潛壩加固工程主要控制參數初步研究

(長江科學院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

潛壩加固工程主要控制參數初步研究

黃衛東萬星星劉同宦

(長江科學院河流研究所，湖北武漢430010)

潛壩工程是控制分汊型河道河勢的常用工程，多位于汊道口門處，建成后潛壩及下游一般會遭到不同程度的沖刷從而導致不均勻沉陷，對其進行拋石加固是維持其功能的重要措施。為增強拋石加固的工程效果，以長江下游和暢洲左汊口門潛壩加固工程為例，首次嘗試展開現場試驗，研究拋投落距、潛壩上下游壩坡拋石工程量擴大系數和潛壩壩頂及壩肩尼龍網石兜拋投工程量擴大系數，優化其拋投施工工藝，實時實現施工準確定位及有效加固。這些施工主要控制參數的研究可為潛壩加固工程和其他類似工程的施工提供參考。

潛壩加固；分汊河道；施工定位；控制參數

潛壩是指設置在枯水水面以下、具有調整水面比降及限制河底沖刷等功能的河道整治建筑物，目的是防止河床受到過多沖刷或水流寬度增加[1]。近年來，潛壩工程逐漸成為抑制分汊型河道汊道過快發展的重要河勢控制工程之一，在長江中下游較為典型的是以潛壩工程為主體的和暢洲左汊口門控制工程[2]。

該潛壩工程所在水域水深流急，隨著時間的推移，潛壩及潛壩下游遭到一定程度的沖刷和沉陷，壩體局部降低，潛壩控制分流比的作用有所減弱[3]，為促進和暢洲兩汊江岸的進一步開發利用和長江南京以下12.5 m深水航道的建設，對口門潛壩壩體進行維護加固就顯得十分必要和非常迫切。但該潛壩工程在一定程度上是帶有試驗性的工程，缺乏類似工程成果經驗，更無可資用的理論公式[4]，給潛壩加固工程的實施帶來一定難度。同時，考慮到模型試驗的局限性，其模擬成果與實際工程情況仍存在不小的偏差。

綜上，如何在潛壩加固過程中進行現場定位，如何準確地控制拋石(尼龍網石兜)、對潛壩表面形成均勻保護以及具體的施工工藝、工序和工程量補償系數等，均無先例[5]，因此必須通過現場試驗探索、總結，取得實踐經驗和試驗數據，以為工程技術設計、工程實施和建設管理提供參考[6]。

1 試驗施工方案

1.1 試驗段選取

試驗選取潛壩斷面1+000～1+060作為試驗段，其長度為60 m。該段加固工程內容全面，工程量大小合適，該段壩頂黃海高程位于-14～-16 m，壩腳處河床黃海高程位于-17～-20 m，壩腳最大水深約24 m，水流流速相對較大，整體代表性相對較好。

1.2 試驗工程內容

試驗段壩體防護方案是對上、下游壩坡坡面進行拋護1.2 m厚的塊石加固，對壩頂沉陷部分拋填1.2 m厚(寬10 m)的尼龍網石兜、壩頂及壩肩拋護1.2 m厚的尼龍網石兜(寬25 m，其中壩體縱軸線向上游10 m、向下游15 m)加固。試驗段上、下游壩坡共需防護面積1 935 m2，合計拋塊石2 786.4 m3，壩頂及壩肩需防護尼龍網石兜面積1 500 m2，尼龍網石兜合計3 024 m3(拋石和尼龍網石兜設計工程量擴大系數暫按1.2計算)。

1.3 單元劃分及拋投試驗次序

該次試驗段壩體加固方案將壩坡拋石防護劃分為6個單元(A～F)，壩頂及壩肩尼龍網石兜拋護劃分為3個單元(G～I)，單元劃分見圖1。試驗段施工程序為：壩坡拋石防護→壩頂凹陷損壞部分拋尼龍網石兜填補→壩頂及壩肩拋尼龍石網石兜加固。試驗段施工順序為：左岸側→右岸側。壩坡拋石防護施工順序：上游壩坡→下游壩坡，壩腳→壩肩。壩頂及壩肩拋尼龍石網石兜施工順序：上游→下游。

圖1 試驗段拋石防護單元劃分

2 現場試驗過程

本次現場試驗時間為2012年4月19日至6月14日，試驗過程中合計拋投塊石3 930.55 m3，拋投尼龍網石兜3 024 m3。

2.1 4月19日至5月16日測次

期間在上游壩面拋投塊石562.4 m3，在下游壩面拋投塊石339.4 m3，在壩頂和壩肩防護區拋投尼龍網石兜504 m3。

從試驗前后的地形變化圖來看，地形抬高較為明顯的區域基本位于潛壩工程區，其中壩頂區域地形抬高明顯，地形最大抬高值約2 m，且地形抬高區域基本涵蓋整個尼龍網石兜拋護區，證明尼龍網石兜拋護相對集中，防護效果較好。上游壩面拋石防護區整個工程區地形均有不同程度抬高，最大淤高值為1.22 m，但塊石分布較為分散。由于下游壩面拋石防護區處于參數調整試驗階段，塊石體主要集中在B2、C2單元，說明后期需調整落距公式參數。

2.2 5月16～26日測次

期間在壩頂和壩肩防護區拋投尼龍網石兜1 944 m3，在下游壩面拋投塊石781.5 m3。

從試驗地形變化圖來看，壩頂尼龍網石兜拋護區地形有顯著抬高，最大抬高值出現在I2和I3的交界處，達到3.17 m。由于流向往右偏，落在右側區域內的尼龍網石兜比左側的多一些，從整體效果來看，尼龍網石兜拋投準確性高，且分布較為集中，但靠近上下游壩面的邊緣區域存在一定的下滑現象。

在尼龍網石兜拋投之后，進行下游壩面塊石拋投。由于試驗過程中采用與上游壩面相同的拋石落距公式，同時壩體和拋投的尼龍網石兜造成了拋投落距的大量損失，拋投準確率相對較低，拋投體增量主要集中在下游壩面與壩肩的交界處，同時在施工過程中下游壩面存在沖刷現象，說明下游壩面拋石難度相對較大，必須加大防護強度，同時應考慮適當減小拋石落距，并調整施工順序。

2.3 5月26日至6月4日測次

期間在壩頂和壩肩防護區邊緣拋投尼龍網石兜576 m3，在上游壩面拋護塊石1 139.2 m3，在下游壩面拋護塊石850.4 m3。

為尋求合適的拋投落距，試驗過程根據上一次的測量結果實時調整落距，對上下游壩面區進行了重復拋投，在上游壩面和下游壩面區短期內均觀測到較大的增量，一段時間后又呈現不同程度的沖刷。通過在試驗過程中不斷加大塊石拋護量，最終使上下游壩面的石方量在試驗階段呈單向遞增之勢，但平面分布不均勻的現象依然存在，且工程區之外可見較為明顯的塊石增量出現。

試驗還對防護效果相對較差的位于左邊界和上游邊界附近的尼龍網石兜防護區進行了補拋，落距調增量均采用5 m。由于之前已經落淤一定數量的尼龍網石兜，加拋留在邊界區的概率變小，除靠近上游邊界的I1區觀測到明顯增量外(增量為36.6 m3)，其余單元未觀測到明顯增量甚至呈現沖刷，可見尼龍網石兜防護區加拋的意義不大。

2.4 6月4～14日測次

期間主要對A1、C1、D2進行了塊石補拋，總量為257.8 m3，其中A1為137.7 m3、C1為57.7 m3、D2為62.4 m3。從加拋后的測量地形看，加拋區域方量增加明顯，且均位于預定拋石區附近，證明塊石加拋效果較為明顯，在沖刷較為明顯的區域適當加拋十分必要。

各測次潛壩加固試驗段拋投增量值平面示意見圖2。

圖2 潛壩加固試驗段拋投增量值平面示意

3 試驗結果分析

3.1 尼龍網石兜試驗

3.1.1 拋投順序

按壩頂寬10 m、拋厚1.2 m，填補先進行壩頂凹陷部位的尼龍網石兜，按平均拋厚0.6 m分兩次拋投完成，再進行壩頂及壩肩尼龍網石兜拋護施工，按壩頂寬25 m、拋厚1.2 m拋投，同樣按平均拋厚0.6 m分兩次拋投完成。

3.1.2 水下分布

尼龍網石兜自2012年5月3日開始施工，至2012年6月2日結束。該次現場拋尼龍網石兜試驗段長度為60 m，工程量補償系數按1.2計算，施工寬度壩頂及壩肩拋護為25 m和壩頂沉陷部分拋填寬度為10 m，壩肩和壩頂拋護厚度分別是1.2 m和2.4 m，拋護總面積為1 500 m2，尼龍網石兜總體積為3 024 m3，總重量為5 140.8 t。設計單個尼龍網石兜面積為：2.0×2.0=4.0 m2，單個尼龍網石兜體積為2.0×2.0×0.6=2.4 m3，單個尼龍網石兜重量約為2.4×1.7=4.08 t。

調整拋投前的拋投距離是為了更準確地將尼龍網石兜拋投到設計的正確位置，在現場試驗過程中，根據前一天拋投后的測量結果來調整后一天拋投的拋投距離。2012年5月3日開始第一船尼龍網石兜的施工，拋尼龍網石兜72 m3，當時水位2.29 m，流速1.7 m/s，平均水深17.29 m，根據落距公式L=0.8VH/W1/6計算出平均落距5.9 m進行拋投，施工結束后進行水下測量。測量資料表明，所拋尼龍網石兜落在區域內為43.5 m3，其余基本落在下游區域。5月6日在進行第二船尼龍網石兜的施工時，當天拋尼龍網石兜72 m3，當時水位3.07 m，流速1.83 m/s，平均水深18.5 m，應用落距公式L=0.8VH/W1/6計算出平均落距6.8 m進行拋投，根據第一次的測量資料分析，將網兜落距在計算結果6.8 m的基礎上再調整5 m，即按網兜平均落距11.8 m進行拋投施工，結束后進行水下測量。測量資料表明，所拋尼龍網石兜落在區域內為64.3 m3，大部分落在指定的區域。

5月7日在進行第三船尼龍網石兜拋投施工時，當天拋尼龍網石兜72 m3，當時水位3.33 m，流速1.7 m/s，平均水深18.5 m，運用落距公式L=0.8VH/W1/6計算出平均落距6.2 m進行拋投，與上一次的測量資料分析，將網兜落距在計算結果6.2 m的基礎上再往上游調整4.8 m，即按網兜平均落距11.0 m進行拋投施工，結束后進行水下測量。測量資料表明，所拋尼龍網石兜落在區域內為68.5 m3，大部分落在指定的區域。試驗證明，根據實際水位、流速、風速等變化情況，進行適當微調，拋投效果較好。

試驗成果表明，此次尼龍網石兜拋投試驗段的調增量基本在4.3～6.0 m范圍內，流速越大，考慮的調增量也略大。因此，在流速1.7～2.1 m/s條件下，根據實際測量資料，運用塊石落距公式L=0.8VH/W1/6計算后，尼龍網石兜拋投的調增量約5.0 m，基本可保證所拋投的尼龍網石兜落在設計區域。

3.2 水下壩坡拋石試驗

3.2.1 潛壩壩坡塊石拋投調增量

壩坡拋石拋投自2012年5月3日開始施工，至2012年6月9日結束。該次現場拋塊石段長度為60 m，施工寬度壩上游為12～15 m不等，壩下游為15～22 m不等，設計拋石厚度為1.2 m，計算該段需要的塊石質量為(現場塊石密度按1.7 t/m3計算，拋石工程量補償系數按1.2計算)：1.7×2 786.4=4 736.88 t，實際拋投了58船，合計噸位數為6 683 t，合計方量數為3 931.2 m3。實際拋塊石量與設計拋塊石量的比例為6 683÷(4 736.88×1.2)=1.693。

現場試驗過程中，根據前一天拋投后的測量結果來調整后一天拋投的調增量。2012年5月3日開始潛壩上游第一次水下壩坡拋石的施工，拋塊石145.9 m3，當時水位2.35 m，流速1.38 m/s，平均水深18.3 m，運用落距公式L=0.8VH/W1/6計算出平均落距10.7 m進行拋投，未考慮調增量。結束后水下測量資料表明，塊石落在區域內僅為49.6 m3，拋石增厚不明顯，根據斷面資料塊石所覆蓋的區域偏下游。5月4日進行了潛壩下游第一次水下壩坡拋石的施工，拋塊石200.0 m3，當時水位2.93 m，流速為1.51/s，平均水深18.93 m，運用落距公式L=0.8VH/W1/6計算出平均落距11.9 m進行拋投，未考慮調增量。水下測量資料表明，塊石落在區域內僅為102.9 m3，通過總結2d的拋石經驗，認為在接下來的壩坡拋石施工過程中，應加強對塊石來源的控制，要求含泥量不能太大，塊石粒徑不能太小。同時根據塊石在區域內的分布情況，在運用落距公式L=0.8VH/W1/6計算結果的基礎上，上游拋石調增量采用5 m，下游拋石調增量采用3 m。5月6日進行第二次潛壩上游水下壩坡拋石施工，當天拋塊石272.9 m3，當時水位3.1 m，流速1.4 m/s，平均水深20.0 m，運用落距公式L=0.8VH/W1/6計算出平均落距11.7 m，根據潛壩上游第一次的測量資料分析，將塊石落距在計算結果11.7 m的基礎上再往上游調整5 m進行拋投施工。5月16日進行第二次潛壩下游水下壩坡拋石的施工時，當天拋塊石139.4 m3，當時水位2.94 m，流速2.22 m/s，平均水深21.45 m，運用落距公式L=0.8VH/W1/6計算出平均落距20.6 m，根據潛壩下游第一次測量資料分析，將塊石落距在計算結果20.6 m的基礎上再往上游調整3 m進行拋投施工。在接下來的現場試驗中根據實際水位、流速、風速等變化情況，按照潛壩上游調整量采用5 m，潛壩下游調增量采用3 m進行適當的微調。

該次現場拋石拋投試驗調增量的調整過程表明，拋石落距一般是隨著流速的增加而加大，同時還要考慮施工時石頭的大小。由于拋石下水位置均在潛壩上游，所以在實施潛壩下游壩坡拋石時還要考慮潛壩壩頂對拋石落距的影響。根據本次試驗實測資料，潛壩上游塊石拋投的調增量約為5.0 m，潛壩下游塊石拋投的調增量約為3.0 m。

3.2.2 水下分布

潛壩上游拋石防護的6個單元(A1～F1)中各斷面的增厚率分別是：CS1+000為56.5%、CS1+010為143.2%、CS1+020為127.2%、CS1+030為75.7%、CS1+040為96.4%、CS1+050為109.3%、CS1+060為62.2%；潛壩下游拋石防護的6個單元(A2～F2)中各斷面的增厚率分別是：CS1+000為68.2%、CS1+010為198.6%、CS1+020為214.8%、CS1+030為155.9%、CS1+040為117.0%、CS1+050為118.1%、CS1+060為119.6%，平均斷面的綜合實際增厚率為118.8%。

現場試驗外圍數據和拋投區數據分析表明，在潛壩上游和潛壩兩側均有不同程度的拋石增厚，而潛壩下游則表現為明顯的沖刷，其變化規律體現為：①潛壩上游外圍區增加的拋投量體積較明顯，實際增厚的量和減小值與壩上游拋投區域內的基本相當；②潛壩下游外圍區更靠近上游的區域增加的拋投量體積相對較大，但沖刷均較明顯，靠下游的WX2區出現拋投后增量仍為負值的情況；③右側外圍區拋投增量比左側外圍區的大，沖刷量相對較小，說明右側防護效果比左側好，這主要是因為橫向水流的影響；④拋投區內，壩頂區域內增厚2.27 m，壩肩區域內增厚1.75 m，單位面積沖刷幅度最小，平均沖刷幅度約0.40 m，防護效果相對較好。為了保證加固工程效果，建議在潛壩下游壩腳線處拋投一定數量的塊石作為防沖備填石。

4 施工工藝的合理性探討

4.1 工程量擴大系數的確定

從表1可以看出，擴大系數采用1.2時，斷面平均增厚率為72.0%，且各斷面實際增厚率難以都達到65%的要求；擴大系數采用1.5時，斷面平均增厚率為97.3%，除邊界斷面CS1+000和CS1+060斷面增厚率低于65%外，其余均符合要求；擴大系數采用1.7時，斷面平均增厚率為118.8%，邊界斷面CS1+000和CS1+060斷面增厚率有所增加，但仍低于65%，其余斷面均符合要求。因此，依據經濟實用的原則，建議壩坡塊石拋護工程量擴大系數按1.5進行設計和施工，以達到預期的工程效果。

表1 不同拋石倍數斷面實際增厚率

4.2 拋投落距的確定

拋投落距是保證水下壩坡拋石拋投到位準確性的重要指標，也是該次現場試驗的重要內容之一。塊石落距一般采用L=0.8VH/W1/6計算，由于施工河段水流條件和地形的特殊性，拋投位置一般通過現場試驗結合上述公式加以確定。在現場試驗過程中，根據前一天拋投后的測量結果來調整后一天拋投的落距調增量。經過在不同區域多次調整試驗，得出在試驗工況下，采用尼龍網石兜拋投的落距調增量約5.0 m，潛壩上游拋石拋投的落距調增量約為5.0 m，潛壩下游拋石拋投的落距調增量約3.0 m，同時要考慮橫向流速的影響。但由于試驗段的局限性，上述落距調增量帶有一定的經驗性，可為潛壩其他部位的施工提供參考，但拋投落距調增量的精確確定需要進一步通過施工監測測量加以驗證。

4.3 交界區拋投尼龍網石兜的工藝探討

試驗過程中，在尼龍網石兜靠左和靠上游的防護邊界區，拋投尼龍網石兜的效果并不理想，通過對試驗過程和結果的分析，現提出如下幾點施工工藝設想。

(1) 由于施工過程中流向以偏右下為主，拋投位置應根據流向和流速值適當向左上移動，而不是本次試驗過程中的正上游方向。

(2) 建議從下游往上游施工，可避免上游床面原有尼龍網石兜對下游拋投尼龍網石兜的不利影響，以提高拋投到位的準確性。

(3) 鑒于試驗過程中壩頂及壩肩尼龍網石兜對下游壩面塊石拋投準確性有較大影響，建議先進行上、下游壩面的塊石拋投，再進行壩頂及壩肩的尼龍網石兜拋投。另外，先進行拋石防護，對壩面有一定的填平作用，為接下來進行的尼龍網石兜拋護創造了有利條件。

5 結 論

(1) 拋投落距問題較為復雜，該次現場試驗得到的落距有一定的前提條件，可為潛壩其他部位的施工提供參考。在流速1.7～2.1 m/s條件下，根據實測資料、運用塊石落距公式計算后，尼龍網石兜拋投的調增量約為5.0 m，潛壩上游拋石拋投的調增量約為5.0 m，潛壩下游拋石拋投的調增量約為3.0 m。但拋投落距調增量的精確確定有待于施工監測測量加以驗證。

(2) 試驗過程對工程區域內拋投體平面分布規律進行了研究，結果表明尼龍網石兜比拋石離散度更小，防護效果相對較好；拋石質量輕，且位于相對較陡的斜面上，拋投準確性受水流條件的影響相對較大，對拋投落距的響應更為敏感，且拋投后發生位移的概率相對較大，需適當增大拋投量方能達到工程目的。

(3) 根據不同工程量擴大系數對比試驗的測量結果，壩頂及壩肩尼龍網石兜拋護工程量補償系數按1.2計算、水下壩坡拋石防護工程量補償系數按1.5計算時基本能滿足工程要求。

(4) 通過現場試驗觀察了不同繩徑尼龍網兜的施工情況，考慮經濟實用原則，可采用繩徑為14 mm的尼龍網兜在潛壩壩頂及壩肩進行全面拋護加固的過程中使用。

(5) 建議先進行上、下游壩面的塊石拋投，自下游往上游施工。

[1] 錢寧，萬兆惠．泥沙運動力學[M]．北京：科學出版社，1991．

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(編輯：唐湘茜)

2017-09-15

國家重點研發計劃水資源高效開發利用重點專項課題資助(2017YFC0405306)

黃衛東，男，長江科學院河流研究所，高級工程師，博士研究生.

1006-0081(2017)11-0079-05

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