鄭曉陽(yáng)，張建偉，毛鵬飛

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局，河南 鄭州 467000；2.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)江漢水網(wǎng)建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

南水北調(diào)中線沙河渡槽工程是世界綜合規(guī)模最大的渡槽工程，全長(zhǎng)9050m，由沙河梁式渡槽、沙河～大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河～魯山坡箱基渡槽、魯山坡落地槽組成。沙河梁式渡槽工程長(zhǎng)1 410 m，跨越右岸I級(jí)階地和漫灘、河床和左岸漫灘等不同地貌單元。I級(jí)階地地面高程118～120m，寬度約410m；漫灘河床地面高程111～116m，寬度約1000m。沙河梁式渡槽槽身采用C50預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)型式，共4槽，單槽直徑8 m，直段高3.4m，U槽凈高7.4 m，4槽各自獨(dú)立，每2槽支承于一個(gè)下部槽墩上。

2 工程水文條件

2.1 水位流量關(guān)系

沙河交叉斷面上下游有水文站，但距交叉斷面較遠(yuǎn)，實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系不宜借用，因此，交叉斷面水位流量關(guān)系根據(jù)調(diào)查的糙率和測(cè)量的河道縱橫斷面采用天然河道恒定非均勻流公式推算。水位推算采用河南省水利勘測(cè)總隊(duì)1995年測(cè)量的河道縱橫斷面圖，交叉斷面上下測(cè)量河段長(zhǎng)3～5 km，橫斷面間距一般為200m。

交叉河流交叉斷面天然水位推算成果見(jiàn)表1。

表1 交叉河流天然水位流量成果表

2.2 洪水標(biāo)準(zhǔn)

考慮到防護(hù)工程的破壞將直接威脅到沙河渡槽主體結(jié)構(gòu)的安全，因此防護(hù)工程的洪水標(biāo)準(zhǔn)與主體結(jié)構(gòu)一致，采用100年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量為8190m3/s，300年一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量為10160m3/s。

3 應(yīng)急防護(hù)的必要性分析

沖溝、砂坑影響：由于前期沙河河道治理滯后，采砂船采砂導(dǎo)致沙河梁式渡槽交叉斷面上、下游河道內(nèi)存在多處沖溝、砂坑和砂堆，特別是交叉斷面下游存在幾個(gè)連續(xù)的大砂坑，砂坑總面積約20余萬(wàn)m2，其中較大的砂坑深度均在10 m左右，距渡槽最近的砂坑在渡槽下游50m位置。汛期沙河河道行洪時(shí)勢(shì)必沖刷渡槽基礎(chǔ)，將土石向坑內(nèi)搬運(yùn)，可能造成槽墩承臺(tái)外露，給渡槽運(yùn)行安全帶來(lái)不利影響。

導(dǎo)流槽影響：沙河梁式渡槽交叉斷面上游約2 km位置修建的攔河橡膠壩時(shí)在沙河主河道內(nèi)開(kāi)挖了寬15～20m、深2～3m的1條子槽（子槽底部高程略低于承臺(tái)頂部高程），子槽從河道與渡槽交叉斷面上游2km開(kāi)始一直向下下穿沙河梁式渡槽36跨后與下游砂坑相接。子槽下穿渡槽情況詳見(jiàn)圖1。

圖1 子槽下穿渡槽示意圖

沙河河道內(nèi)由于子槽的存在，使主流更為集中，遭遇洪水時(shí)子槽與下游砂坑的不利組合影響，會(huì)造成沙河渡槽承臺(tái)外露甚至樁基外露，影響建筑物運(yùn)行安全，所以為了消除渡槽工程度汛安全隱患，保證渡槽輸水運(yùn)行安全，在主汛期到來(lái)前對(duì)沙河梁式渡槽基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)非常必要。

4 應(yīng)急防護(hù)方案及技術(shù)要求

4.1 防護(hù)方案比選

為保護(hù)沙河渡槽槽墩，防護(hù)材料必須具有較強(qiáng)的消能抗沖能力和適應(yīng)變形能力等，散拋石、漿砌石、格賓石籠均能滿(mǎn)足要求。

4.1.1 散拋石

具有單價(jià)較低，施工便利的特點(diǎn)。另外，散拋石具有一定的抗沖能力，適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是：拋石基礎(chǔ)對(duì)塊石要求較高，需采用較大石塊；散拋石不受約束，整體性差，易流失。

4.1.2 漿砌石

漿砌石為剛性結(jié)構(gòu)，抗沖刷能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是：不適應(yīng)不均勻變形；透水性差，只能靠設(shè)置排水管進(jìn)行排水；隔絕水域和自然環(huán)境生態(tài)性差；漿砌石施工難度大，且后期維修較為困難，若結(jié)構(gòu)破壞，一般需重建；漿砌石結(jié)構(gòu)造價(jià)較高。

4.1.3 格賓石籠

1）柔性結(jié)構(gòu)。格賓網(wǎng)具有柔性結(jié)構(gòu)及高伸張率，其采用的低碳鋼絲使得格賓具有很強(qiáng)的柔韌性及變形能力，尤其能夠適應(yīng)基礎(chǔ)的不均勻沉降，適應(yīng)河床變形能力強(qiáng)。

2）耐久性。格賓編織鋼絲采用重鍍高爾凡方式進(jìn)行防蝕處理。重鍍高爾凡鍍層工藝具有鍍層厚度均勻和抗腐蝕性、耐久性較強(qiáng)等特點(diǎn)。通過(guò)資料查詢(xún)，重鍍高爾凡格賓網(wǎng)一般情況下使用壽命可以達(dá)到50～70年，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的整體性，以及和自然環(huán)境融為整體，所以在鍍層損失的情況下，不影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3）自透水性。格賓具有天然的透水性，可以迅速降低結(jié)構(gòu)后填土內(nèi)由于降雨等原因?qū)е碌倪^(guò)高地下水位，消散孔隙水壓力，維持土體強(qiáng)度，降低發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)。格賓石籠網(wǎng)不需傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的排水設(shè)施，節(jié)省工序，提高施工效率，同時(shí)可以加強(qiáng)水體交換能力，促進(jìn)植被生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

4）獨(dú)立性和整體性。通過(guò)將石料限制在格賓中產(chǎn)生的允許剪切力要遠(yuǎn)大于散拋石的允許剪切力，可減少所需的石料數(shù)量。格賓石籠其格賓單元在工地現(xiàn)場(chǎng)組裝成型，相互綁扎成整體，屬于典型的柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)地基的不均勻沉降。

5）施工便捷，效率高。格賓石籠中的格賓網(wǎng)可工廠化生產(chǎn)制作出半成品，施工現(xiàn)場(chǎng)按施工圖進(jìn)行組裝定型。整體工法操作簡(jiǎn)便、工序少、無(wú)需特殊的技術(shù)工人、受氣候干擾小、整體施工效率頗高且效果易于保證。在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械配合下，更加能夠加快施工進(jìn)度。工人只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上手，施工效率很高，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工效率的2～3倍，可以大大縮短施工周期。

6）各種方案綜合對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 各種方案綜合對(duì)比表

通過(guò)分析對(duì)比說(shuō)明：格賓石籠具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、自然透水、抗沖消能效果好、耐久性較好等優(yōu)點(diǎn)，故沙河渡槽應(yīng)急防護(hù)選取格賓石籠防護(hù)方案。

4.2 應(yīng)急防護(hù)工程總體布置

沙河梁式渡槽防護(hù)工程范圍為渡槽第35、36跨上游10 m至下游27m。沙河梁式渡槽第35、36跨上游10 m范圍內(nèi)鋪設(shè)1 m厚的格賓石籠，首端設(shè)2 m深齒墻，槽身下方及渡槽下游15m范圍內(nèi)鋪設(shè)1 m厚的格賓石籠，護(hù)砌頂高程自上游至下游由114.0 m沿自然坡度漸變至113.5m，后接1∶30的斜坡順延至下游主河床底高程113.0m，末端設(shè)深3m的防沖槽。斜坡段格賓石籠下鋪一層400g/m2的無(wú)紡?fù)凉げ?。具體布置情況見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 沙河梁式渡槽槽墩防護(hù)平面示意圖

圖3 沙河梁式渡槽槽墩防護(hù)剖面示意圖

4.3 格賓石籠技術(shù)要求

格賓石籠規(guī)格為：200 cm×100 cm×100 cm（長(zhǎng)×寬×高），技術(shù)要求如下。

4.3.1 格賓網(wǎng)

1）格賓網(wǎng)鋼絲強(qiáng)度。鋼絲抗拉強(qiáng)度介于40～55kg/mm2之間，延伸率≥13%。

2）鋼絲鍍層。鋼絲鍍層為重鍍高爾凡(5%鋁鋅合金+稀土元素)。鍍層重量滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋅-5%-鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》（GB/T 20492）中A等級(jí)鋼絲標(biāo)準(zhǔn)，其中鋁含量≥4.2%。鍍層均勻性滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鍍鋅鋼絲鋅層硫酸銅試驗(yàn)方法》GB/T 2972。鍍層粘附力應(yīng)滿(mǎn)足，當(dāng)鋼絲繞具有4倍鋼絲直徑的圓柱6周時(shí)，鍍層表面不起層或開(kāi)裂，同時(shí)用手指碾搓鋼絲不會(huì)剝落或開(kāi)裂。鍍層附著力測(cè)試應(yīng)滿(mǎn)足《金屬材料線踩纏繞試驗(yàn)方法》（GB/T 2976）。

3）鋼絲網(wǎng)格。網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度和網(wǎng)面翻邊強(qiáng)度均＞50 kN/m；網(wǎng)面鋼絲完整不允許有斷絲，網(wǎng)片外露面色澤基本一致；網(wǎng)片面不得有破損、銹蝕、鍍層不得有裂痕、涂（鍍）層不得破損。

網(wǎng)面加工過(guò)程中，裁剪后末端與邊端鋼絲的連接處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為加強(qiáng)網(wǎng)面與邊端鋼絲的連接強(qiáng)度與性能，需采用專(zhuān)業(yè)的翻邊機(jī)將網(wǎng)面鋼絲纏繞在邊端鋼絲上≥2.5圈，盡量不采用手工絞，翻邊強(qiáng)度需大于35kN/m。

綁扎鋼絲與網(wǎng)面鋼絲采用同一種材質(zhì)鋼絲，為保證連接強(qiáng)度，嚴(yán)格按照間隔10～15cm單圈－雙圈連續(xù)交替絞合。

鋼絲網(wǎng)格應(yīng)由機(jī)器預(yù)先整體編織成六邊形雙絞合網(wǎng)格，其聯(lián)接處由相互纏繞3圈的一對(duì)絞鋼絲組成，如圖4所示，為保證整體強(qiáng)度,應(yīng)采用專(zhuān)業(yè)的翻邊機(jī)械將網(wǎng)面鋼絲在邊端鋼絲上纏繞2.5圈以上。

圖4 格賓網(wǎng)示意圖

4.3.2 填料要求

填充石料采用堅(jiān)固、耐久、未風(fēng)化且粒徑級(jí)配好的花崗巖塊石或卵石。所用填充石料應(yīng)滿(mǎn)足質(zhì)地堅(jiān)硬、新鮮、完整，無(wú)風(fēng)化剝落層或裂紋，石材表面無(wú)污垢、水銹等雜質(zhì)，其用于填充表面的石材，應(yīng)色澤均勻。石料料外形規(guī)格要求如下：毛石砌體，毛石應(yīng)呈塊狀，中部厚度≥20 cm。規(guī)格小于要求的毛石，用于塞縫，其砌體重量應(yīng)小于該處重量的10%。料石砌體：按其加工面的平整度分為細(xì)料石、半細(xì)料石、粗料石和毛料石四種。料石各面加工要求應(yīng)滿(mǎn)足《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50203－2011）的有關(guān)規(guī)定。石料容重＞25 kN/m3，濕抗壓強(qiáng)度＞100MPa[1]。

5 河道防護(hù)后沖刷計(jì)算

河道防護(hù)后沖刷計(jì)算采用300年一遇洪峰流量10 160 m3/s，相應(yīng)洪水位為121.23m。

5.1 上游護(hù)底首端河床沖刷計(jì)算[2]

上游護(hù)底首端河床沖刷計(jì)算采用根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）公式B.3.2計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中 d'm——上游護(hù)底首端河床沖刷深度（m）；q'm——上游護(hù)底首端單寬流量[m3/（s·m）]，計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)流量取河槽分?jǐn)偟牧髁?；[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）；沙河河槽表層土質(zhì)主要為第③層礫砂和第（13）-1層卵石層；h'm——上游護(hù)底首端河床水深（m），取6.73m。

經(jīng)計(jì)算，上游護(hù)底首端河床沖刷深度為1.43 m。本次設(shè)計(jì)上游端設(shè)2.0m深齒墻，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

5.2 下游河床沖刷計(jì)算[2]

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊界條件，沙河渡槽槽身下游河床沖刷坑深度按以下公式計(jì)算：

式中 dm——下游河床沖刷深度（m）；qm——單寬流量[m3/（s·m）]，計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)流量取河槽分?jǐn)偟牧髁?；[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）。沙河河槽表層土質(zhì)主要為第③層礫砂和第（13）-1層卵石層；hm——下游河床水深（m）。

經(jīng)計(jì)算，沖刷深度為dm=4.1 m，因此，本次設(shè)防沖槽，防沖槽深度為3.0 m，確保拋石數(shù)量能安全覆蓋沖刷坑的上游坡面。

5.3 沖刷后墩前行近流速[3]

槽墩處沖刷流速采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC 30-2015）中公式（7.4.4-1）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中 Bz——造床流量下的河槽寬度（m）；Bc——河槽寬度（m）；hc——河槽平均水深（m）；hcm——河槽最大水深（m）；Hz——造床流量下的河槽平均水深（m）；Q2——橋下河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；Qc——天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計(jì)流量（m3/s）；μ——橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；Bcg——橋長(zhǎng)范圍內(nèi)的河槽寬度（m），當(dāng)河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)取用橋孔總長(zhǎng)度；λ——設(shè)計(jì)水位下，在Bcg寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過(guò)水面積的比值；Vc——河槽平均流速（m/s）；Ad——單寬流量集中系數(shù)；V——河槽平均流速（m/s）。

經(jīng)計(jì)算，主槽處槽墩墩前行近流速為4.7 m/s。本次防護(hù)設(shè)計(jì)采用格賓石籠防護(hù)，格賓石籠抗沖刷性能好，抗沖流速為6～8m/s，大于槽墩處行近流速4.7 m/s，因此可滿(mǎn)足抗沖防護(hù)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

由于沙河梁式渡槽工程的特殊性，必須在汛期前保證槽墩基礎(chǔ)防護(hù)完成，否則汛期極有可能因沙河洪水導(dǎo)致渡槽基礎(chǔ)失穩(wěn)影響整個(gè)南水北調(diào)中線干線工程的正常輸水運(yùn)行。本次沙河梁式渡槽槽墩應(yīng)急防護(hù)工程槽墩防護(hù)設(shè)計(jì)具有科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，施工便捷，效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其施工中所采用的防護(hù)材料格賓石籠因其特有的柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及高伸張率的低碳鋼絲，具有很強(qiáng)的柔韌性及變形能力、自然透水、抗沖消能效果好、耐久性較好等優(yōu)點(diǎn)。該應(yīng)急防護(hù)工程的實(shí)施從工程角度消除了沙河梁式渡槽槽墩及渡槽下游沖刷、淘刷嚴(yán)重的安全隱患，確保了工程實(shí)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效保障了南水北調(diào)工程調(diào)度安全、供水安全、運(yùn)行安全。