格宾石笼在海漫修复工程中的应用

柏　青

(沈阳市水利建筑勘测设计院，辽宁 沈阳 110015)

格宾石笼在海漫修复工程中的应用

柏青

(沈阳市水利建筑勘测设计院，辽宁 沈阳 110015)

[摘要]针对王家湾橡胶坝第一跨气坝下游海漫实际被冲刷破坏情况，提出海漫修复工程的可行办法，即主要从材质上改变被破坏海漫型式。经过比选后，决定选用既可以满足工程实际需求，还可以起到生态环保作用的格宾石笼海漫替代原有模袋混凝土型式海漫。工程的实施效果将对今后海漫的修复工程提供参考。

[关键词]水毁海漫；格宾石笼；橡胶坝；消能防冲

水利工程中，为了保护闸、坝下游河床及岸坡不受高速水流的冲刷，通常情况下在护坦末端设有海漫。水流流经消力池或护坦大幅度消能后，还保持着一定的余能，海漫可以消除水流的余能，调整流速分布，均匀的扩散出池水流，使之与天然河道的水流状态接近，保证下游免受冲刷。尽管如此，海漫的重要性往往被人们所忽视，设计、施工及管理的重点集中在难度高、投资大的主体建筑物闸、坝上，诸多原因导致了目前中小型闸坝下游的河床和海漫普遍存在不同程度的冲刷破坏,有的已经危及到闸坝的安全,严重者直接造成闸、坝工程的报废。本文将结合工程实例针对被冲刷破坏的海漫修复工程进行探讨研究。

图1　水毁海漫现状图

1工程概述

王家湾橡胶坝工程始建于2004年，后经2007、2008年两年逐渐完善，形成了目前5孔单跨66 m充气式橡胶坝与2孔单跨32.5 m的充水式橡胶坝组成的拦河调蓄工程。橡胶坝长401 m，底板高程43 m，坝高2.5 m，防洪标准为50年一遇。工程处海漫位于橡胶坝下游约46 m处，为混凝土模袋形式。

王家湾橡胶坝于2004年底进行工程筹建，2005年1月主体工程正式开工，2005年4月30日工程竣工，现已运行10年。由于橡胶坝在泄洪时随着坝袋的坍塌泄流量增大，流速大、流态复杂，对下游冲刷力大。水流经过下游消力池后的紊动现象依然很剧烈，底部流速较大，流速分布不能够恢复到正常状态，对河床仍会有较强的冲刷能力。加之浑河右岸王家湾橡胶坝第一跨气坝段在之前实施气坝改水坝时作为导流之用，因此，此处海漫受冲刷较为严重，产生多处大坑，后虽经处理但未能完全解决隐患，目前此处混凝土模袋被冲刷在河道中随处可见，严重影响河道美观效果，如图1-1所示，且不能承担其减小水流冲刷的作用。为确保下游河势的稳定及下游建筑物的安全，对浑河右岸王家湾第一跨气坝下游处海漫水毁修复工程的实施是十分必要的。

2海漫修复工程设计

2.1海漫尺寸选取

在确定海漫尺寸前，我们需要对原有建筑物进行复核。

2.1.1泄流能力

王家湾橡胶坝过流能力按《橡胶坝技术规范》(SL227-98)堰流基本公式进行计算，具体计算如下：

式中：Q为过坝流量(m3/s)；B为溢流断面的平均宽度(m)，396 m；h0为计入行进流速水头的堰顶水头(m)；ε为堰流侧收缩系数，ε=1；σ为堰流淹没系数，σ=1；m为堰流流量系数。

经计算，橡胶坝坝顶水深0.3 m时泄流能力为115.23 m3/s。

2.1.2消能防冲计算

(1)工况分析

当坝顶溢流时，由于泄流能力十分有限，单宽泄量较小，对下游防冲基本不造成影响。当橡胶坝坍坝时，水流保持原河状进行，水头差极小，对下游防冲也基本没有影响。最不利工况出现在橡胶坝坍坝过程中，此时下游水位较小，假设上游水面基本维持不变，挡水水位最高，水头差最大。

在坍坝过程中，上游水位维持不变，消能防冲计算工况以(hc″-ht)为最大控制。消能计算控制工况见表1。

(2)水跃计算

水跃参数按下式计算：

式中：hc为收缩水深，m；h″c为跃后水深，m；α为水流动能修正系数，采用1.0；q为过闸单宽流量，m3/s·m；T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m；φ为流速系数，取0.95；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m。

(3)消力池计算

消力池深度按下式计算

d=σ0hc″-hs′-ΔZ

消力池长度按下式计算：

Lj=6.9(h″c-hc)

Lsj=Ls+βLj

式中：Lsj为消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段水平投影长度，m；β为水跃长度校正系数，采用0.75；Lj为水跃长度，m。

消能工长度选用远驱水跃最大流量所对应的长度。

表1　消力池计算工况表

表2　消力池计算结果

经过计算，现有王家湾橡胶坝消力池深度0.3 m，长度22.5 m，能够满足实际应用要求。

(4)海漫

海漫长度按下式计算:

式中：Lp为海漫长度，m；ΔH′为闸上、下游水位差，m；ks为海漫长度计算系数，根据河床土壤，K=13；qs为消力池末端单宽流量，m3/s·m[3]。

经计算：消力池下游海漫长度取25.0 m。但根据实地调研情况，原有海漫长度不能够满足实际工程需要，已经遭到冲刷破坏，因此，本次海漫工程设计长度为110 m。

2.2海漫结构型式的选取

鉴于工程位置处即王家湾橡胶坝第一跨气坝段下游已遭受水毁破坏海漫的型式为混凝土模袋海漫，应吸取此类教训，在本次修复工程中对于海漫型式的选取需更加慎重。

以往海漫结构型式多采用：堆石海漫，即用人工抛堆块石，不加砌筑型式；干砌石海漫，与堆石海漫相比，干砌石海漫能承受较大流速的水流冲刷；预制混凝土块海漫，此种海漫混凝土块厚度为 0.2～0.3 m，海漫的前后段可根据断面平均流速选用不同护面材料。这几种传统的海漫型式，虽然有造价便宜施工简单的优点，但当海漫局部被冲刷破坏后，就会在破坏的局部连续扩大，带动了反滤结构随之破坏，导致河床遭受严重冲刷淘蚀，加剧海漫的破坏。而且在下游河床下切时，伴随着水流的冲刷基底细颗粒砂石被逐渐带走，导致基础托空引起海漫裂缝、海漫结构破坏产生冲坑[1]。

图2　格宾网细部结构

图3　海漫平面布置图

图4　格宾网箱布置详图

考虑到我国北方地区具有显著的地域特点，冬季气温低，冻融作用对各种水利工程带来了不同程度的侵蚀破坏，此问题是长期困扰水利工程界的难题。因此，本次海漫修复工程项目考虑之前破坏缘由的同时亦应考虑在寒冷的气候条件下适宜的结构型式，综合考虑以上两点因素，避免出现之前采用模袋混凝土型式时的冲刷破坏以及冬季冻胀破坏等问题，此次浑河右岸王家湾坝下海漫水毁修复工程选取整体性好、柔性好、多孔隙、透水性好、材料环保的格

宾石笼型式海漫。

格宾产品技术起源于意大利，又被称为镀锌低碳钢丝编织六角网，产品是采用高强度的镀锌低碳钢丝，由机械编织成的双绞六角形钢丝网，采用双扭结网目(见图2)即使局部断裂也不影响整体稳定。钢丝外面可以覆抗老化的 PVC 膜，起到保护钢丝的作用，可有效增加网箱的工程寿命。格宾网可以由一张连续网面型式根据需要做成网箱体，内部填充块石等材料，作为建筑构件使用。通常箱体厚度小于50 cm 的称为格宾网垫，厚度大于 50 cm 的称为格宾网箱。国外已经推广并使用格宾产品几十年，近些年由马克菲尔公司引入中国，目前在国内还处于试用阶段[2]。

2.3海漫修复工程布置及施工

2.3.1海漫修复工程布置

本次浑河右岸王家湾坝下海漫水毁修复工程，将原有不能满足冲刷强度及长度要求的模袋型式海漫，改造成为110 m长的格宾石笼内填石块，下设土工布形成完整的反滤型式。

格宾石笼型式采用2 m×1 m×1 m为一个单元格，每个单元中间均设一个单片隔板(见图4)，石笼内填充粒径大于15 cm的块石使其饱满，并采用土工布反滤层，使反滤层既能反滤又有强度，保证反滤层安全运行。结合现场实际海漫尺寸、衔接情况以及计算确定的海漫长度，设计格宾石笼海漫的平面布置图如图3所示。

2.3.2海漫修复工程施工

由于原有海漫已经遭到冲刷破坏，出现冲刷坑现象，本工程先用1 m3挖掘机将原有膜袋混凝土打碎并清理海漫处随处可见的干砌石，将可用部分填到冲刷坑处，打碎混凝量土及大块干砌石量不足以填坑时，采用外购块石填筑。

在施工时，首先用木桩标出格宾铺设的范围，然后人工进行格宾铺设，本工程共需铺设上底80 m宽，下底126 m宽，110 m长的格宾石笼。设计格宾单元格为2 m×1 m×1 m的规格，中间设置单片隔板。下设土工布反滤层，使反滤层既能反滤又有强度，保证反滤层安全运行，土工布锚固长度为1.5 m。在格宾与消力池连接处布置50 mm×50 mm角钢，缝隙处放置4 mm厚橡胶板以及400 g/m长丝土工布，用直径10 mm膨胀螺栓固定。格宾与右岸下游护墙连接同与消力池连接。

格宾铺设完成后，应及时进行石料填筑，应按照先两边后中间的原则来进行填充，严禁先填中部。填筑结束后格宾封顶。

3结语

王家湾橡胶坝下游海漫具有能够消除水流所剩余能、稳定出池水流、防止水流对下游河床及河岸冲刷破坏的作用，并且承载着确保橡胶坝下游河势稳定及下游建筑物安全的重要作用，此次水毁海漫修复工程的实施意义重大。格宾石笼海漫型式比较适合本工程的实际状况，同时，由于柔性格宾材质兼具工程需求及生态环保的需求，因此，具有在今后的海漫工程中实践推广的意义。

参考文献

[1]李连文.柔性海漫防冲水力特性研究[D].长江科学院.2013.

[2]王宇.格宾生态护岸在寒冷地区应用示范研究[D].黑龙江大学.2013.

[3]中华人民共和国水利部. SL 265-2001水闸设计规范[S].

[4]刘新，黄伦超.雷诺护垫在海漫及防冲槽中的应用[J].水道港口.2009,(6):197-200.

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

[收稿日期]2016-03-14

[作者简介]柏青(1988-)，女，辽宁沈阳人，助理工程师，主要从事水利工程设计研究工作。

[中图分类号]TV135.2+1

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)03-0180-02