柏　青

(沈陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽 110015)

格賓石籠在海漫修復(fù)工程中的應(yīng)用

柏青

(沈陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽 110015)

[摘要]針對(duì)王家灣橡膠壩第一跨氣壩下游海漫實(shí)際被沖刷破壞情況，提出海漫修復(fù)工程的可行辦法，即主要從材質(zhì)上改變被破壞海漫型式。經(jīng)過比選后，決定選用既可以滿足工程實(shí)際需求，還可以起到生態(tài)環(huán)保作用的格賓石籠海漫替代原有模袋混凝土型式海漫。工程的實(shí)施效果將對(duì)今后海漫的修復(fù)工程提供參考。

[關(guān)鍵詞]水毀海漫；格賓石籠；橡膠壩；消能防沖

水利工程中，為了保護(hù)閘、壩下游河床及岸坡不受高速水流的沖刷，通常情況下在護(hù)坦末端設(shè)有海漫。水流流經(jīng)消力池或護(hù)坦大幅度消能后，還保持著一定的余能，海漫可以消除水流的余能，調(diào)整流速分布，均勻的擴(kuò)散出池水流，使之與天然河道的水流狀態(tài)接近，保證下游免受沖刷。盡管如此，海漫的重要性往往被人們所忽視，設(shè)計(jì)、施工及管理的重點(diǎn)集中在難度高、投資大的主體建筑物閘、壩上，諸多原因?qū)е铝四壳爸行⌒烷l壩下游的河床和海漫普遍存在不同程度的沖刷破壞,有的已經(jīng)危及到閘壩的安全,嚴(yán)重者直接造成閘、壩工程的報(bào)廢。本文將結(jié)合工程實(shí)例針對(duì)被沖刷破壞的海漫修復(fù)工程進(jìn)行探討研究。

圖1　水毀海漫現(xiàn)狀圖

1工程概述

王家灣橡膠壩工程始建于2004年，后經(jīng)2007、2008年兩年逐漸完善，形成了目前5孔單跨66 m充氣式橡膠壩與2孔單跨32.5 m的充水式橡膠壩組成的攔河調(diào)蓄工程。橡膠壩長401 m，底板高程43 m，壩高2.5 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。工程處海漫位于橡膠壩下游約46 m處，為混凝土模袋形式。

王家灣橡膠壩于2004年底進(jìn)行工程籌建，2005年1月主體工程正式開工，2005年4月30日工程竣工，現(xiàn)已運(yùn)行10年。由于橡膠壩在泄洪時(shí)隨著壩袋的坍塌泄流量增大，流速大、流態(tài)復(fù)雜，對(duì)下游沖刷力大。水流經(jīng)過下游消力池后的紊動(dòng)現(xiàn)象依然很劇烈，底部流速較大，流速分布不能夠恢復(fù)到正常狀態(tài)，對(duì)河床仍會(huì)有較強(qiáng)的沖刷能力。加之渾河右岸王家灣橡膠壩第一跨氣壩段在之前實(shí)施氣壩改水壩時(shí)作為導(dǎo)流之用，因此，此處海漫受沖刷較為嚴(yán)重，產(chǎn)生多處大坑，后雖經(jīng)處理但未能完全解決隱患，目前此處混凝土模袋被沖刷在河道中隨處可見，嚴(yán)重影響河道美觀效果，如圖1-1所示，且不能承擔(dān)其減小水流沖刷的作用。為確保下游河勢的穩(wěn)定及下游建筑物的安全，對(duì)渾河右岸王家灣第一跨氣壩下游處海漫水毀修復(fù)工程的實(shí)施是十分必要的。

2海漫修復(fù)工程設(shè)計(jì)

2.1海漫尺寸選取

在確定海漫尺寸前，我們需要對(duì)原有建筑物進(jìn)行復(fù)核。

2.1.1泄流能力

王家灣橡膠壩過流能力按《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227-98)堰流基本公式進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算如下：

式中：Q為過壩流量(m3/s)；B為溢流斷面的平均寬度(m)，396 m；h0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰頂水頭(m)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，ε=1；σ為堰流淹沒系數(shù)，σ=1；m為堰流流量系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，橡膠壩壩頂水深0.3 m時(shí)泄流能力為115.23 m3/s。

2.1.2消能防沖計(jì)算

(1)工況分析

當(dāng)壩頂溢流時(shí)，由于泄流能力十分有限，單寬泄量較小，對(duì)下游防沖基本不造成影響。當(dāng)橡膠壩坍壩時(shí)，水流保持原河狀進(jìn)行，水頭差極小，對(duì)下游防沖也基本沒有影響。最不利工況出現(xiàn)在橡膠壩坍壩過程中，此時(shí)下游水位較小，假設(shè)上游水面基本維持不變，擋水水位最高，水頭差最大。

在坍壩過程中，上游水位維持不變，消能防沖計(jì)算工況以(hc″-ht)為最大控制。消能計(jì)算控制工況見表1。

(2)水躍計(jì)算

水躍參數(shù)按下式計(jì)算：

式中：hc為收縮水深，m；h″c為躍后水深，m；α為水流動(dòng)能修正系數(shù)，采用1.0；q為過閘單寬流量，m3/s·m；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能，m；φ為流速系數(shù)，取0.95；b1為消力池首端寬度，m；b2為消力池末端寬度，m。

(3)消力池計(jì)算

消力池深度按下式計(jì)算

d=σ0hc″-hs′-ΔZ

消力池長度按下式計(jì)算：

Lj=6.9(h″c-hc)

Lsj=Ls+βLj

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，采用0.75；Lj為水躍長度，m。

消能工長度選用遠(yuǎn)驅(qū)水躍最大流量所對(duì)應(yīng)的長度。

表1　消力池計(jì)算工況表

表2　消力池計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，現(xiàn)有王家灣橡膠壩消力池深度0.3 m，長度22.5 m，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

(4)海漫

海漫長度按下式計(jì)算:

式中：Lp為海漫長度，m；ΔH′為閘上、下游水位差，m；ks為海漫長度計(jì)算系數(shù)，根據(jù)河床土壤，K=13；qs為消力池末端單寬流量，m3/s·m[3]。

經(jīng)計(jì)算：消力池下游海漫長度取25.0 m。但根據(jù)實(shí)地調(diào)研情況，原有海漫長度不能夠滿足實(shí)際工程需要，已經(jīng)遭到?jīng)_刷破壞，因此，本次海漫工程設(shè)計(jì)長度為110 m。

2.2海漫結(jié)構(gòu)型式的選取

鑒于工程位置處即王家灣橡膠壩第一跨氣壩段下游已遭受水毀破壞海漫的型式為混凝土模袋海漫，應(yīng)吸取此類教訓(xùn)，在本次修復(fù)工程中對(duì)于海漫型式的選取需更加慎重。

以往海漫結(jié)構(gòu)型式多采用：堆石海漫，即用人工拋堆塊石，不加砌筑型式；干砌石海漫，與堆石海漫相比，干砌石海漫能承受較大流速的水流沖刷；預(yù)制混凝土塊海漫，此種海漫混凝土塊厚度為 0.2～0.3 m，海漫的前后段可根據(jù)斷面平均流速選用不同護(hù)面材料。這幾種傳統(tǒng)的海漫型式，雖然有造價(jià)便宜施工簡單的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)海漫局部被沖刷破壞后，就會(huì)在破壞的局部連續(xù)擴(kuò)大，帶動(dòng)了反濾結(jié)構(gòu)隨之破壞，導(dǎo)致河床遭受嚴(yán)重沖刷淘蝕，加劇海漫的破壞。而且在下游河床下切時(shí)，伴隨著水流的沖刷基底細(xì)顆粒砂石被逐漸帶走，導(dǎo)致基礎(chǔ)托空引起海漫裂縫、海漫結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生沖坑[1]。

圖2　格賓網(wǎng)細(xì)部結(jié)構(gòu)

圖3　海漫平面布置圖

圖4　格賓網(wǎng)箱布置詳圖

考慮到我國北方地區(qū)具有顯著的地域特點(diǎn)，冬季氣溫低，凍融作用對(duì)各種水利工程帶來了不同程度的侵蝕破壞，此問題是長期困擾水利工程界的難題。因此，本次海漫修復(fù)工程項(xiàng)目考慮之前破壞緣由的同時(shí)亦應(yīng)考慮在寒冷的氣候條件下適宜的結(jié)構(gòu)型式，綜合考慮以上兩點(diǎn)因素，避免出現(xiàn)之前采用模袋混凝土型式時(shí)的沖刷破壞以及冬季凍脹破壞等問題，此次渾河右岸王家灣壩下海漫水毀修復(fù)工程選取整體性好、柔性好、多孔隙、透水性好、材料環(huán)保的格

賓石籠型式海漫。

格賓產(chǎn)品技術(shù)起源于意大利，又被稱為鍍鋅低碳鋼絲編織六角網(wǎng)，產(chǎn)品是采用高強(qiáng)度的鍍鋅低碳鋼絲，由機(jī)械編織成的雙絞六角形鋼絲網(wǎng)，采用雙扭結(jié)網(wǎng)目(見圖2)即使局部斷裂也不影響整體穩(wěn)定。鋼絲外面可以覆抗老化的 PVC 膜，起到保護(hù)鋼絲的作用，可有效增加網(wǎng)箱的工程壽命。格賓網(wǎng)可以由一張連續(xù)網(wǎng)面型式根據(jù)需要做成網(wǎng)箱體，內(nèi)部填充塊石等材料，作為建筑構(gòu)件使用。通常箱體厚度小于50 cm 的稱為格賓網(wǎng)墊，厚度大于 50 cm 的稱為格賓網(wǎng)箱。國外已經(jīng)推廣并使用格賓產(chǎn)品幾十年，近些年由馬克菲爾公司引入中國，目前在國內(nèi)還處于試用階段[2]。

2.3海漫修復(fù)工程布置及施工

2.3.1海漫修復(fù)工程布置

本次渾河右岸王家灣壩下海漫水毀修復(fù)工程，將原有不能滿足沖刷強(qiáng)度及長度要求的模袋型式海漫，改造成為110 m長的格賓石籠內(nèi)填石塊，下設(shè)土工布形成完整的反濾型式。

格賓石籠型式采用2 m×1 m×1 m為一個(gè)單元格，每個(gè)單元中間均設(shè)一個(gè)單片隔板(見圖4)，石籠內(nèi)填充粒徑大于15 cm的塊石使其飽滿，并采用土工布反濾層，使反濾層既能反濾又有強(qiáng)度，保證反濾層安全運(yùn)行。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際海漫尺寸、銜接情況以及計(jì)算確定的海漫長度，設(shè)計(jì)格賓石籠海漫的平面布置圖如圖3所示。

2.3.2海漫修復(fù)工程施工

由于原有海漫已經(jīng)遭到?jīng)_刷破壞，出現(xiàn)沖刷坑現(xiàn)象，本工程先用1 m3挖掘機(jī)將原有膜袋混凝土打碎并清理海漫處隨處可見的干砌石，將可用部分填到?jīng)_刷坑處，打碎混凝量土及大塊干砌石量不足以填坑時(shí)，采用外購塊石填筑。

在施工時(shí)，首先用木樁標(biāo)出格賓鋪設(shè)的范圍，然后人工進(jìn)行格賓鋪設(shè)，本工程共需鋪設(shè)上底80 m寬，下底126 m寬，110 m長的格賓石籠。設(shè)計(jì)格賓單元格為2 m×1 m×1 m的規(guī)格，中間設(shè)置單片隔板。下設(shè)土工布反濾層，使反濾層既能反濾又有強(qiáng)度，保證反濾層安全運(yùn)行，土工布錨固長度為1.5 m。在格賓與消力池連接處布置50 mm×50 mm角鋼，縫隙處放置4 mm厚橡膠板以及400 g/m長絲土工布，用直徑10 mm膨脹螺栓固定。格賓與右岸下游護(hù)墻連接同與消力池連接。

格賓鋪設(shè)完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行石料填筑，應(yīng)按照先兩邊后中間的原則來進(jìn)行填充，嚴(yán)禁先填中部。填筑結(jié)束后格賓封頂。

3結(jié)語

王家灣橡膠壩下游海漫具有能夠消除水流所剩余能、穩(wěn)定出池水流、防止水流對(duì)下游河床及河岸沖刷破壞的作用，并且承載著確保橡膠壩下游河勢穩(wěn)定及下游建筑物安全的重要作用，此次水毀海漫修復(fù)工程的實(shí)施意義重大。格賓石籠海漫型式比較適合本工程的實(shí)際狀況，同時(shí)，由于柔性格賓材質(zhì)兼具工程需求及生態(tài)環(huán)保的需求，因此，具有在今后的海漫工程中實(shí)踐推廣的意義。

參考文獻(xiàn)

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[3]中華人民共和國水利部. SL 265-2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]劉新，黃倫超.雷諾護(hù)墊在海漫及防沖槽中的應(yīng)用[J].水道港口.2009,(6):197-200.

[5]武俊杰. 論海漫破壞成因及防治[J].水道港口.2003,(2):69-70.

[收稿日期]2016-03-14

[作者簡介]柏青(1988-)，女，遼寧沈陽人，助理工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)研究工作。

[中圖分類號(hào)]TV135.2+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0180-02