碾盤山水利水電樞紐工程導流明渠混凝土鉸鏈排防護效果分析

劉 磊,郝中州,邵云強,羅 嵐,曾 俊

(1.湖北省水利水電規劃勘測設計院有限公司,湖北 武漢 430070; 2.河南黃河河務局,河南 鄭州 450002; 3.湖北省碾盤山水利水電樞紐工程建設管理局,湖北 鐘祥 431900)

0 引 言

混凝土鉸鏈排是由預制混凝土塊以及鋼絞線或U型環串聯而成的一種新型岸坡防護結構,具有抗沖刷能力強、整體性好、耐久性強等優點,且具有柔性防護的特點,能夠適應岸坡沖刷變形和河床變形,對渠道邊坡的防護效果好,尤其適用于解決河道護岸長期沖刷而出現的坍塌崩岸等問題[1]。鉸鏈排技術施工方便,經濟和社會效益顯著,自20世紀80年代起,在國內大中型河流護岸[2-3]、灘地、海岸[4]、丁壩[5]等工程中得到廣泛應用和推廣,并取得了良好的防洪護岸效果。

目前,鉸鏈排防護技術在河道護岸領域得到了充分的應用,并發展出不同的防護形式,如改進鉸鏈排[6]、鉸鏈式模袋混凝土等[7],均取得不錯的防護效果。然而,當前該技術在大中型河流施工導流明渠中的應用還較少,鉸鏈排技術在大流量、高流速、流態復雜的施工臨時導流明渠防護中的具體應用效果還有待進一步檢驗。為此,本文依托漢江流域碾盤山水利水電樞紐工程,在導流明渠防護工程中應用了預制混凝土塊鉸鏈排技術,結合導流明渠運行期在洪水作用下的沖淤實測數據,對比分析鉸鏈排防護效果,可為同類工程提供指導。

1 工程概況

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中游河段鐘祥市,上距雅口航運樞紐58.0 km,下距興隆水利樞紐63.5 km。該工程采用圍堰一次攔斷河床、左岸開挖導流明渠過流的方式進行施工導流,于2018年8月開工建設,2019年3月實現大江截流和導流明渠正式通水。導流明渠全長2.3 km,河床底寬250 m,兩岸開挖邊坡坡比為1∶3,河床進口高程39.0 m,出口為38.0 m。導流明渠整體布置如圖1所示。

導流明渠所在原河灘地質情況:地面至30 m高程為有機質砂壤土及粉細砂層,中間粒徑d50為0.078 mm,不沖流速小于1 m/s;30～20 m高程為砂礫石層,粒徑大于5 mm的礫石含量為43.4%～97.8%,不沖流速約為2 m/s;20 m高程以下為砂巖。導流明渠基礎及邊坡多為粉細砂層,抗沖刷能力差,明渠河床沖淤變化大。

導流明渠導流標準為全年10 a一遇,對應導流設計流量為13 500 m3/s。根據導流模型試驗,洪水流量為3 000,9 000,13 500 m3/s時,預測的導流明渠最大流速分別為2.85,3.89,4.76 m/s,洪水流速遠超明渠河床的不沖流速,明渠將下切形成沖坑。導流明渠左岸為凹岸,右岸為凸岸,左側沖刷更為嚴重。根據模型試驗,明渠進口段水流流態復雜,局部地區流態紊亂,容易出現旋渦回流,而明渠左岸與漢江左岸副壩(永久建筑物)銜接,一旦明渠邊坡受損,出現大面積垮塌,則會影響漢江副壩的安全,后果影響極大。因此,對進口段左側邊坡的防護是導流明渠防護工程的重點。

為保證導流明渠邊坡在遭遇設計標準洪水時不出現垮塌,對渠底邊坡的防護則尤為重要。本工程對渠底邊坡采用柔性混凝土鉸鏈排防護措施,以抵擋高流速洪水沖擊和適應地形沖刷變化,從而保證明渠河床在出現大范圍沖坑時不影響邊坡穩定。導流明渠左岸0-900～0+150段邊坡坡腳采用鉸鏈排防護,具體護砌方式為:邊坡及馬道采用鋼筋石籠護砌,渠底河床自坡腳處起向河床中間一段范圍內采用混凝土鉸鏈排護底,護底端部設置防沖槽,鉸鏈排下設土工布。

2 鉸鏈排防護設計

2.1 河床沖刷深度

導流明渠通水后,河床在高速水流作用下會下切形成沖坑,而進行河床及坡腳的護砌方式設計,首先需要明確河床的沖刷深度。目前,國內外研究提出的計算護岸工程沖刷深度的公式繁多,各有側重,各公式計算的差值也較大,其中以GB 50286-2013《堤防工程設計規范》中護岸沖刷公式最為常用,如式(1)所示。規范中有關泥沙起動流速采用張瑞瑾公式進行計算。

(1)

式中:hs為沖刷深度,m;h0為行進水流的水深,m,取10.96 m;uc為泥沙起動流速,m/s,計算得到uc=0.58 m/s;ucp為近岸垂線平均流速,m/s,計算得到ucp=6.18 m/s;n與防護岸坡在平面上的形狀有關,n=1/4～1/6,此處取值0.25。計算可得hs=8.81 m。

除了張瑞瑾公式之外,計算泥沙起動流速的常見公式還有:崗恰洛夫1962年提出的泥沙起動流速公式(簡稱“崗恰洛夫公式”);河海大學唐存本1963年提出的可概括散粒體和黏性細顆粒泥沙的統一起動流速公式;西北農林科技大學的沙玉清1965年提出的粗細顆粒起動流速計算公式等[8]。通過建立導流明渠水工模型,進行了模型洪水過程的動床試驗并以此確定沖刷深度。將所得結果與經驗公式進行對比,以綜合確定數據的合理性。公式計算結果與動床試驗結果比較如表1所示。

表1 沖刷深度計算結果統計

表1中4個公式不僅考慮了流速、泥沙中值粒徑d50和水深3個因素,還涉及泥沙的相對浮容重、防護岸坡形狀、水流流向與岸坡夾角等因素,較適合本工程的實際情況。公式計算結果與試驗結果比較接近,計算沖刷深度范圍為7.95～9.28 m,均接近而未超過動床試驗結果(9.32 m)。為確保工程安全,在本工程中,河床沖刷深度由公式的計算結果和動床試驗結果取較大值,即左岸0-915.00～0+150.00段河床最大沖刷深度取9.32 m。

2.2 鉸鏈排寬度與厚度

當沖坑沖刷至鉸鏈排附近時,柔性鉸鏈排能適應沖坑地形變化,覆蓋沖坑邊坡,避免垮塌進一步擴大,從而保護左岸副壩的安全。鉸鏈排鋪設寬度根據規范公式和確定的沖刷深度進行計算。鉸鏈排厚度應保證導流明渠遭遇超標準洪水時,在最大流速下依然保持排體穩定,不出現整體掀起的情況。鉸鏈排寬度和厚度采用JTJ 239-2005《水運工程土工合成材料應用技術規范》中的公式進行計算,如式(2)～(3)所示:

(2)

(3)

式中:L為軟體排橫向鋪設長度,m;kp為褶皺系數,一般為1.1～1.3,取1.3;Δhp為明渠沖刷深度,取9.32 m;m為邊坡系數,取m=1;Va為臨界流速,m/s;θ為擴大系數,取θ=2;γr為護坡的相對浮容重,取1.65;δm為混凝土鉸鏈排厚度,取0.4 m;

經計算,L≥17.13 m,取鉸鏈排鋪設寬度為L=20 m;臨界流速Va取4.74 m/s,反求鉸鏈排最小厚度為0.347 m,取設計鉸鏈排厚度為0.4 m。

2.3 鉸鏈排結構

根據以上計算結果,鉸鏈排預制混凝土塊設計尺寸為95 cm×45 cm×40 cm。鉸鏈排施工采取“單塊預制、單塊運輸”方案,預制塊澆筑前預埋PVC管作為預留孔。混凝土塊強度達到50%設計強度后拆模,達到75%設計強度后運輸和吊裝。將混凝土塊吊運至指定地點后,通過鋼絞線將單塊混凝土塊串聯成整體,如圖2所示。

圖2 混凝土鉸鏈排平面圖(尺寸單位：cm)

為保證混凝土鉸鏈排末端穩定,在鉸鏈排末端設置有一道截面積為15 m2的拋石防沖槽。在施工時將混凝土鉸鏈排的末端置于拋石防沖槽下部。鉸鏈排下部鋪設土工布,起到反濾作用,減少下部泥沙流失。明渠左岸副壩段典型防護斷面設計如圖3所示,鉸鏈排鋪設寬度20 m,以適應沖坑地形變化。

圖3 明渠左岸副壩段防護典型斷面(尺寸單位：cm)

3 鉸鏈排防護效果分析

導流明渠從2019年通水至2022年,經歷了3個汛期,經受了多次洪峰的考驗。本文統計了導流明渠通水及3個汛期最大洪峰流量水文數據,具體如表2所示。在每次汛期過后,建設單位均對導流明渠水下地形進行測量,并修復局部水毀段,以確保導流明渠安全運行。本文結合3 a以來的導流明渠運行情況,統計鉸鏈排防護區實測地形數據,并對比鋼筋石籠防護區、拋石防護區水毀情況,分析鉸鏈排防護效果。

表2 導流明渠水文數據統計

3.1 沖淤變化

樁號0+000段斷面位于明渠中間偏上區段,明渠寬度最窄,水流流速大,旋渦區多,水流流態差,且實測數據顯示該區域沖刷嚴重,最具代表性。因此,本文選取壩軸線樁號0+000處為典型斷面,統計近3 a運行期導流明渠的沖淤情況,實測鉸鏈排防護區水下地形斷面如圖4所示,統計沖坑深度變化如圖5所示。

結合明渠通水流量及近3 a的洪峰數據,可以看出明渠沖坑深度與洪水流量密切相關,并隨著洪峰流量的增大而逐漸加深,直至深入砂礫石層。

圖4 0+000斷面實測沖淤斷面(尺寸單位：cm)

圖5 0+000斷面沖坑深度變化

2019年3月,導流明渠通水時流量較小,僅為670 m3/s,通水流量主要集中在明渠中線附近,沖刷粉細砂層并迅速下切形成主河道,過流能力增加,流速下降,在降至粉細砂抗沖流速以下后,河床逐漸穩定,此時河床沖坑深度為4.5 m,并未影響兩岸防護。

2019年9月,導流明渠遭遇洪水,最大洪峰流量為7 400 m3/s,明渠水位為45.5 m,洪峰達到設計標準的55%。在洪水沖刷作用下,沖坑深度增加,范圍向兩岸擴大。根據汛后實測地形,明渠沖坑深度達到6.6 m,沖坑范圍達到左岸鉸鏈排防護末端。

2020年漢江流域整體洪水較小,最大洪峰流量為4 800 m3/s,0+000斷面處明渠并未出現淤積,而是繼續沖刷,沖坑略有加深,達到7.6 m。

2021年9月,漢江流域遭遇持續強降雨,導流明渠保持一個月的高水位運行,最大洪峰為11 800 m3/s,明渠水位47.78 m,洪峰達到設計標準的87%。在持續高強度洪水作用下,0+000斷面沖刷嚴重,河床進一步下切,沖坑深度達到11.6 m,已深入砂礫石層,沖坑范圍擴大至鉸鏈排下部。在鉸鏈排防護下沖坑范圍并未繼續擴大,左岸副壩邊坡得到了有效保護。

3.2 護岸效果

根據實測數據可以看出,導流明渠在遭遇持續高強度洪水時,鉸鏈排防護發揮了重要的防護作用。在沖坑擴大至到達鉸鏈排防護區時,鉸鏈排充分發揮柔性防護的特點,能夠適應地形變化,緊貼沖刷后的邊坡,避免了沖坑進一步擴大,有效保障了左岸邊坡的安全。與計算結果相比,實測沖坑深度大于計算結果,這與明渠水下地層條件有關,粉細砂和沙壤土抗沖刷能力小于砂礫石層。鉸鏈排防護能力大于預期,沖坑并未向鉸鏈排下部發展,而緊靠鉸鏈排形成一個陡坡,這與鉸鏈排下部鋪設反濾土工布、上部壓蓋塊石有關。土工布在鉸鏈排壓重下始終緊貼地面,可避免下部泥沙流失,防止淘蝕,而塊石可以在沖坑形成時順勢下滑,起到固腳的作用。

3.3 整體穩定性

鉸鏈排通過鋼絞線串聯成一個整體防護區,在大流量高流速洪水作用下,能夠保持整體穩定,不會出現局部失穩破壞,充分起到柔性防護的作用。對比鋼筋石籠防護區與拋石防護區,更能體現鉸鏈排防護的安全性:明渠右岸0-070附近采用鋼筋石籠防護,汛期洪水過后沖坑已深入石籠下部,危及圍堰邊坡安全,在汛后采用拋石進行修復;明渠右岸0-400裹頭附近采用大范圍拋石進行防護,汛期洪水過后,出現拋石垮方,也需進行修復;而鉸鏈排防護區,經歷多次汛期,未發生險情,整體穩定性較高。

4 結 論

本文以碾盤山水利水電樞紐工程導流明渠左岸鉸鏈排防護為研究對象,統計了2019～2022年壩址處水文資料及導流明渠實測斷面沖淤數據,分析鉸鏈排對明渠邊坡的防護效果,得出以下結論。

(1) 根據近3 a實測斷面數據,最大洪峰流量達到11 800 m3/s,明渠最大沖坑深度達到11.6 m;統計結果表明,沖坑深度與洪峰流量和沖刷時間有關,洪峰越大,沖坑深度越深。在洪峰流量一定時,河床沖刷會趨于穩定,并隨沖刷時間略有增加;洪峰急劇增加時,明渠流速增加,沖坑會進一步增大。

(2) 導流明渠在遭遇持續高水位大流量洪水時,鉸鏈排防護能夠充分發揮柔性防護的特點,適應地形的變化,緊貼沖刷后的邊坡,起到很好的防護效果,避免沖坑進一步擴大而危及邊坡穩定。

(3) 混凝土鉸鏈排具有柔性防護的特性,抗沖能力強,防護效果好,但其缺點是施工難度大,施工成本高,不適合大面積使用,但特別適合平原易沖刷地區大流量導流明渠局部關鍵部位的防護。

(4) 導流明渠在正常運行期經歷了3個汛期,其中2021年最大洪峰為11 800 m3/s,達到設計標準的87%,導流明渠經受住了洪峰考驗,鉸鏈排防護措施對左岸邊坡的穩定起重要作用。