泄洪建筑物下游防护工程基础修复措施探讨

牛文娟

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

泄水建筑物常用于水利工程施工期导流、运行期泄洪，是水利水电工程重要的组成部分。但由于泄水建筑物及下游防护工程经常受到高速水流的冲刷作用，造成河床、护坦及护岸等结构严重损坏，甚至影响坝体结构安全。李婧、杨欣研究并分析了进水口、渡槽以及各类消能工冲刷破坏的防治措施，泄水建筑物渗漏破坏的防治措施，重点均以预防为主[1- 2]。蒋煌斌等人针对泄水建筑物冲刷破坏部位，研制了4种组合修复材料，通过试验以及实际工程验证，胶结提质材料具有良好的浸渗能力[3]。耿冰冰研究了泄水建筑物空蚀破坏以及冲刷破坏机理，并提出了防治措施[4]。普罗沃罗娃对泄水建筑下游消力池进行了局部冲刷计算，提出了最优的计算方法和计算公式[5]。目前，对于泄水建筑物下游防冲的研究多集中于冲刷计算、有限元分析以及预防措施方面，针对冲刷破坏后的修复措施却研究甚少。本文结合新疆某水库下游防护工程冲刷破坏后的实际情况，采取永临结合的修复措施，提高建筑物防冲能力及稳定性。

2 冲刷破坏情况与应急加固措施

2.1 冲刷破坏情况

某水库坝址以上的河流水系形态为羽状水系，流域形状为椭圆形，当降雨天气沿着坝址以上流域的长轴方向自东向西移动过境且雨区面积较大时，受支流洪水汇入水库时间差的影响，极易形成陡涨缓落复波叠加的洪水过程形态。同时该流域内地表植被稀少，上游山区裸露陡峭，基本无植被覆盖，地面多为砾石戈壁，最终形成含泥量高、冲击力强的暴雨型洪水。该水库首次度汛运行时，泄洪系统下游河道整治段河床出现洪水冲刷现象。首次度汛行洪情况如图1所示，洪水消退后暴露的下游防护工程基础冲刷破坏情况如图2所示。由图1和图2可知，首次度汛运行时，导流底孔侧护坦、护岸边墙等部位基础因洪水冲刷淘蚀而发生脱空破坏现象，严重影响其稳定性，在正常运行尤其是再次行洪时很容易发生失稳破坏，若不及时修复甚至可能危及大坝整体稳定。尤其是二次洪峰来临时差仅有3～5d，这种情况使得及时进行应急修复更为迫切。

2.2 应急修复

考虑二次洪峰来临时差仅有3～5d，应急处理加固方案必须考虑如下原则：力求施工便捷、迅速；尽量利用现有防洪储备物资，以及当地材料；尽可能地达到永临措施良好地结合，从而减少工程投资，并保证工程持久安全运行[6]。由于本工程具有灌溉、防洪综合利用任务，故工程运管单位对防洪预案及防洪物资是有一定的储备，主要是铅丝石笼成品网、钢筋、水泥、沙袋等，但储量有限，无法满足工程现在的需求。河床下游10km范围内虽有一定储量的粒径大于200mm的石块，但需要人工筛检和机械装运一同协作。工程区所处县镇常用主材均需外运，运距150km。该县镇常住总人口约为2000人，对应急加固工程带来了极大的挑战。

原参建各方和上级主管部门对冲刷现场进一步踏勘并进行了会议研判，及时确定了应急加固方案。利用有限的5d时间，针对出现的冲刷部分采取了如下的应急加固处理措施。

(1)沿右侧挡墙外侧90m与海漫末端下游使用铅丝石笼回填，铅丝石笼回填顶部宽5m，两侧边坡1∶1。铅丝石笼回填完成后，在铅丝石笼表面紧贴挡墙墙趾和下游护坦摆放一排钢筋石笼，每四个钢筋石笼之间通过连接筋焊接成整体。铅丝石笼平面图如图3所示，铅丝石笼结构如图4所示。钢筋石笼尺寸1.5m×0.75m×0.75m，外框采用D=25mm钢筋焊接，每一面的内格栅采用D=14mm钢筋焊接，格栅钢筋间排距15cm.笼内石块粒径大于20cm，钢筋笼装满后，顶盖现场焊接，顶盖外框和内甘山都采用D=14mm钢筋焊接。单个钢筋龙钢筋重量128kg，链接钢筋笼采用直径16mm钢筋连接，连接筋间距30cm。

图3 铅丝石笼平面图

图4 铅丝石笼结构图

(2)护坦末端左侧裹头铺设铅丝石笼，厚1m，宽3m。

(3)对于铅丝笼以外的消力池出口冲坑，设置软护坦，软护坦长度40m，宽度同护坦末端宽度，软护坦分为两侧，底部回填粒径≥20cm的块石或卵石，表面回填1m厚铅丝石笼。软护坦施工时，应先将砂砾石回填的临时道路清除。

(4)护坦末端已经放置的钢筋石笼后部再铺设一层铅丝石笼，宽度2m。钢筋石笼下游铺设铅丝石笼示意图如图5所示。

图5 钢筋石笼下游铺设铅丝石笼示意图

抢抓水库放空的时间，水库应急加固根据以上措施内容，昼夜施工，完成了应急加固方案确定的全部加固任务。应急加固措施完工后现场如图6所示。

图6 应急加固措施完工后现场图

3 永久加固措施

3.1 永久加固措施设计

根据下游河道整治段布置现状，结合现状度汛应急加固处理措施，进一步对下游河道整治段护坦、边墙基础进行加固处理。并且充分利用现状应急度汛对下游河道护坦、边墙基础的临时除险加固措施，最终确定永久加固措施设计方案。

护坦末端、右侧挡墙基础部分均挖除表面砂砾石回填料，开挖深度至砾岩面。对应急加固铅丝石笼顶面和边坡进行规整，外层铅丝石笼进行冲洗，去除表面的淤泥。在靠近护坦一侧底部沿基岩面向下槽挖，放置铅丝石笼。对铅丝石笼坡面设置插筋，之后进行自密实混凝土灌浆。接着铺设钢筋网，最后浇筑护坡C20混凝土板，厚度0.3m，顶宽3.0，边坡1∶1.5。原护坦和边墙段基础加固设计如图7所示。

图7 原护坦和边墙段基础加固设计剖面图(单位：mm)

2020年3月施工单位进场后首先进行了第二部分消力池护坦、河道边墙基础加固土石方开挖和大桥防冲齿墙防冲网装石铺设施工。随着护坦及边墙基础土石方开挖后揭露出的冲刷状况，护坦及边墙基础下多处存在冲刷洞穴，洞中充填淤泥，洞口被防汛期间应急加固时抛填的铅丝石笼封堵，并且铅丝石笼中及之间均充填不同程度淤泥。实施现场揭露实际情况如图8所示。

图8 永久加固措施现场揭露实际情况

分析发现在应急加固抛填铅丝石笼过程中水库曾进行了放空冲沙运行，原设计确定的充分利用已有抛填铅丝石笼作为加固体部分断面，通过抛石断面修正、注浆及包裹钢筋砼层组成的加固体断面方案，对水库排沙冲淤后的淤积影响考虑不足，现状大量淤泥填充其中无法彻底清除，原设计加固断面基本无法保证施工质量，因此决定结合现状对加固断面进行优化设计[7- 8]。结合现场开挖现状反馈，专题小组综合分析达成一致意见，对加固设计进行优化。护坦和边墙段基础加固优化设计内容为：①彻底挖除基础冲坑中抛石及洞穴中淤泥；②探出基岩埋深，将防冲齿墙嵌入基岩面下1m；③采用自密实抛石砼重力式挡墙结构加固护坦与边墙基础。护坦和边墙段基础加固优化设计如图9所示。

图9 护坦和边墙段基础加固优化设计剖面图(单位：mm)

3.2 加固措施实施过程

(1)挖除基础冲坑中抛石及洞穴中淤泥。首先采用机械大面挖除，之后及时做好相应安全支撑措施，最后人工再采用高压水枪冲洗筛除一遍，将浮土浮渣清除，至基岩面出露。挖除基础冲坑中抛石及洞穴中淤泥现场如图10所示。

图10 挖除基础冲坑中抛石及洞穴中淤泥现场

(2)将防冲齿墙设计高程处基岩面向下深入1m，底宽保证大于2m，开挖边坡控制1∶0.3。齿墙基础开挖如图11所示。

图11 齿墙基础开挖

(3)采用自密实抛石砼重力式挡墙结构加固护坦与边墙基础。

自密实抛石混凝土中块石粒径要求在20～30cm范围内，抛石量控制在40%～50%。自密实混凝土的坍落度250～280mm、坍落扩展度600～750mm以及V型漏斗通过时间4～20s，三项指标须满足以上范围要求，否则不得入仓。自密实混凝土需设置外模，方可浇筑。模板可采用钢模、木模等常态混凝土模板，其技术要求需参照相关国家规范执行[9- 13]。模板由下至上分层砌筑，每层控制上升高度1.5～1.8m；混凝土强度达到5MPa以上方可拆模。

永久加固后的加固体断面结构充分利用了应急防汛加固时抛填的块石，同时施工过程中严格控制基础下洞穴的密实填充，不仅保证了加固体的施工质量，并且提高了加固体结构材料的强度，减小了加固体断面尺寸，节省了工程量及投资。

本次永久加固措施实施工期共3个月，赶在主汛来临之前全部完工，具备过洪条件。同时可最大程度上简化施工工序，用机械化施工替代人工作业，不仅提高了作业效率和质量，还节约工程投资直接费约29.3%。基础修复完工全貌如图12所示。

图12 基础修复完工全貌

4 永临结合措施修复基础冲刷破坏的效果及启示

工程修复完成之后，次年7月25日首次经历泄洪运行。运行洪量约为20年一遇(设计工况)下泄标准，行洪历时约2h，基础修复后首次通水现场如图13所示。行洪过程中护坦末端水流流态基本稳定，下游软护坦二次跌差对余能消除起到了更加稳固的作用，加固基础范围内无冲刷、掏涮现象。行洪过后，基础加固范围内外观良好，结构稳定无变形，软护坦形态完整，河床基本无下切掏涮现象。经过修复后下游防护工程经受了次年20年一遇洪水的考验，说明采用永临结合措施对下游防护工程基础冲刷破坏的修复是成功的，可总结如下经验供类似工程借鉴。

图13 基础修复后首次通水

(1)临时加固措施采用大量的块石进行装填加固，效果虽好，但块石之间易被泥沙淤堵，对后期采用自密实混凝土加固造成了较大困难。因此，临时加固基础时，可先采用无纺布对加固范围进行铺设，之后再进行块石铺设，最后再将无纺布包裹至块石最表面，并与钢筋石笼绑接牢靠。通过增设无纺布可以有效阻隔淤泥沉积于块石之间，从而永久加固就可以直接揭开无纺布，进行自密实混凝土填充加固，避免了人工冲洗块石、二次倒运、基坑二次排水等施工措施，最终可达到节约投资和工期的效果。

(2)临时基础加固措施实施时，钢筋石笼采用四箱一连，预留2根直径12mm的钢筋重叠连接，水平缠绕间距30cm，并用直径22mm钢筋在笼角进行焊接。通过实际行洪验证，钢筋石笼整体性效果较好，作为软护坦自适应性良好。通过钢筋石笼自身一定的柔软度和糙率，从而降低水流流速，减小基础冲刷影响。与此同时，钢筋石笼自身四笼一连也增强了钢筋石笼的刚度，建立起捆绑式抵御水流冲击的防护体系，整体实施后效果良好。

(3)通过本次基础加固总结，上游消能设施以及辅助消能工可从根本上解决下游冲刷的问题，当面临下游结构冲刷时，可先结合增设辅助消能措施进行缓解。

5 结语

水库大坝运行过程尤其是行洪运行过程中，泄洪建筑物下游防护工程基础冲刷破坏较常见的情况。本文针对某实际工程案例，对下游防护工程基础冲刷破坏进行了应急修复和永久加固设计，并结合永久加固方案实施过程中揭露的现场情况，对永久加固设计进行了优化，在此基础上，进行了永久加固。修复后次年20年一遇洪水行洪运行条件下，基础加固范围内河床基本无下切掏涮现象，结构稳定无变形，软护坦形态完整。说明本工程对导流底孔侧护坦、护岸边墙等基础进行的综合考虑应急修复和永久加固需要、永临措施良好结合的修复加固方案是成功的，保证工程安全运行的同时还可以减少工程投资，获得的经验可供类似工程借鉴参考。