碾盘山水利水电枢纽工程导流明渠混凝土铰链排防护效果分析

2023-08-22郝中州邵云强

水利水电快报 2023年8期

刘磊,郝中州,邵云强,罗岚,曾俊

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司,湖北武汉 430070; 2.河南黄河河务局,河南郑州 450002; 3.湖北省碾盘山水利水电枢纽工程建设管理局,湖北钟祥 431900)

0 引言

混凝土铰链排是由预制混凝土块以及钢绞线或U型环串联而成的一种新型岸坡防护结构,具有抗冲刷能力强、整体性好、耐久性强等优点,且具有柔性防护的特点,能够适应岸坡冲刷变形和河床变形,对渠道边坡的防护效果好,尤其适用于解决河道护岸长期冲刷而出现的坍塌崩岸等问题[1]。铰链排技术施工方便,经济和社会效益显著,自20世纪80年代起,在国内大中型河流护岸[2-3]、滩地、海岸[4]、丁坝[5]等工程中得到广泛应用和推广,并取得了良好的防洪护岸效果。

目前,铰链排防护技术在河道护岸领域得到了充分的应用,并发展出不同的防护形式,如改进铰链排[6]、铰链式模袋混凝土等[7],均取得不错的防护效果。然而,当前该技术在大中型河流施工导流明渠中的应用还较少,铰链排技术在大流量、高流速、流态复杂的施工临时导流明渠防护中的具体应用效果还有待进一步检验。为此,本文依托汉江流域碾盘山水利水电枢纽工程,在导流明渠防护工程中应用了预制混凝土块铰链排技术,结合导流明渠运行期在洪水作用下的冲淤实测数据,对比分析铰链排防护效果,可为同类工程提供指导。

1 工程概况

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程位于汉江中游河段钟祥市,上距雅口航运枢纽58.0 km,下距兴隆水利枢纽63.5 km。该工程采用围堰一次拦断河床、左岸开挖导流明渠过流的方式进行施工导流,于2018年8月开工建设,2019年3月实现大江截流和导流明渠正式通水。导流明渠全长2.3 km,河床底宽250 m,两岸开挖边坡坡比为1∶3,河床进口高程39.0 m,出口为38.0 m。导流明渠整体布置如图1所示。

导流明渠所在原河滩地质情况:地面至30 m高程为有机质砂壤土及粉细砂层,中间粒径d50为0.078 mm,不冲流速小于1 m/s;30～20 m高程为砂砾石层,粒径大于5 mm的砾石含量为43.4%～97.8%,不冲流速约为2 m/s;20 m高程以下为砂岩。导流明渠基础及边坡多为粉细砂层,抗冲刷能力差,明渠河床冲淤变化大。

导流明渠导流标准为全年10 a一遇,对应导流设计流量为13 500 m3/s。根据导流模型试验,洪水流量为3 000,9 000,13 500 m3/s时,预测的导流明渠最大流速分别为2.85,3.89,4.76 m/s,洪水流速远超明渠河床的不冲流速,明渠将下切形成冲坑。导流明渠左岸为凹岸,右岸为凸岸,左侧冲刷更为严重。根据模型试验,明渠进口段水流流态复杂,局部地区流态紊乱,容易出现旋涡回流,而明渠左岸与汉江左岸副坝(永久建筑物)衔接,一旦明渠边坡受损,出现大面积垮塌,则会影响汉江副坝的安全,后果影响极大。因此,对进口段左侧边坡的防护是导流明渠防护工程的重点。

为保证导流明渠边坡在遭遇设计标准洪水时不出现垮塌,对渠底边坡的防护则尤为重要。本工程对渠底边坡采用柔性混凝土铰链排防护措施,以抵挡高流速洪水冲击和适应地形冲刷变化,从而保证明渠河床在出现大范围冲坑时不影响边坡稳定。导流明渠左岸0-900～0+150段边坡坡脚采用铰链排防护,具体护砌方式为:边坡及马道采用钢筋石笼护砌,渠底河床自坡脚处起向河床中间一段范围内采用混凝土铰链排护底,护底端部设置防冲槽,铰链排下设土工布。

2 铰链排防护设计

2.1 河床冲刷深度

导流明渠通水后,河床在高速水流作用下会下切形成冲坑,而进行河床及坡脚的护砌方式设计,首先需要明确河床的冲刷深度。目前,国内外研究提出的计算护岸工程冲刷深度的公式繁多,各有侧重,各公式计算的差值也较大,其中以GB 50286-2013《堤防工程设计规范》中护岸冲刷公式最为常用,如式(1)所示。规范中有关泥沙起动流速采用张瑞瑾公式进行计算。

(1)

式中:hs为冲刷深度,m;h0为行进水流的水深,m,取10.96 m;uc为泥沙起动流速,m/s,计算得到uc=0.58 m/s;ucp为近岸垂线平均流速,m/s,计算得到ucp=6.18 m/s;n与防护岸坡在平面上的形状有关,n=1/4～1/6,此处取值0.25。计算可得hs=8.81 m。

除了张瑞瑾公式之外,计算泥沙起动流速的常见公式还有:岗恰洛夫1962年提出的泥沙起动流速公式(简称“岗恰洛夫公式”);河海大学唐存本1963年提出的可概括散粒体和黏性细颗粒泥沙的统一起动流速公式;西北农林科技大学的沙玉清1965年提出的粗细颗粒起动流速计算公式等[8]。通过建立导流明渠水工模型,进行了模型洪水过程的动床试验并以此确定冲刷深度。将所得结果与经验公式进行对比,以综合确定数据的合理性。公式计算结果与动床试验结果比较如表1所示。

表1 冲刷深度计算结果统计

表1中4个公式不仅考虑了流速、泥沙中值粒径d50和水深3个因素,还涉及泥沙的相对浮容重、防护岸坡形状、水流流向与岸坡夹角等因素,较适合本工程的实际情况。公式计算结果与试验结果比较接近,计算冲刷深度范围为7.95～9.28 m,均接近而未超过动床试验结果(9.32 m)。为确保工程安全,在本工程中,河床冲刷深度由公式的计算结果和动床试验结果取较大值,即左岸0-915.00～0+150.00段河床最大冲刷深度取9.32 m。

2.2 铰链排宽度与厚度

当冲坑冲刷至铰链排附近时,柔性铰链排能适应冲坑地形变化,覆盖冲坑边坡,避免垮塌进一步扩大,从而保护左岸副坝的安全。铰链排铺设宽度根据规范公式和确定的冲刷深度进行计算。铰链排厚度应保证导流明渠遭遇超标准洪水时,在最大流速下依然保持排体稳定,不出现整体掀起的情况。铰链排宽度和厚度采用JTJ 239-2005《水运工程土工合成材料应用技术规范》中的公式进行计算,如式(2)～(3)所示:

(2)

(3)

式中:L为软体排横向铺设长度,m;kp为褶皱系数,一般为1.1～1.3,取1.3;Δhp为明渠冲刷深度,取9.32 m;m为边坡系数,取m=1;Va为临界流速,m/s;θ为扩大系数,取θ=2;γr为护坡的相对浮容重,取1.65;δm为混凝土铰链排厚度,取0.4 m;

经计算,L≥17.13 m,取铰链排铺设宽度为L=20 m;临界流速Va取4.74 m/s,反求铰链排最小厚度为0.347 m,取设计铰链排厚度为0.4 m。

2.3 铰链排结构

根据以上计算结果,铰链排预制混凝土块设计尺寸为95 cm×45 cm×40 cm。铰链排施工采取“单块预制、单块运输”方案,预制块浇筑前预埋PVC管作为预留孔。混凝土块强度达到50%设计强度后拆模,达到75%设计强度后运输和吊装。将混凝土块吊运至指定地点后,通过钢绞线将单块混凝土块串联成整体,如图2所示。

图2 混凝土铰链排平面图(尺寸单位：cm)

为保证混凝土铰链排末端稳定,在铰链排末端设置有一道截面积为15 m2的抛石防冲槽。在施工时将混凝土铰链排的末端置于抛石防冲槽下部。铰链排下部铺设土工布,起到反滤作用,减少下部泥沙流失。明渠左岸副坝段典型防护断面设计如图3所示,铰链排铺设宽度20 m,以适应冲坑地形变化。

图3 明渠左岸副坝段防护典型断面(尺寸单位：cm)

3 铰链排防护效果分析

导流明渠从2019年通水至2022年,经历了3个汛期,经受了多次洪峰的考验。本文统计了导流明渠通水及3个汛期最大洪峰流量水文数据,具体如表2所示。在每次汛期过后,建设单位均对导流明渠水下地形进行测量,并修复局部水毁段,以确保导流明渠安全运行。本文结合3 a以来的导流明渠运行情况,统计铰链排防护区实测地形数据,并对比钢筋石笼防护区、抛石防护区水毁情况,分析铰链排防护效果。

表2 导流明渠水文数据统计

3.1 冲淤变化

桩号0+000段断面位于明渠中间偏上区段,明渠宽度最窄,水流流速大,旋涡区多,水流流态差,且实测数据显示该区域冲刷严重,最具代表性。因此,本文选取坝轴线桩号0+000处为典型断面,统计近3 a运行期导流明渠的冲淤情况,实测铰链排防护区水下地形断面如图4所示,统计冲坑深度变化如图5所示。

结合明渠通水流量及近3 a的洪峰数据,可以看出明渠冲坑深度与洪水流量密切相关,并随着洪峰流量的增大而逐渐加深,直至深入砂砾石层。

图4 0+000断面实测冲淤断面(尺寸单位：cm)

图5 0+000断面冲坑深度变化

2019年3月,导流明渠通水时流量较小,仅为670 m3/s,通水流量主要集中在明渠中线附近,冲刷粉细砂层并迅速下切形成主河道,过流能力增加,流速下降,在降至粉细砂抗冲流速以下后,河床逐渐稳定,此时河床冲坑深度为4.5 m,并未影响两岸防护。

2019年9月,导流明渠遭遇洪水,最大洪峰流量为7 400 m3/s,明渠水位为45.5 m,洪峰达到设计标准的55%。在洪水冲刷作用下,冲坑深度增加,范围向两岸扩大。根据汛后实测地形,明渠冲坑深度达到6.6 m,冲坑范围达到左岸铰链排防护末端。

2020年汉江流域整体洪水较小,最大洪峰流量为4 800 m3/s,0+000断面处明渠并未出现淤积,而是继续冲刷,冲坑略有加深,达到7.6 m。

2021年9月,汉江流域遭遇持续强降雨,导流明渠保持一个月的高水位运行,最大洪峰为11 800 m3/s,明渠水位47.78 m,洪峰达到设计标准的87%。在持续高强度洪水作用下,0+000断面冲刷严重,河床进一步下切,冲坑深度达到11.6 m,已深入砂砾石层,冲坑范围扩大至铰链排下部。在铰链排防护下冲坑范围并未继续扩大,左岸副坝边坡得到了有效保护。

3.2 护岸效果

根据实测数据可以看出,导流明渠在遭遇持续高强度洪水时,铰链排防护发挥了重要的防护作用。在冲坑扩大至到达铰链排防护区时,铰链排充分发挥柔性防护的特点,能够适应地形变化,紧贴冲刷后的边坡,避免了冲坑进一步扩大,有效保障了左岸边坡的安全。与计算结果相比,实测冲坑深度大于计算结果,这与明渠水下地层条件有关,粉细砂和沙壤土抗冲刷能力小于砂砾石层。铰链排防护能力大于预期,冲坑并未向铰链排下部发展,而紧靠铰链排形成一个陡坡,这与铰链排下部铺设反滤土工布、上部压盖块石有关。土工布在铰链排压重下始终紧贴地面,可避免下部泥沙流失,防止淘蚀,而块石可以在冲坑形成时顺势下滑,起到固脚的作用。

3.3 整体稳定性

铰链排通过钢绞线串联成一个整体防护区,在大流量高流速洪水作用下,能够保持整体稳定,不会出现局部失稳破坏,充分起到柔性防护的作用。对比钢筋石笼防护区与抛石防护区,更能体现铰链排防护的安全性:明渠右岸0-070附近采用钢筋石笼防护,汛期洪水过后冲坑已深入石笼下部,危及围堰边坡安全,在汛后采用抛石进行修复;明渠右岸0-400裹头附近采用大范围抛石进行防护,汛期洪水过后,出现抛石垮方,也需进行修复;而铰链排防护区,经历多次汛期,未发生险情,整体稳定性较高。