiàn)澆護(hù)腳；沙溪右岸尾水邊坡上游錐坡末端淘刷區(qū)域采用大塊石堆填防護(hù)。

2）修復(fù)方案二（水下拋填）。當(dāng)施工條件為水下拋填時(shí)，護(hù)腳修復(fù)采用預(yù)制膠凝砂礫石四面體護(hù)腳，工期緊時(shí)可結(jié)合砼四面體護(hù)腳。例如，金銀臺(tái)大壩下游邊坡坡腳防護(hù)采用預(yù)制膠凝砂礫石四面體；新政右岸尾水邊坡坡腳采用澆筑C20砼保護(hù)，護(hù)腳外側(cè)拋填C15富膠凝砂礫石四面體防沖；金溪右岸尾水邊坡坡腳沖刷嚴(yán)重段，離水域較近，河灘地形較陡，位于河床下切明顯且受水流淘刷影響較大的凸岸，采用C15富膠凝砂礫石四面體保護(hù)，其中擋墻和坡腳齒墻向內(nèi)淘刷區(qū)域，采用現(xiàn)澆回填，再拋填C15富膠凝砂礫石四面體保護(hù)；鳳儀左岸尾水護(hù)坡坡腳，采用機(jī)械挖槽，斷面呈倒梯形，槽內(nèi)拋填C15砼正四面體護(hù)腳，防止洪水沖蝕保護(hù)基礎(chǔ)。

5.結(jié)論

根據(jù)以上邊坡修復(fù)成功經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、可靠性等，對(duì)航電樞紐邊坡水毀修復(fù)方案建議如下：

5.1 坡面修復(fù)

坡面修復(fù)應(yīng)根據(jù)坡面原防護(hù)結(jié)構(gòu)和水毀嚴(yán)重程度進(jìn)行方案選擇。當(dāng)面板只有少量裂縫時(shí)，采用瀝青灌縫方式對(duì)裂縫進(jìn)行處理；當(dāng)面板產(chǎn)生局部坑洞時(shí)，先進(jìn)行注漿回填，再恢復(fù)原結(jié)構(gòu)；當(dāng)面板小面積水毀時(shí)，采用錨噴方案進(jìn)行修復(fù)；當(dāng)面板產(chǎn)生大面積水毀時(shí)，整體采用砼面板方案進(jìn)行修復(fù)；當(dāng)邊坡淘刷嚴(yán)重時(shí)，采用膠凝砂礫石堤身+富膠凝砂礫石護(hù)面方式進(jìn)行修復(fù)處理。

5.2 坡腳修復(fù)

施工條件為干地施工時(shí)，護(hù)腳修復(fù)采用C15富膠凝砂礫石現(xiàn)澆或者大塊石回填；施工條件為水下拋填時(shí)，護(hù)腳修復(fù)考慮預(yù)制膠凝砂礫石四面體，工期緊時(shí)可結(jié)合砼四面體防護(hù)。

大塊石護(hù)腳因料源地域差異，材料單價(jià)不一，具有不確定性；現(xiàn)澆C15富膠凝砂礫石護(hù)腳為硬性結(jié)構(gòu)，不能很好適應(yīng)地基不均勻沉降；砼四面體護(hù)腳單價(jià)偏高。因此本文推薦坡腳修復(fù)方案應(yīng)優(yōu)先考慮采用預(yù)制膠凝砂礫石四面體護(hù)腳。