泄洪建筑物下游防護工程基礎修復措施探討

牛文娟

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

泄水建筑物常用于水利工程施工期導流、運行期泄洪，是水利水電工程重要的組成部分。但由于泄水建筑物及下游防護工程經常受到高速水流的沖刷作用，造成河床、護坦及護岸等結構嚴重損壞，甚至影響壩體結構安全。李婧、楊欣研究并分析了進水口、渡槽以及各類消能工沖刷破壞的防治措施，泄水建筑物滲漏破壞的防治措施，重點均以預防為主[1- 2]。蔣煌斌等人針對泄水建筑物沖刷破壞部位，研制了4種組合修復材料，通過試驗以及實際工程驗證，膠結提質材料具有良好的浸滲能力[3]。耿冰冰研究了泄水建筑物空蝕破壞以及沖刷破壞機理，并提出了防治措施[4]。普羅沃羅娃對泄水建筑下游消力池進行了局部沖刷計算，提出了最優的計算方法和計算公式[5]。目前，對于泄水建筑物下游防沖的研究多集中于沖刷計算、有限元分析以及預防措施方面，針對沖刷破壞后的修復措施卻研究甚少。本文結合新疆某水庫下游防護工程沖刷破壞后的實際情況，采取永臨結合的修復措施，提高建筑物防沖能力及穩定性。

2 沖刷破壞情況與應急加固措施

2.1 沖刷破壞情況

某水庫壩址以上的河流水系形態為羽狀水系，流域形狀為橢圓形，當降雨天氣沿著壩址以上流域的長軸方向自東向西移動過境且雨區面積較大時，受支流洪水匯入水庫時間差的影響，極易形成陡漲緩落復波疊加的洪水過程形態。同時該流域內地表植被稀少，上游山區裸露陡峭，基本無植被覆蓋，地面多為礫石戈壁，最終形成含泥量高、沖擊力強的暴雨型洪水。該水庫首次度汛運行時，泄洪系統下游河道整治段河床出現洪水沖刷現象。首次度汛行洪情況如圖1所示，洪水消退后暴露的下游防護工程基礎沖刷破壞情況如圖2所示。由圖1和圖2可知，首次度汛運行時，導流底孔側護坦、護岸邊墻等部位基礎因洪水沖刷淘蝕而發生脫空破壞現象，嚴重影響其穩定性，在正常運行尤其是再次行洪時很容易發生失穩破壞，若不及時修復甚至可能危及大壩整體穩定。尤其是二次洪峰來臨時差僅有3～5d，這種情況使得及時進行應急修復更為迫切。

2.2 應急修復

考慮二次洪峰來臨時差僅有3～5d，應急處理加固方案必須考慮如下原則：力求施工便捷、迅速；盡量利用現有防洪儲備物資，以及當地材料；盡可能地達到永臨措施良好地結合，從而減少工程投資，并保證工程持久安全運行[6]。由于本工程具有灌溉、防洪綜合利用任務，故工程運管單位對防洪預案及防洪物資是有一定的儲備，主要是鉛絲石籠成品網、鋼筋、水泥、沙袋等，但儲量有限，無法滿足工程現在的需求。河床下游10km范圍內雖有一定儲量的粒徑大于200mm的石塊，但需要人工篩檢和機械裝運一同協作。工程區所處縣鎮常用主材均需外運，運距150km。該縣鎮常住總人口約為2000人，對應急加固工程帶來了極大的挑戰。

原參建各方和上級主管部門對沖刷現場進一步踏勘并進行了會議研判，及時確定了應急加固方案。利用有限的5d時間，針對出現的沖刷部分采取了如下的應急加固處理措施。

(1)沿右側擋墻外側90m與海漫末端下游使用鉛絲石籠回填，鉛絲石籠回填頂部寬5m，兩側邊坡1∶1。鉛絲石籠回填完成后，在鉛絲石籠表面緊貼擋墻墻趾和下游護坦擺放一排鋼筋石籠，每四個鋼筋石籠之間通過連接筋焊接成整體。鉛絲石籠平面圖如圖3所示，鉛絲石籠結構如圖4所示。鋼筋石籠尺寸1.5m×0.75m×0.75m，外框采用D=25mm鋼筋焊接，每一面的內格柵采用D=14mm鋼筋焊接，格柵鋼筋間排距15cm.籠內石塊粒徑大于20cm，鋼筋籠裝滿后，頂蓋現場焊接，頂蓋外框和內甘山都采用D=14mm鋼筋焊接。單個鋼筋龍鋼筋重量128kg，鏈接鋼筋籠采用直徑16mm鋼筋連接，連接筋間距30cm。

圖3 鉛絲石籠平面圖

圖4 鉛絲石籠結構圖

(2)護坦末端左側裹頭鋪設鉛絲石籠，厚1m，寬3m。

(3)對于鉛絲籠以外的消力池出口沖坑，設置軟護坦，軟護坦長度40m，寬度同護坦末端寬度，軟護坦分為兩側，底部回填粒徑≥20cm的塊石或卵石，表面回填1m厚鉛絲石籠。軟護坦施工時，應先將砂礫石回填的臨時道路清除。

(4)護坦末端已經放置的鋼筋石籠后部再鋪設一層鉛絲石籠，寬度2m。鋼筋石籠下游鋪設鉛絲石籠示意圖如圖5所示。

圖5 鋼筋石籠下游鋪設鉛絲石籠示意圖

搶抓水庫放空的時間，水庫應急加固根據以上措施內容，晝夜施工，完成了應急加固方案確定的全部加固任務。應急加固措施完工后現場如圖6所示。

圖6 應急加固措施完工后現場圖

3 永久加固措施

3.1 永久加固措施設計

根據下游河道整治段布置現狀，結合現狀度汛應急加固處理措施，進一步對下游河道整治段護坦、邊墻基礎進行加固處理。并且充分利用現狀應急度汛對下游河道護坦、邊墻基礎的臨時除險加固措施，最終確定永久加固措施設計方案。

護坦末端、右側擋墻基礎部分均挖除表面砂礫石回填料，開挖深度至礫巖面。對應急加固鉛絲石籠頂面和邊坡進行規整，外層鉛絲石籠進行沖洗，去除表面的淤泥。在靠近護坦一側底部沿基巖面向下槽挖，放置鉛絲石籠。對鉛絲石籠坡面設置插筋，之后進行自密實混凝土灌漿。接著鋪設鋼筋網，最后澆筑護坡C20混凝土板，厚度0.3m，頂寬3.0，邊坡1∶1.5。原護坦和邊墻段基礎加固設計如圖7所示。

圖7 原護坦和邊墻段基礎加固設計剖面圖(單位：mm)

2020年3月施工單位進場后首先進行了第二部分消力池護坦、河道邊墻基礎加固土石方開挖和大橋防沖齒墻防沖網裝石鋪設施工。隨著護坦及邊墻基礎土石方開挖后揭露出的沖刷狀況，護坦及邊墻基礎下多處存在沖刷洞穴，洞中充填淤泥，洞口被防汛期間應急加固時拋填的鉛絲石籠封堵，并且鉛絲石籠中及之間均充填不同程度淤泥。實施現場揭露實際情況如圖8所示。

圖8 永久加固措施現場揭露實際情況

分析發現在應急加固拋填鉛絲石籠過程中水庫曾進行了放空沖沙運行，原設計確定的充分利用已有拋填鉛絲石籠作為加固體部分斷面，通過拋石斷面修正、注漿及包裹鋼筋砼層組成的加固體斷面方案，對水庫排沙沖淤后的淤積影響考慮不足，現狀大量淤泥填充其中無法徹底清除，原設計加固斷面基本無法保證施工質量，因此決定結合現狀對加固斷面進行優化設計[7- 8]。結合現場開挖現狀反饋，專題小組綜合分析達成一致意見，對加固設計進行優化。護坦和邊墻段基礎加固優化設計內容為：①徹底挖除基礎沖坑中拋石及洞穴中淤泥；②探出基巖埋深，將防沖齒墻嵌入基巖面下1m；③采用自密實拋石砼重力式擋墻結構加固護坦與邊墻基礎。護坦和邊墻段基礎加固優化設計如圖9所示。

圖9 護坦和邊墻段基礎加固優化設計剖面圖(單位：mm)

3.2 加固措施實施過程

(1)挖除基礎沖坑中拋石及洞穴中淤泥。首先采用機械大面挖除，之后及時做好相應安全支撐措施，最后人工再采用高壓水槍沖洗篩除一遍，將浮土浮渣清除，至基巖面出露。挖除基礎沖坑中拋石及洞穴中淤泥現場如圖10所示。

圖10 挖除基礎沖坑中拋石及洞穴中淤泥現場

(2)將防沖齒墻設計高程處基巖面向下深入1m，底寬保證大于2m，開挖邊坡控制1∶0.3。齒墻基礎開挖如圖11所示。

圖11 齒墻基礎開挖

(3)采用自密實拋石砼重力式擋墻結構加固護坦與邊墻基礎。

自密實拋石混凝土中塊石粒徑要求在20～30cm范圍內，拋石量控制在40%～50%。自密實混凝土的坍落度250～280mm、坍落擴展度600～750mm以及V型漏斗通過時間4～20s，三項指標須滿足以上范圍要求，否則不得入倉。自密實混凝土需設置外模，方可澆筑。模板可采用鋼模、木模等常態混凝土模板，其技術要求需參照相關國家規范執行[9- 13]。模板由下至上分層砌筑，每層控制上升高度1.5～1.8m；混凝土強度達到5MPa以上方可拆模。

永久加固后的加固體斷面結構充分利用了應急防汛加固時拋填的塊石，同時施工過程中嚴格控制基礎下洞穴的密實填充，不僅保證了加固體的施工質量，并且提高了加固體結構材料的強度，減小了加固體斷面尺寸，節省了工程量及投資。

本次永久加固措施實施工期共3個月，趕在主汛來臨之前全部完工，具備過洪條件。同時可最大程度上簡化施工工序，用機械化施工替代人工作業，不僅提高了作業效率和質量，還節約工程投資直接費約29.3%。基礎修復完工全貌如圖12所示。

圖12 基礎修復完工全貌

4 永臨結合措施修復基礎沖刷破壞的效果及啟示

工程修復完成之后，次年7月25日首次經歷泄洪運行。運行洪量約為20年一遇(設計工況)下泄標準，行洪歷時約2h，基礎修復后首次通水現場如圖13所示。行洪過程中護坦末端水流流態基本穩定，下游軟護坦二次跌差對余能消除起到了更加穩固的作用，加固基礎范圍內無沖刷、掏涮現象。行洪過后，基礎加固范圍內外觀良好，結構穩定無變形，軟護坦形態完整，河床基本無下切掏涮現象。經過修復后下游防護工程經受了次年20年一遇洪水的考驗，說明采用永臨結合措施對下游防護工程基礎沖刷破壞的修復是成功的，可總結如下經驗供類似工程借鑒。

圖13 基礎修復后首次通水

(1)臨時加固措施采用大量的塊石進行裝填加固，效果雖好，但塊石之間易被泥沙淤堵，對后期采用自密實混凝土加固造成了較大困難。因此，臨時加固基礎時，可先采用無紡布對加固范圍進行鋪設，之后再進行塊石鋪設，最后再將無紡布包裹至塊石最表面，并與鋼筋石籠綁接牢靠。通過增設無紡布可以有效阻隔淤泥沉積于塊石之間，從而永久加固就可以直接揭開無紡布，進行自密實混凝土填充加固，避免了人工沖洗塊石、二次倒運、基坑二次排水等施工措施，最終可達到節約投資和工期的效果。

(2)臨時基礎加固措施實施時，鋼筋石籠采用四箱一連，預留2根直徑12mm的鋼筋重疊連接，水平纏繞間距30cm，并用直徑22mm鋼筋在籠角進行焊接。通過實際行洪驗證，鋼筋石籠整體性效果較好，作為軟護坦自適應性良好。通過鋼筋石籠自身一定的柔軟度和糙率，從而降低水流流速，減小基礎沖刷影響。與此同時，鋼筋石籠自身四籠一連也增強了鋼筋石籠的剛度，建立起捆綁式抵御水流沖擊的防護體系，整體實施后效果良好。

(3)通過本次基礎加固總結，上游消能設施以及輔助消能工可從根本上解決下游沖刷的問題，當面臨下游結構沖刷時，可先結合增設輔助消能措施進行緩解。

5 結語

水庫大壩運行過程尤其是行洪運行過程中，泄洪建筑物下游防護工程基礎沖刷破壞較常見的情況。本文針對某實際工程案例，對下游防護工程基礎沖刷破壞進行了應急修復和永久加固設計，并結合永久加固方案實施過程中揭露的現場情況，對永久加固設計進行了優化，在此基礎上，進行了永久加固。修復后次年20年一遇洪水行洪運行條件下，基礎加固范圍內河床基本無下切掏涮現象，結構穩定無變形，軟護坦形態完整。說明本工程對導流底孔側護坦、護岸邊墻等基礎進行的綜合考慮應急修復和永久加固需要、永臨措施良好結合的修復加固方案是成功的，保證工程安全運行的同時還可以減少工程投資，獲得的經驗可供類似工程借鑒參考。