利用模袋混凝土充填砂袋和土工織物優(yōu)化高流速土石圍堰的抗沖設計研究

中國葛洲壩集團基礎工程有限公司 湖北 宜昌 443002

正文：

引言

堤壩、圍堰、岸坡面對高速水流的沖刷，一般以塊石、石籠（竹籠）為主的方式去抵抗，但受制于環(huán)境的影響，許多地方缺少塊石，同時塊石、石籠（竹籠）笨重，機械化程度低，施工又有較大的危險性。本文以在漢江雅口樞紐一期圍堰的防護優(yōu)化設計中，研究了模袋混凝土、充填砂袋、土工布、丙綸布軟體排等手段優(yōu)化高流速土石圍堰的抗沖設計，這種綜合防護方式經(jīng)過了超標準洪水的考驗。

1 工程概況

漢江雅口航運樞紐工程一期導流圍堰采用全年土石圍堰，圍堰軸線長4314.75m，導流時段為2016年10月～2018年10月，導流洪水標準為全年10年一遇，Q=13500m3/s。

2 地質條件

壩址區(qū)河谷開闊，呈淺“U”形，河床寬淺，地形上左岸為河漫灘，其后緣接基巖岸坡，岸坡頂部為Ⅱ級階地；右岸為Ⅰ級階地。右岸Ⅰ級階地為粉質粘土、粉質壤土和粉細砂、砂卵礫石；河床上部為粉細砂，下部為砂礫石，局部夾粉細砂透鏡體。

3 圍堰高流速部位的抗沖設計

圍堰各處的水流流態(tài)流速不一，高流速的關鍵抗位沖部設計如下：

（1）上游河床段抗沖設計

高程50.5m以上護坡為30cm厚雷諾護坡（或1m厚鋼筋籠護坡），底部鋪設200g/m2的土工布反濾，土工布縫紉連接。▽50.5m以上1m厚塊石護坡，坡腳3m厚塊石護底10m寬以上。

圖1 上游河床段圍堰典型斷面圖

（2）縱向圍堰抗沖設計

高程54.74～53.4m以上護坡為1m厚鋼筋籠，底部鋪設200g/m2的土工布反濾，土工布縫紉連接。▽504.74～53.4m以下為5m厚塊石壓腳，寬度18m以上。

圖2 縱向圍堰典型斷面圖

4 圍堰抗沖設計的優(yōu)化

4.1 原設計的缺點

原設計存在以下缺點：（1）沒有區(qū)分重點非重點做針對性設計。（2）當?shù)貕K石少，運距遠，價格高；且運輸困難施工。（3）鋼筋石籠和雷諾護墊施工時機械化程較低，成本高，進度慢。（4）塊石和鋼筋籠易扎破土工布，圍堰體和粉細砂覆蓋層易被高速水流淘空，有潰堤風險。

4.2 抗沖優(yōu)化思路

（1）首先弄清洪水時各處流流速流態(tài)，再根據(jù)各處流態(tài)流速優(yōu)化抗沖設計。（2）抗沖主要是靠形體，思路是增大形體，將小型體變成大型體。（3）采取復合結構，互補優(yōu)勢。（4）盡量利用當?shù)夭牧希档统杀尽?/p>

4.3 進行洪水模擬計算確定各處流速

圍堰為擋全年重現(xiàn)期為10年的洪水，相應流量為13500m3/s，為弄清修筑圍堰后洪水時河道流態(tài)，委托研究單位進行了多種流量、多種工況下水動力數(shù)值模擬計算。

表1 全年十年一遇洪水時河道流態(tài)

計算發(fā)現(xiàn)，上游河床段、上下游裹頭段、縱向圍堰是高流速區(qū)，特別是上游裹頭段流速高，流態(tài)差，是最重點的防范位置。

4.4 優(yōu)化后的抗沖設計

根據(jù)計算結果進行了優(yōu)化設計，重點防范位置的優(yōu)化設計如下：

（1）上游河床段

高程50.50m以上外坡采用20cm厚模袋混凝土+土工布防護。高程50.50m以下坡外設防沖體，護坡為1m厚拋石護坡，護腳防沖體為10m寬丙綸布軟體排+1.5m厚沖填砂袋+1.5m厚塊石。

圖3 上游河床段圍堰優(yōu)化典型斷面

（2）圍堰上游裹頭段

高程50.50m以上外坡采用20cm厚模袋混凝土+土工布防護。高程50.50m以下坡外設防沖體，護坡為10m厚拋石護坡，護腳防沖體型式為10m寬丙綸布軟體排+塊石，寬度為10m。

圖4 上游裹頭段圍堰優(yōu)化典型斷面

（3）縱向圍堰段和下游裹頭段

高程50.50m以上外坡采用20cm厚模袋混凝土+土工布防護。高程50.50m以下坡外設防沖體，護坡為4.5m厚拋石護坡，護腳防沖體型式為10m寬丙綸布軟體排+4.5m塊石。

圖5 縱向圍堰段和下游裹頭段圍堰優(yōu)化典型斷面

4.5 模袋混凝土設計

4.5.1 模袋形式

模袋布為550 g/m2長絲紡粘針刺非織造土工布縫制，等效孔徑（O90）為0.084～0.25 mm，灌漿時允許少量水泥泌出，但不允許砂粒流出。單個模袋根據(jù)坡面長度，長15～20m，寬5m。

4.5.2 混凝土厚度確定

（1）厚度確定：應當滿足局部架空所引起的彎曲應力，風浪產(chǎn)生的浮力及冰推力產(chǎn)生的滑動要求，不考慮冰推力。

1）抵抗彎曲應力所需的厚度

2）抵抗浮力所需的厚度

（1）護坡的頂部應牢固封頂，伸入圍堰頂部2m，并用鋼筋釘入圍堰頂部，平鋪于圍堰邊坡，以防止水流沖蝕坡土，并增加護坡的穩(wěn)定。底部深入馬道2.0m，用塊石壓腳。

（2）模袋接縫處縫紉連接，模袋和分幅搭接處反濾土工布。

（3）膜袋混凝土底部鋪設200 g/m2的土工布反濾，土工布縫紉連接。

4.6 丙綸布軟體排設計

寬度10m，丙綸布上每50cm加5cm寬加強筋。順流方向上排壓下排，起始排壓砂袋。丙綸布指標：孔徑＜0.18mm；抗拉強度662N/5*20cm；透水性2.6kg/㎡S以上；厚度＞112g/㎡。

4.7 土工布設計指標

單位面積質量≥200 g/m2；斷裂強度≥6.5kN/m；斷裂伸長率≥25%；CNR 頂破強度≥900 N；垂直滲透系數(shù)1.0～9.9×10-3cm/s；等效孔徑（O90）0.07～0.2 mm。

4.8 沖填砂袋設計

沖填砂袋采用150g/㎡聚丙烯紡織布，50cm一層，吹填工藝施工。

5 實施效果

設計優(yōu)化后，效果極為明顯：（1）加快了進度：不足50天的情況下完成施工。（2）抵抗了超標準洪水：2017年10月7日，圍堰經(jīng)歷一場超標準洪水，最大流量15400m3/s，圍堰安然無恙。（3）降低了成本：減少了鋼筋和塊石用量，節(jié)約了人工，總成本大大降低。

6 結語

通過模袋混凝土、土工布、沖填砂袋、丙綸布軟體排等的綜合運用，結合計算機進行水力模型計算，可以降低土石圍堰防護成本，增強防護效果。這種方式改變了抗高速水流沖刷以塊石、石籠（竹籠）為主的方式，是一種巨大的進步。在漢江雅口樞紐中，這種綜合防護方式經(jīng)過了超標準洪水的考驗，證明這種方式是成功的，可以在圍堰、堤壩、抗洪等多種模式下運用，具有極強的推廣前景。