劉 磊,郝中州,邵云強(qiáng),羅 嵐,曾 俊

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

0 引 言

混凝土鉸鏈排是由預(yù)制混凝土塊以及鋼絞線或U型環(huán)串聯(lián)而成的一種新型岸坡防護(hù)結(jié)構(gòu),具有抗沖刷能力強(qiáng)、整體性好、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且具有柔性防護(hù)的特點(diǎn),能夠適應(yīng)岸坡沖刷變形和河床變形,對渠道邊坡的防護(hù)效果好,尤其適用于解決河道護(hù)岸長期沖刷而出現(xiàn)的坍塌崩岸等問題[1]。鉸鏈排技術(shù)施工方便,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著,自20世紀(jì)80年代起,在國內(nèi)大中型河流護(hù)岸[2-3]、灘地、海岸[4]、丁壩[5]等工程中得到廣泛應(yīng)用和推廣,并取得了良好的防洪護(hù)岸效果。

目前,鉸鏈排防護(hù)技術(shù)在河道護(hù)岸領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用,并發(fā)展出不同的防護(hù)形式,如改進(jìn)鉸鏈排[6]、鉸鏈?zhǔn)侥４炷恋萚7],均取得不錯(cuò)的防護(hù)效果。然而,當(dāng)前該技術(shù)在大中型河流施工導(dǎo)流明渠中的應(yīng)用還較少,鉸鏈排技術(shù)在大流量、高流速、流態(tài)復(fù)雜的施工臨時(shí)導(dǎo)流明渠防護(hù)中的具體應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。為此,本文依托漢江流域碾盤山水利水電樞紐工程,在導(dǎo)流明渠防護(hù)工程中應(yīng)用了預(yù)制混凝土塊鉸鏈排技術(shù),結(jié)合導(dǎo)流明渠運(yùn)行期在洪水作用下的沖淤實(shí)測數(shù)據(jù),對比分析鉸鏈排防護(hù)效果,可為同類工程提供指導(dǎo)。

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(yùn)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(dǎo)流明渠過流的方式進(jìn)行施工導(dǎo)流,于2018年8月開工建設(shè),2019年3月實(shí)現(xiàn)大江截流和導(dǎo)流明渠正式通水。導(dǎo)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(jìn)口高程39.0 m,出口為38.0 m。導(dǎo)流明渠整體布置如圖1所示。

導(dǎo)流明渠所在原河灘地質(zhì)情況:地面至30 m高程為有機(jī)質(zhì)砂壤土及粉細(xì)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(dǎo)流明渠基礎(chǔ)及邊坡多為粉細(xì)砂層,抗沖刷能力差,明渠河床沖淤變化大。

導(dǎo)流明渠導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為全年10 a一遇,對應(yīng)導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量為13 500 m3/s。根據(jù)導(dǎo)流模型試驗(yàn),洪水流量為3 000,9 000,13 500 m3/s時(shí),預(yù)測的導(dǎo)流明渠最大流速分別為2.85,3.89,4.76 m/s,洪水流速遠(yuǎn)超明渠河床的不沖流速,明渠將下切形成沖坑。導(dǎo)流明渠左岸為凹岸,右岸為凸岸,左側(cè)沖刷更為嚴(yán)重。根據(jù)模型試驗(yàn),明渠進(jìn)口段水流流態(tài)復(fù)雜,局部地區(qū)流態(tài)紊亂,容易出現(xiàn)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(xiàn)大面積垮塌,則會(huì)影響漢江副壩的安全,后果影響極大。因此,對進(jìn)口段左側(cè)邊坡的防護(hù)是導(dǎo)流明渠防護(hù)工程的重點(diǎn)。

為保證導(dǎo)流明渠邊坡在遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)不出現(xiàn)垮塌,對渠底邊坡的防護(hù)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(hù)措施,以抵擋高流速洪水沖擊和適應(yīng)地形沖刷變化,從而保證明渠河床在出現(xiàn)大范圍沖坑時(shí)不影響邊坡穩(wěn)定。導(dǎo)流明渠左岸0-900～0+150段邊坡坡腳采用鉸鏈排防護(hù),具體護(hù)砌方式為:邊坡及馬道采用鋼筋石籠護(hù)砌,渠底河床自坡腳處起向河床中間一段范圍內(nèi)采用混凝土鉸鏈排護(hù)底,護(hù)底端部設(shè)置防沖槽,鉸鏈排下設(shè)土工布。

2 鉸鏈排防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 河床沖刷深度

導(dǎo)流明渠通水后,河床在高速水流作用下會(huì)下切形成沖坑,而進(jìn)行河床及坡腳的護(hù)砌方式設(shè)計(jì),首先需要明確河床的沖刷深度。目前,國內(nèi)外研究提出的計(jì)算護(hù)岸工程沖刷深度的公式繁多,各有側(cè)重,各公式計(jì)算的差值也較大,其中以GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中護(hù)岸沖刷公式最為常用,如式(1)所示。規(guī)范中有關(guān)泥沙起動(dòng)流速采用張瑞瑾公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

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

除了張瑞瑾公式之外,計(jì)算泥沙起動(dòng)流速的常見公式還有:崗恰洛夫1962年提出的泥沙起動(dòng)流速公式(簡稱“崗恰洛夫公式”);河海大學(xué)唐存本1963年提出的可概括散粒體和黏性細(xì)顆粒泥沙的統(tǒng)一起動(dòng)流速公式;西北農(nóng)林科技大學(xué)的沙玉清1965年提出的粗細(xì)顆粒起動(dòng)流速計(jì)算公式等[8]。通過建立導(dǎo)流明渠水工模型,進(jìn)行了模型洪水過程的動(dòng)床試驗(yàn)并以此確定沖刷深度。將所得結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比,以綜合確定數(shù)據(jù)的合理性。公式計(jì)算結(jié)果與動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果比較如表1所示。

表1 沖刷深度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表1中4個(gè)公式不僅考慮了流速、泥沙中值粒徑d50和水深3個(gè)因素,還涉及泥沙的相對浮容重、防護(hù)岸坡形狀、水流流向與岸坡夾角等因素,較適合本工程的實(shí)際情況。公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近,計(jì)算沖刷深度范圍為7.95～9.28 m,均接近而未超過動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)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(jì)算結(jié)果和動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)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(dāng)沖坑沖刷至鉸鏈排附近時(shí),柔性鉸鏈排能適應(yīng)沖坑地形變化,覆蓋沖坑邊坡,避免垮塌進(jìn)一步擴(kuò)大,從而保護(hù)左岸副壩的安全。鉸鏈排鋪設(shè)寬度根據(jù)規(guī)范公式和確定的沖刷深度進(jìn)行計(jì)算。鉸鏈排厚度應(yīng)保證導(dǎo)流明渠遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),在最大流速下依然保持排體穩(wěn)定,不出現(xiàn)整體掀起的情況。鉸鏈排寬度和厚度采用JTJ 239-2005《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中的公式進(jìn)行計(jì)算,如式(2)～(3)所示:

(2)

(3)

式中:L為軟體排橫向鋪設(shè)長度,m;kp為褶皺系數(shù),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(shù),取m=1;Va為臨界流速,m/s;θ為擴(kuò)大系數(shù),取θ=2;γr為護(hù)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(jīng)計(jì)算,L≥17.13 m,取鉸鏈排鋪設(shè)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(shè)計(jì)鉸鏈排厚度為0.4 m。

2.3 鉸鏈排結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,鉸鏈排預(yù)制混凝土塊設(shè)計(jì)尺寸為95 cm×45 cm×40 cm。鉸鏈排施工采取“單塊預(yù)制、單塊運(yùn)輸”方案,預(yù)制塊澆筑前預(yù)埋PVC管作為預(yù)留孔?；炷翂K強(qiáng)度達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆模,達(dá)到75%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后運(yùn)輸和吊裝。將混凝土塊吊運(yùn)至指定地點(diǎn)后,通過鋼絞線將單塊混凝土塊串聯(lián)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(wěn)定,在鉸鏈排末端設(shè)置有一道截面積為15 m2的拋石防沖槽。在施工時(shí)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(shè)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(hù)斷面設(shè)計(jì)如圖3所示,鉸鏈排鋪設(shè)寬度20 m,以適應(yīng)沖坑地形變化。

圖3 明渠左岸副壩段防護(hù)典型斷面(尺寸單位：cm)

3 鉸鏈排防護(hù)效果分析

導(dǎo)流明渠從2019年通水至2022年,經(jīng)歷了3個(gè)汛期,經(jīng)受了多次洪峰的考驗(yàn)。本文統(tǒng)計(jì)了導(dǎo)流明渠通水及3個(gè)汛期最大洪峰流量水文數(shù)據(jù),具體如表2所示。在每次汛期過后,建設(shè)單位均對導(dǎo)流明渠水下地形進(jìn)行測量,并修復(fù)局部水毀段,以確保導(dǎo)流明渠安全運(yùn)行。本文結(jié)合3 a以來的導(dǎo)流明渠運(yùn)行情況,統(tǒng)計(jì)鉸鏈排防護(hù)區(qū)實(shí)測地形數(shù)據(jù),并對比鋼筋石籠防護(hù)區(qū)、拋石防護(hù)區(qū)水毀情況,分析鉸鏈排防護(hù)效果。

表2 導(dǎo)流明渠水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.1 沖淤變化

樁號0+000段斷面位于明渠中間偏上區(qū)段,明渠寬度最窄,水流流速大,旋渦區(qū)多,水流流態(tài)差,且實(shí)測數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域沖刷嚴(yán)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(tǒng)計(jì)近3 a運(yùn)行期導(dǎo)流明渠的沖淤情況,實(shí)測鉸鏈排防護(hù)區(qū)水下地形斷面如圖4所示,統(tǒng)計(jì)沖坑深度變化如圖5所示。

結(jié)合明渠通水流量及近3 a的洪峰數(shù)據(jù),可以看出明渠沖坑深度與洪水流量密切相關(guān),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(shí)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(dǎo)流明渠通水時(shí)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(xì)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(xì)砂抗沖流速以下后,河床逐漸穩(wěn)定,此時(shí)河床沖坑深度為4.5 m,并未影響兩岸防護(hù)。

2019年9月,導(dǎo)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(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的55%。在洪水沖刷作用下,沖坑深度增加,范圍向兩岸擴(kuò)大。根據(jù)汛后實(shí)測地形,明渠沖坑深度達(dá)到6.6 m,沖坑范圍達(dá)到左岸鉸鏈排防護(hù)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(xiàn)淤積,而是繼續(xù)沖刷,沖坑略有加深,達(dá)到7.6 m。

2021年9月,漢江流域遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨,導(dǎo)流明渠保持一個(gè)月的高水位運(yùn)行,最大洪峰為11 800 m3/s,明渠水位47.78 m,洪峰達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的87%。在持續(xù)高強(qiáng)度洪水作用下,0+000斷面沖刷嚴(yán)重,河床進(jìn)一步下切,沖坑深度達(dá)到11.6 m,已深入砂礫石層,沖坑范圍擴(kuò)大至鉸鏈排下部。在鉸鏈排防護(hù)下沖坑范圍并未繼續(xù)擴(kuò)大,左岸副壩邊坡得到了有效保護(hù)。

3.2 護(hù)岸效果

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出,導(dǎo)流明渠在遭遇持續(xù)高強(qiáng)度洪水時(shí),鉸鏈排防護(hù)發(fā)揮了重要的防護(hù)作用。在沖坑擴(kuò)大至到達(dá)鉸鏈排防護(hù)區(qū)時(shí),鉸鏈排充分發(fā)揮柔性防護(hù)的特點(diǎn),能夠適應(yīng)地形變化,緊貼沖刷后的邊坡,避免了沖坑進(jìn)一步擴(kuò)大,有效保障了左岸邊坡的安全。與計(jì)算結(jié)果相比,實(shí)測沖坑深度大于計(jì)算結(jié)果,這與明渠水下地層條件有關(guān),粉細(xì)砂和沙壤土抗沖刷能力小于砂礫石層。鉸鏈排防護(hù)能力大于預(yù)期,沖坑并未向鉸鏈排下部發(fā)展,而緊靠鉸鏈排形成一個(gè)陡坡,這與鉸鏈排下部鋪設(shè)反濾土工布、上部壓蓋塊石有關(guān)。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(shí)順勢下滑,起到固腳的作用。

3.3 整體穩(wěn)定性

鉸鏈排通過鋼絞線串聯(lián)成一個(gè)整體防護(hù)區(qū),在大流量高流速洪水作用下,能夠保持整體穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞,充分起到柔性防護(hù)的作用。對比鋼筋石籠防護(hù)區(qū)與拋石防護(hù)區(qū),更能體現(xiàn)鉸鏈排防護(hù)的安全性:明渠右岸0-070附近采用鋼筋石籠防護(hù),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(jìn)行修復(fù);明渠右岸0-400裹頭附近采用大范圍拋石進(jìn)行防護(hù),汛期洪水過后,出現(xiàn)拋石垮方,也需進(jìn)行修復(fù);而鉸鏈排防護(hù)區(qū),經(jīng)歷多次汛期,未發(fā)生險(xiǎn)情,整體穩(wěn)定性較高。

4 結(jié) 論

本文以碾盤山水利水電樞紐工程導(dǎo)流明渠左岸鉸鏈排防護(hù)為研究對象,統(tǒng)計(jì)了2019～2022年壩址處水文資料及導(dǎo)流明渠實(shí)測斷面沖淤數(shù)據(jù),分析鉸鏈排對明渠邊坡的防護(hù)效果,得出以下結(jié)論。

(1) 根據(jù)近3 a實(shí)測斷面數(shù)據(jù),最大洪峰流量達(dá)到11 800 m3/s,明渠最大沖坑深度達(dá)到11.6 m;統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,沖坑深度與洪峰流量和沖刷時(shí)間有關(guān),洪峰越大,沖坑深度越深。在洪峰流量一定時(shí),河床沖刷會(huì)趨于穩(wěn)定,并隨沖刷時(shí)間略有增加;洪峰急劇增加時(shí),明渠流速增加,沖坑會(huì)進(jìn)一步增大。

(2) 導(dǎo)流明渠在遭遇持續(xù)高水位大流量洪水時(shí),鉸鏈排防護(hù)能夠充分發(fā)揮柔性防護(hù)的特點(diǎn),適應(yīng)地形的變化,緊貼沖刷后的邊坡,起到很好的防護(hù)效果,避免沖坑進(jìn)一步擴(kuò)大而危及邊坡穩(wěn)定。

(3) 混凝土鉸鏈排具有柔性防護(hù)的特性,抗沖能力強(qiáng),防護(hù)效果好,但其缺點(diǎn)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(qū)大流量導(dǎo)流明渠局部關(guān)鍵部位的防護(hù)。

(4) 導(dǎo)流明渠在正常運(yùn)行期經(jīng)歷了3個(gè)汛期,其中2021年最大洪峰為11 800 m3/s,達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的87%,導(dǎo)流明渠經(jīng)受住了洪峰考驗(yàn),鉸鏈排防護(hù)措施對左岸邊坡的穩(wěn)定起重要作用。