浅谈沙河梁式渡槽槽墩应急防护处理

郑晓阳，张建伟，毛鹏飞

（1.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，河南 郑州 467000；2.中国南水北调集团江汉水网建设开发有限公司，湖北 武汉 430040）

1 工程概况

南水北调中线沙河渡槽工程是世界综合规模最大的渡槽工程，全长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～鲁山坡箱基渡槽、鲁山坡落地槽组成。沙河梁式渡槽工程长1 410 m，跨越右岸I级阶地和漫滩、河床和左岸漫滩等不同地貌单元。I级阶地地面高程118～120m，宽度约410m；漫滩河床地面高程111～116m，宽度约1000m。沙河梁式渡槽槽身采用C50预应力钢筋混凝土U形槽结构型式，共4槽，单槽直径8 m，直段高3.4m，U槽净高7.4 m，4槽各自独立，每2槽支承于一个下部槽墩上。

2 工程水文条件

2.1 水位流量关系

沙河交叉断面上下游有水文站，但距交叉断面较远，实测水位流量关系不宜借用，因此，交叉断面水位流量关系根据调查的糙率和测量的河道纵横断面采用天然河道恒定非均匀流公式推算。水位推算采用河南省水利勘测总队1995年测量的河道纵横断面图，交叉断面上下测量河段长3～5 km，横断面间距一般为200m。

交叉河流交叉断面天然水位推算成果见表1。

表1 交叉河流天然水位流量成果表

2.2 洪水标准

考虑到防护工程的破坏将直接威胁到沙河渡槽主体结构的安全，因此防护工程的洪水标准与主体结构一致，采用100年一遇洪水设计，相应洪峰流量为8190m3/s，300年一遇洪水校核，相应洪峰流量为10160m3/s。

3 应急防护的必要性分析

冲沟、砂坑影响：由于前期沙河河道治理滞后，采砂船采砂导致沙河梁式渡槽交叉断面上、下游河道内存在多处冲沟、砂坑和砂堆，特别是交叉断面下游存在几个连续的大砂坑，砂坑总面积约20余万m2，其中较大的砂坑深度均在10 m左右，距渡槽最近的砂坑在渡槽下游50m位置。汛期沙河河道行洪时势必冲刷渡槽基础，将土石向坑内搬运，可能造成槽墩承台外露，给渡槽运行安全带来不利影响。

导流槽影响：沙河梁式渡槽交叉断面上游约2 km位置修建的拦河橡胶坝时在沙河主河道内开挖了宽15～20m、深2～3m的1条子槽（子槽底部高程略低于承台顶部高程），子槽从河道与渡槽交叉断面上游2km开始一直向下下穿沙河梁式渡槽36跨后与下游砂坑相接。子槽下穿渡槽情况详见图1。

图1 子槽下穿渡槽示意图

沙河河道内由于子槽的存在，使主流更为集中，遭遇洪水时子槽与下游砂坑的不利组合影响，会造成沙河渡槽承台外露甚至桩基外露，影响建筑物运行安全，所以为了消除渡槽工程度汛安全隐患，保证渡槽输水运行安全，在主汛期到来前对沙河梁式渡槽基础进行加强防护非常必要。

4 应急防护方案及技术要求

4.1 防护方案比选

为保护沙河渡槽槽墩，防护材料必须具有较强的消能抗冲能力和适应变形能力等，散抛石、浆砌石、格宾石笼均能满足要求。

4.1.1 散抛石

具有单价较低，施工便利的特点。另外，散抛石具有一定的抗冲能力，适应地基变形能力强。缺点是：抛石基础对块石要求较高，需采用较大石块；散抛石不受约束，整体性差，易流失。

4.1.2 浆砌石

浆砌石为刚性结构，抗冲刷能力强。缺点是：不适应不均匀变形；透水性差，只能靠设置排水管进行排水；隔绝水域和自然环境生态性差；浆砌石施工难度大，且后期维修较为困难，若结构破坏，一般需重建；浆砌石结构造价较高。

4.1.3 格宾石笼

1）柔性结构。格宾网具有柔性结构及高伸张率，其采用的低碳钢丝使得格宾具有很强的柔韧性及变形能力，尤其能够适应基础的不均匀沉降，适应河床变形能力强。

2）耐久性。格宾编织钢丝采用重镀高尔凡方式进行防蚀处理。重镀高尔凡镀层工艺具有镀层厚度均匀和抗腐蚀性、耐久性较强等特点。通过资料查询，重镀高尔凡格宾网一般情况下使用寿命可以达到50～70年，同时由于结构的整体性，以及和自然环境融为整体，所以在镀层损失的情况下，不影响结构的稳定性。

3）自透水性。格宾具有天然的透水性，可以迅速降低结构后填土内由于降雨等原因导致的过高地下水位，消散孔隙水压力，维持土体强度，降低发生滑坡的危险。格宾石笼网不需传统结构的排水设施，节省工序，提高施工效率，同时可以加强水体交换能力，促进植被生长和生态系统的恢复。

4）独立性和整体性。通过将石料限制在格宾中产生的允许剪切力要远大于散抛石的允许剪切力，可减少所需的石料数量。格宾石笼其格宾单元在工地现场组装成型，相互绑扎成整体，属于典型的柔性防护结构，可以适应地基的不均匀沉降。

5）施工便捷，效率高。格宾石笼中的格宾网可工厂化生产制作出半成品，施工现场按施工图进行组装定型。整体工法操作简便、工序少、无需特殊的技术工人、受气候干扰小、整体施工效率颇高且效果易于保证。在现场机械配合下，更加能够加快施工进度。工人只需简单培训即可上手，施工效率很高，是传统结构施工效率的2～3倍，可以大大缩短施工周期。

6）各种方案综合对比，见表2。

表2 各种方案综合对比表

通过分析对比说明：格宾石笼具有适应变形能力强、自然透水、抗冲消能效果好、耐久性较好等优点，故沙河渡槽应急防护选取格宾石笼防护方案。

4.2 应急防护工程总体布置

沙河梁式渡槽防护工程范围为渡槽第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范围内铺设1 m厚的格宾石笼，首端设2 m深齿墙，槽身下方及渡槽下游15m范围内铺设1 m厚的格宾石笼，护砌顶高程自上游至下游由114.0 m沿自然坡度渐变至113.5m，后接1∶30的斜坡顺延至下游主河床底高程113.0m，末端设深3m的防冲槽。斜坡段格宾石笼下铺一层400g/m2的无纺土工布。具体布置情况见图2、图3。

图2 沙河梁式渡槽槽墩防护平面示意图

图3 沙河梁式渡槽槽墩防护剖面示意图

4.3 格宾石笼技术要求

格宾石笼规格为：200 cm×100 cm×100 cm（长×宽×高），技术要求如下。

4.3.1 格宾网

1）格宾网钢丝强度。钢丝抗拉强度介于40～55kg/mm2之间，延伸率≥13%。

2）钢丝镀层。钢丝镀层为重镀高尔凡(5%铝锌合金+稀土元素)。镀层重量满足国家标准《锌-5%-铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》（GB/T 20492）中A等级钢丝标准，其中铝含量≥4.2%。镀层均匀性满足国家标准《镀锌钢丝锌层硫酸铜试验方法》GB/T 2972。镀层粘附力应满足，当钢丝绕具有4倍钢丝直径的圆柱6周时，镀层表面不起层或开裂，同时用手指碾搓钢丝不会剥落或开裂。镀层附着力测试应满足《金属材料线踩缠绕试验方法》（GB/T 2976）。

3）钢丝网格。网面抗拉强度和网面翻边强度均＞50 kN/m；网面钢丝完整不允许有断丝，网片外露面色泽基本一致；网片面不得有破损、锈蚀、镀层不得有裂痕、涂（镀）层不得破损。

网面加工过程中，裁剪后末端与边端钢丝的连接处是整个结构的薄弱环节，为加强网面与边端钢丝的连接强度与性能，需采用专业的翻边机将网面钢丝缠绕在边端钢丝上≥2.5圈，尽量不采用手工绞，翻边强度需大于35kN/m。

绑扎钢丝与网面钢丝采用同一种材质钢丝，为保证连接强度，严格按照间隔10～15cm单圈－双圈连续交替绞合。

钢丝网格应由机器预先整体编织成六边形双绞合网格，其联接处由相互缠绕3圈的一对绞钢丝组成，如图4所示，为保证整体强度,应采用专业的翻边机械将网面钢丝在边端钢丝上缠绕2.5圈以上。

图4 格宾网示意图

4.3.2 填料要求

填充石料采用坚固、耐久、未风化且粒径级配好的花岗岩块石或卵石。所用填充石料应满足质地坚硬、新鲜、完整，无风化剥落层或裂纹，石材表面无污垢、水锈等杂质，其用于填充表面的石材，应色泽均匀。石料料外形规格要求如下：毛石砌体，毛石应呈块状，中部厚度≥20 cm。规格小于要求的毛石，用于塞缝，其砌体重量应小于该处重量的10%。料石砌体：按其加工面的平整度分为细料石、半细料石、粗料石和毛料石四种。料石各面加工要求应满足《砌体结构工程施工质量验收规范》（GB 50203－2011）的有关规定。石料容重＞25 kN/m3，湿抗压强度＞100MPa[1]。

5 河道防护后冲刷计算

河道防护后冲刷计算采用300年一遇洪峰流量10 160 m3/s，相应洪水位为121.23m。

5.1 上游护底首端河床冲刷计算[2]

上游护底首端河床冲刷计算采用根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）公式B.3.2计算，计算公式如下：

式中 d'm——上游护底首端河床冲刷深度（m）；q'm——上游护底首端单宽流量[m3/（s·m）]，计算时设计流量取河槽分摊的流量；[v0]——河床土质允许不冲流速（m/s）；沙河河槽表层土质主要为第③层砾砂和第（13）-1层卵石层；h'm——上游护底首端河床水深（m），取6.73m。

经计算，上游护底首端河床冲刷深度为1.43 m。本次设计上游端设2.0m深齿墙，可满足设计需要。

5.2 下游河床冲刷计算[2]

根据现场边界条件，沙河渡槽槽身下游河床冲刷坑深度按以下公式计算：

式中 dm——下游河床冲刷深度（m）；qm——单宽流量[m3/（s·m）]，计算时设计流量取河槽分摊的流量；[v0]——河床土质允许不冲流速（m/s）。沙河河槽表层土质主要为第③层砾砂和第（13）-1层卵石层；hm——下游河床水深（m）。

经计算，冲刷深度为dm=4.1 m，因此，本次设防冲槽，防冲槽深度为3.0 m，确保抛石数量能安全覆盖冲刷坑的上游坡面。

5.3 冲刷后墩前行近流速[3]

槽墩处冲刷流速采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC 30-2015）中公式（7.4.4-1）进行计算，计算公式如下：

式中 Bz——造床流量下的河槽宽度（m）；Bc——河槽宽度（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——桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s）；Qc——天然状态下河槽部分设计流量（m3/s）；μ——桥墩水流侧向压缩系数；Bcg——桥长范围内的河槽宽度（m），当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；λ——设计水位下，在Bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；Vc——河槽平均流速（m/s）；Ad——单宽流量集中系数；V——河槽平均流速（m/s）。

经计算，主槽处槽墩墩前行近流速为4.7 m/s。本次防护设计采用格宾石笼防护，格宾石笼抗冲刷性能好，抗冲流速为6～8m/s，大于槽墩处行近流速4.7 m/s，因此可满足抗冲防护要求。

6 结语

由于沙河梁式渡槽工程的特殊性，必须在汛期前保证槽墩基础防护完成，否则汛期极有可能因沙河洪水导致渡槽基础失稳影响整个南水北调中线干线工程的正常输水运行。本次沙河梁式渡槽槽墩应急防护工程槽墩防护设计具有科学合理、经济实用，施工便捷，效率高等优点，尤其施工中所采用的防护材料格宾石笼因其特有的柔性结构设计及高伸张率的低碳钢丝，具有很强的柔韧性及变形能力、自然透水、抗冲消能效果好、耐久性较好等优点。该应急防护工程的实施从工程角度消除了沙河梁式渡槽槽墩及渡槽下游冲刷、淘刷严重的安全隐患，确保了工程实体的结构稳定，有效保障了南水北调工程调度安全、供水安全、运行安全。