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        黃河下游控導土工枕布護坡?lián)岆U關(guān)鍵技術(shù)研究

        2022-11-28 15:10:04包家全樊好河羅延婷陳彥來
        人民黃河 2022年11期
        關(guān)鍵詞:壩坡土工布土工

        包家全,樊好河,羅延婷,陳彥來

        (1.新鄉(xiāng)黃河河務局 原陽黃河河務局,河南 原陽 453500;2.新鄉(xiāng)黃河水利工程維修養(yǎng)護有限公司,河南 原陽 453500;3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

        1 引 言

        黃河下游不僅是舉世聞名的“地上懸河”,還是槽高、灘低、堤根洼的“二級懸河”,素有“三年兩決口、百年一改道”之說,此特點對其防洪工作構(gòu)成極大威脅。新中國成立后,人們在黃河下游修建了大量傳統(tǒng)柳石結(jié)構(gòu)的壩垛,該工程對控制主溜、縮窄河勢游蕩范圍具有重要作用,但壩體基礎(chǔ)施工不能一次性達到河床極限沖刷深度以下,主要靠多年搶險過程中搶險人員采取一定的搭配比例將土石料、柳秸料等搶險材料有機組合做成柳石枕、柳石摟廂等,通過緩流落淤、固腳防沖、濾水保土措施對土壩基進行護坡護根來維持壩坡穩(wěn)定性[1]。因此,傳統(tǒng)工程技術(shù)存在搶險頻繁、搶護費用高等問題,同時我國對生態(tài)環(huán)境保護日益重視,土石料、柳秸料等采集尤為困難,對于采集后遭到破壞的生態(tài)環(huán)境,需投入巨額資金才能得以修復,在一定程度上影響了搶險工作的順利進行。

        土工織物的出現(xiàn)為搶險技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了條件[2],其具有環(huán)保、耐腐蝕、抗撕裂、反濾排水效果好、儲存運輸方便、現(xiàn)場加工高效快捷等優(yōu)點。自2000年以來,工程施工及防汛搶險中土工織物的應用逐年增多,工程防護經(jīng)常采用土工包,其閉氣效果好,但單個土工包質(zhì)量較小,多個土工包之間有間隙,受水流沖刷容易下滑走失,使其水下整體防護性差,固腳抗沖作用弱。針對以上問題,本文充分考慮搶險工程施工需求和險情類別,參考原陽馬莊潛壩[3]、武莊鉛絲籠沉排護岸[4]等有關(guān)土工織物筑壩設(shè)計資料,開展黃河下游控導土工枕布護坡?lián)岆U關(guān)鍵技術(shù)研究,將該技術(shù)應用于原陽仁村堤護灘工程,進行應急除險加固,同時對該技術(shù)產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益進行評估,以充分驗證其應用效果。

        2 土工枕布組成及壩坡布置

        土工枕布主要由丙綸長絲機織土工布和沙土組成,其中:丙綸長絲機織土工布標準克重為260 g/m2,布幅寬3.5 m;沙土選用河灘土,河邊就地取材即可。在壩頂、水下坡腳各布置1個土工枕(上枕、下枕直徑均為1 m);中間土工布緊貼壩坡鋪設(shè),以避免土體流失,提高壩坡的穩(wěn)定性,且土工布將上枕、下枕連成一體,使其整體性好,防護力強。上枕的作用是通過壩坡土工布牽拉下枕,避免壩頂及水上壩坡水溝浪窩的形成;下枕的作用是護腳,在依靠其自重向下滾動的同時,壩坡表面土工布能夠完整展開,全面保護壩坡。土工枕布在壩坡布置的剖面示意見圖1(圖中:L1為水上坡長;L2為水下坡長;i1為水上坡比;i2為水下坡比)。

        圖1 土工枕布在壩坡布置的剖面示意

        3 土工織物的選擇

        根據(jù)《土工合成材料應用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50290—2014)[5],用于反濾、排水的土工織物應符合反濾準則(保土性),即土工織物孔徑應與被保護土粒徑相匹配,防止骨架顆粒流失引起土工織物滲透變形。土工織物的保土性要求如下:

        式中:O95為土工織物的等效孔徑;d85為泥沙特征粒徑,被保護土中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土??傎|(zhì)量的85%;B為與被保護土的類型、級配或土工織物品種等有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù),取值見表1。

        表1 經(jīng)驗系數(shù)B的取值

        黃河下游河南段河道內(nèi)各級泥沙粒徑范圍對應的泥沙含量見表2,該數(shù)據(jù)源自黃河水利科學研究院統(tǒng)計的黃河下游河道內(nèi)土壤顆粒級配試驗資料,可得河道泥沙特征粒徑d85為0.15~0.20 mm,且河槽泥沙粒徑明顯大于灘地泥沙粒徑。

        表2 黃河下游河南段河道各級泥沙粒徑范圍對應的泥沙含量 %

        原陽河段位于花園口—中牟河段,被保護土的細粒含量>50%,同時本文選用的丙綸長絲機織土工布為有紡織物土工布,其產(chǎn)品參數(shù)O95為0.087 mm,因此B值取1.0,則0.15 mm<Bd85<0.20 mm,O95<Bd85,說明選用的土工布符合規(guī)范要求。

        4 土工枕布護坡穩(wěn)定性計算與分析

        為驗證土工枕布的護坡作用,結(jié)合仁村堤護灘工程的實際情況,通過建立幾何分析模型并采用摩根斯頓—普賴斯法計算天然工況下土工枕布使用前后的壩坡穩(wěn)定性系數(shù)[6-9]。根據(jù)工程資料并結(jié)合工程經(jīng)驗提出壩坡的穩(wěn)定性參數(shù)標準如下:天然容重為17.0 kN/m3,飽和容重為17.5 kN/m3,內(nèi)聚力為23 kPa,內(nèi)摩擦角為21°。

        4.1 未使用土工枕布的壩坡穩(wěn)定性分析

        在壩坡未使用土工枕布之前,對原始土質(zhì)壩坡進行穩(wěn)定性系數(shù)計算,可得出該壩坡的最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.061(見圖2)。參考《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016),滑坡穩(wěn)定狀態(tài)可根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)Fs進行劃分:Fs<1.00,滑坡不穩(wěn)定;1.00≤Fs<1.05,滑坡欠穩(wěn)定;1.05≤Fs<1.15,滑坡基本穩(wěn)定;Fs≥1.15,滑坡穩(wěn)定。

        圖2 未使用土工枕布的壩坡穩(wěn)定性

        在沒有使用土工枕布的情況下,在河水的侵蝕淘刷作用下,坡面上會產(chǎn)生侵蝕坑。假設(shè)坡面上產(chǎn)生一個較小的侵蝕坑,對有侵蝕坑的壩坡進行穩(wěn)定性系數(shù)計算,可得出最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.053(見圖3)。依據(jù)上述滑坡穩(wěn)定狀態(tài)評價標準可判斷壩坡仍為基本穩(wěn)定狀態(tài),但其穩(wěn)定性有所降低[10]。

        圖3 產(chǎn)生侵蝕坑的壩坡穩(wěn)定性

        隨著侵蝕作用的加強,侵蝕坑逐漸變大,侵蝕坑上部土體產(chǎn)生塌方,在沒有人為干預的作用下,產(chǎn)生侵蝕坑—塌方—侵蝕坑變大—再塌方的現(xiàn)象會長期反復地發(fā)生。當這種侵蝕作用在壩坡土體內(nèi)發(fā)展到一定程度時,會產(chǎn)生壩坡土體流失更多、壩坡更陡的狀況,計算得出侵蝕作用加強后壩坡的最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.048(見圖4),壩坡已處于欠穩(wěn)定狀態(tài)[11]。

        圖4 侵蝕作用加強后的壩坡穩(wěn)定性

        4.2 使用土工枕布后的壩坡穩(wěn)定性分析

        對于采用土工枕布防護的壩坡,下枕起到一定的護腳作用,再結(jié)合土工枕外側(cè)散石強有力的護腳作用,下枕會長期保持穩(wěn)定。土工枕外側(cè)散石出現(xiàn)走失時,就立即拋散石,保證下枕穩(wěn)定,進而保證壩坡穩(wěn)定。在土工枕布的護坡作用下,只要下枕穩(wěn)定,坡面上就不會產(chǎn)生侵蝕坑,也不會存在侵蝕作用加強、侵蝕坑變大的問題。計算得出使用土工枕布后壩坡的最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.061(見圖5),說明壩坡能長期保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖5 采用土工枕布防護的壩坡穩(wěn)定性

        5 土工枕布護坡現(xiàn)場搶險應用實例

        5.1 搶險應用背景

        2019年6月11日,黃河防洪運行機制啟動,小浪底水庫下泄洪水。此時,洪水自三官廟工程以橫河形勢頂沖仁村堤護灘工程,仁村堤護灘工程中1~19號垛靠河,其中:1~8號垛邊溜,9~19號垛主溜,且主溜有上提趨勢。按照設(shè)計單位編制的《仁村堤護灘工程應急除險加固方案》(以下簡稱《加固方案》)要求,根據(jù)主溜上提趨勢與搶點護線原則,首先對水毀工程嚴重的3號垛進行除險加固。施工工序為土工包水中進占(進占長度為25 m,單個土工包尺寸為6 m×1 m×1 m)→水上土方填筑→拋散石→鉛絲籠護坡。

        上述工序完成后,隨著河勢上提,3號垛由邊溜變?yōu)榇罅镯敍_,經(jīng)探測壩前水深,已由設(shè)計水深6 m變?yōu)?4~16 m。同時,水流淘刷壩基底部,備塌體走失,壩坡下部部分坦石走失,土工包發(fā)生位移,導致填筑土方坍塌入水。為控制險情發(fā)展,原陽黃河河務局立即組織施工人員按照《加固方案》重新進行土工包進占及水上土方填筑,待土方填筑完畢后,立即開展土工枕布的加工、鋪設(shè)、裝土、縫枕、推枕等工序。

        5.2 土工枕布護坡現(xiàn)場搶險作業(yè)

        土工枕布護坡操作共有七步。

        第一步,按照設(shè)計標準將進占土工包及水上土方填筑到位后,根據(jù)3號垛實際需要防護尺寸對土工布進行裁剪、縫制。具體操作如下:

        (1)在迎水面、背水面直線段分別采用8塊和3塊長22.26 m、布幅寬3.50 m的土工布縫合成矩形土工布。土工布縫合方向與縱向受力方向一致,縫合寬度為0.30 m[5],縫合4道。對于圓頭扇形土工布的縫合,先采用長22.26 m的矩形土工布沿對角線裁出7塊高22.26 m、底邊長3.50 m的三角形土工布,再與長22.26 m的矩形土工布縫合,按照一定順序?qū)⑷切瓮凉げ己途匦瓮凉げ伎p合成扇形,最終加工成的土工布示意見圖6。

        圖6 土工布加工縫制示意

        (2)用長54.83 m、布幅寬3.50 m的矩形土工布與上述加工好的土工布短邊縫合,用于制作上枕??p合部位在距3.50 m寬土工布外邊緣1.00 m處,即把布幅寬3.50 m的土工布在1.00 m處對折,對折后土工布一邊寬2.50 m、一邊寬1.00 m;縫合時,接口處長邊為2.50 m,短邊為1.00 m,長邊在下,采用此縫合方法可以提高接縫處抗拉強度。采用同樣方法將長78.47 m、布幅寬3.50 m的矩形土工布與上述加工好的土工布長邊縫合,用于制作下枕,為防止縫合部位受下枕拉力過大而撕裂,縫合6道。

        第二步,在壩垛外口下0.5 m處預留1條寬1.5 m左右的平臺,在平臺上挖出寬0.5~0.8 m、深0.5~0.8 m的溝槽。

        第三步,將縫制好的扇形土工布短邊(長54.83 m)放在溝槽內(nèi)(縫合毛邊在上),余布放在壩頂內(nèi)沿處,用挖掘機向溝槽內(nèi)土工布上放土并均勻壓實,再用縫包機對上枕兩頭縫合結(jié)實緊密(見圖7)。

        圖7 制作上枕過程

        第四步,將余布拉到壩坡上,在上枕上面均勻覆蓋厚度為0.5~0.8 m的土層,用挖掘機鏟斗在其頂部外口處壓出深0.5~0.6 m、寬0.6~0.8 m的溝槽,將扇形土工布長邊(長78.47 m)上拉放于溝槽內(nèi)。

        第五步,用挖掘機向溝槽內(nèi)土工布上放土,用縫包機對下枕兩頭縫合結(jié)實緊密(見圖8)。

        圖8 縫合完成后的下枕

        第六步,用挖掘機將縫合完成后的下枕推入水中,下枕拉動壩坡土工布向下滑動,使土工布緊貼壩坡,保護壩坡土體不被水流淘刷。

        第七步,待下枕入水穩(wěn)定后,先在壩坡土工布表面覆蓋厚度為0.2~0.3 m的土層,再用挖掘機由下至上將土層壓實均勻,最后拋散石及鉛絲籠備塌體,鉛絲籠備塌體寬1.0 m、出水高度0.5 m(見圖9)。

        圖9 土工枕布護坡穩(wěn)定后拋散石

        施工完畢后,3號垛長時間遭受大溜沖刷,根石、坦石和鉛絲籠備塌體隨土工布下蟄入水,及時進行補石后,土工枕布防護使壩坡沒有再出現(xiàn)土體流失的險情,這充分說明土工枕布護坡?lián)岆U關(guān)鍵技術(shù)取得初步成功,該技術(shù)對壩坡防護效果良好。隨后,對2號垛、1號垛進行除險加固,在施工過程中,大溜逐漸上提。為避免出現(xiàn)3號垛的類似情況,在按照《加固方案》完成土工包水中進占、水上土方填筑后,及時增加鋪設(shè)土工枕布護坡護根工序,在土工枕布外側(cè)拋散石及鉛絲籠備塌體(寬4 m),經(jīng)長時間大溜沖刷,備塌體下蟄入水3 m后,壩坡土體沒有再出現(xiàn)險情,節(jié)約了搶險費用。土工枕布護坡的實施對仁村堤護灘工程及時、順利完工起到了關(guān)鍵作用。

        2020年6月22日,黃河防洪運行初期,在該工程19號垛以下1 200 m護岸也采用了土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù),不但降低了險情發(fā)生概率,而且在雨季大大降低了壩坡土體的流失量。

        5.3 土工枕布護坡效益分析

        5.3.1 社會效益分析

        1~3號垛以及19號垛以下1 200 m護岸應用土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)至今,壩坡土體沒有出現(xiàn)險情,保障了沿黃生態(tài)大道和灘區(qū)群眾的生命財產(chǎn)安全,大大降低了主溜頂沖堤防的概率,防洪效益、社會效益顯著。

        5.3.2 經(jīng)濟效益分析

        (1)2019年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。仁村堤護灘工程3號垛按照《加固方案》完成施工后,由于水流淘刷壩基底部,鉛絲籠備塌體下蟄入水,下部部分坦石走失,土工包發(fā)生位移,導致填筑土方坍塌入水。經(jīng)現(xiàn)場探測與計算,走失工程量為坦石石方333.0 m3,進占土工包體積377.3 m3,填筑土方377.3 m3。

        對于土工枕布的制作拋投,分配1名指揮員、3名技術(shù)人員、6名民工,使用1臺挖掘機、4臺封口機、1臺發(fā)電機、2把鐵鍬,使用丙綸長絲機織土工布、縫包線等,每完成1個土工枕布需3~4 h。3號垛坍塌體積恢復與土工枕布制作和拋投費用見表3(下枕土方為外調(diào)土方,單價為綜合單價;上枕土方利用壩體土方,其費用不予計算),可得3號垛坍塌體積恢復費用為150 066.59元,土工枕布制作、拋投費用為20 595.33元,二者費用之差129 471.26元即為產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

        表3 3號垛坍塌體積恢復與土工枕布制作、拋投費用

        (2)2020年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。2020年黃河防洪運行期間,為確保該工程19號垛以下1 200 m護岸的安全,緊急搶修了3座垛(編號為20~22)。其中20號垛沒有采用土工枕布護坡,導致出險3次,累計動用土方86.0 m3,石方250.0 m3,搶險費用為84 091.72元;21號垛采用了土工枕布護坡,僅部分坦石下蟄入水,累計動用石方30.0 m3,丙綸長絲機織土工布1 083.80 m2,搶險費用為18 707.80元。20號垛與21號垛搶險費用之差65 383.92元即為產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

        對比2019年、2020年搶險情況可知,土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)的應用,大大減少了搶險中人力、財力、物力的投入,經(jīng)濟效益十分顯著。

        5.3.3 環(huán)境效益分析

        土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)中主要應用材料為土工布和沙土,其中:土工布環(huán)保,具有較高的耐酸堿性、耐老化性等,在水下壽命可達60 a;沙土可就地取材。因此,采用土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)可以大大減少對土石料、柳秸料、木樁等傳統(tǒng)搶險材料的使用,一定程度上避免了土石料開采、柳樹砍伐等造成的生態(tài)環(huán)境破壞,環(huán)境效益顯著。繼2020年6月在仁村堤護灘工程19號垛以下1 200 m護岸對土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)進行推廣應用后,2021年6月3日又在該工程1 700 m至1 900 m護岸進行了應用,效果良好,說明該技術(shù)具有較大的推廣應用價值。

        6 結(jié) 語

        應用土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)能夠有效控制險情的發(fā)展,大大降低水流對壩坡土體沖刷而造成的垮壩、斷壩等出險概率,減輕或避免灘區(qū)群眾的財產(chǎn)損失。通過與傳統(tǒng)保護壩穩(wěn)定的搶險方法對比,土工枕布護坡?lián)岆U技術(shù)有以下優(yōu)點:一是整體性好,防護力強;二是預留了壩前沖刷長度,能適應洪水沖刷深度;三是利用上枕、下枕自身質(zhì)量使壩坡土工布處于繃緊狀態(tài),大大提高了壩坡的穩(wěn)定性;四是搶險費用明顯降低。

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