河津小石咀护岸工程结构断面存在的问题及改进建议
2010-07-20王海峰柴俊芳
王海峰 柴俊芳
(河津黄河河务局,河津 043300)
1 工程概况
小石咀工程位于河津市阳村乡苍头村西,黄淤66~67断面之间,上接大石咀工程,下邻汾河口工程。工程联坝全长2 160m,有丁坝22条。1~5号坝段为护岸工程,防御标准为2005年水平龙门站20 000m3/s洪水,6~22号坝段为控导工程,防御标准为2005年水平龙门站12 700m3/s洪水。
2 工程出险情况
2008年10月份,河津河段小石咀工程坝前河势发生变化,小石咀工程8~22号坝段靠黄河主流。自2008年10月6日至2009年1月12日,受横河、斜河顶冲淘刷,小石咀工程16~22号坝段的丁坝及坝档相继发生根石、坦石坍塌险情。累计出险长度588m,出险24坝次,损失石方3 694m3。具体为:
2008年10月份,小石咀工程16~21号坝段相继发生根石坦石坍塌险情,出险10坝次,出险长度195m,损失石方1 204m3。
11月份,小石咀18~21号坝段发生根石坦石坍塌、土坝基墩蛰入水险情,出险7坝次,出险长度200m,损失石方1 206m3。
12月份,小石咀21~22号坝段发生坦石坍塌险情,出险4坝次,出险长度122m,损失石方330m3。
2009年1月份,小石咀工程20~21号坝段发生根石坦石坍塌险情,出险3坝次,出险长度71m,损失石方954m3。
在近三个月的时间里,小石咀工程16~22号坝段相继发生水毁险情,且出险部位基本是自上而下,逐段发生。水毁险情由小险情逐渐发展至重大险情,致使小石咀工程16~22号坝段损失惨重,出险长度占石方裹护长度的69.4%,裹护断面石方最大损失率100%,致使部分工程坝基土方墩蛰外露。
3 险情原因分析
2008年汛期,黄河中游没有发生大范围的强降雨过程,洪峰和洪量较小,属枯水少沙年份。2008年汛期(7-9月份),黄河中游龙门站径流总量为51.71亿m3,较多年均值减少60.4%;输沙总量为0.18亿t,较多年均值减少97.5%。
黄河龙门站汛期最大流量为1 670m3/s,(9月14日8时);最大含沙量为15.1 kg/m3(8月15日18时30分);最小流量为108m3/s,(7月24日8时)。
整个伏秋大汛期间大于1 000m3/s以上流量的仅有16天,其中9月份大于1 000m3/s以上流量的仅有15天。出险期间,最大流量为2008年10月13日8时龙门站流量1 060m3/s,最小流量为2008年12月27日8时龙门站流量130m3/s,且自2008年11月份至2009年元月份,黄河流量持续减小,最大流量为2009年元月6日龙门站445m3/s。是什么原因导致在小流量的情况下发生了如此严重的险情呢?经过认真的研究分析,笔者认为险情发生的原因主要有以下几点:
1)河势变化的影响
2008年伏秋大汛期间,小石咀工程8~22号坝段一直靠流,10月份,黄河流势发生变化,主流以三股流路下行,一股居中而行,其余两股沿两岸工程而行,居中而行的黄河主流在经过候禹高速公路大桥后呈横河、斜河之势顶冲小石咀工程17号坝,受横河、斜河顶冲淘刷影响,2008年10月9日早8时许,17号坝坝头下部石方坍塌,至10时坝头裹护石方整体坍塌入水,坝体土方几乎全部外露。随后,河势分别上提下挫至16号坝、18~22号坝,以同样的手法袭击了坝头、坝档石方裹护部位。
2)工程根石较浅,抗洪能力较弱
2002年3月,小石咀工程16~22号坝段开工建设,2002年9月全面完成,2003年8月正式交付使用。工程运行期间,虽一直靠流,但未发生过大的险情,工程根石沉深较浅。经探测,该段根石沉深仅为3~5m。由于工程根石较浅,遇横河、斜河顶冲淘刷,工程出险在所难免。
3)结构断面是导致工程发生重大险情的主要原因
小石咀工程16~22号坝段的结构断面为:土坝基顶宽10m,坦石顶宽 2m,内坡比 1:1.3,外坡比 1:1.5。见图 1。
图1 小石咀16~22号坝段结构断面
4 工程结构断面存在的问题及建议
1)工程结构断面存在的问题
纵观小石咀工程的整个出险过程,造成工程险情加剧的主要原因在于工程结构断面存在的问题主要为:
(1)小石咀工程的结构断面为无根石台设计,影响了坝体的稳定性。小石咀工程结构断面中无根石台设计,施工时采取柳石楼厢水中进占,自柳石楼厢外边线后退1m进行坦石施工,柳石楼厢受施工时水深限制仅为3.4m。经实地观测预估,坝前最大冲刷深度约为5m。由于坝前根石严重不足,无法弥补根石深度与实际最大冲刷深度的差距,降低了坦石及整个坝身的稳定性,受水流冲刷,极易发生坍塌险情。
(2)小石咀工程的结构断面无根石台设计,加速了险情发展速度。受工程根石量不足影响,受水流冲刷后,坝前及坝底石方坍塌走失,致使工程底部坝前部位悬空,上部坦石在自身重力作用和水流冲刷下,快速坍塌入水,加速了险情发展速度。
(3)小石咀工程的结构断面不利于险情的抢护。工程抢险贵在及时,一旦发现险情要立即采取措施,抢险不及时,会使小险发展成大险,抢护更加困难。小石咀工程结构断面中,坝前没有根石台,抢险装抛铅丝笼只能在坝顶进行,但在坝顶抛铅丝笼直接加速了护坡石下沉的速度,加剧了险情发展,严重影响了抢护工作的开展。
2)建议
根据小石咀工程出险情况分析,结合黄河河津河段多年来险情发生情况,对工程设计提出以下几点建议:
(1)在工程结构断面设计过程中增加根石设计。根石,也叫“护根石”,是坝体下部的保护石。根石是坦石乃至整个坝身安全稳定的基础,坡度以1:1~1:1.5为佳,以坝前头及上跨角为最深。增加根石设计,可以极大地提高工程稳定性。
(2)在工程结构断面设计过程中增加根石台设计。根石台为根石顶部的平台,增加根石台能够起到如下作用:一是便于上部坦石护坡埋脚,防止破坏;二是便于及时发现根石出险,便于迅速抢修加固;三是为工程抢险提供装抛铅丝笼场地和增加坦石的稳定性。建议根石台宽度确定在3m以上,利于在根石台上开展抢险装笼等工作。见图2。
图2 建议改进的结构断面