淺析西部山區河流河岸防護設計技術

杜震宇，陳 軍，謝金元，劉 躍，王小波

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

山區河流具有地形陡峻、河道狹窄、流態復雜、急彎卡口眾多、岸線極不規則、洪水陡漲陡落、水流沖擊力大且挾沙量大等特點，河岸穩定問題突出。山區河流由于水流掏刷、洪水破壞、泥石流損毀及因不良地質作用造成的臨河建筑破壞屢見不鮮，為提高山區河流臨河建筑的安全性，合理選擇河岸防護措施顯得尤為重要。

1 山區河流河岸防護原則及措施

河道水流對河岸沖刷一般有兩種作用：一種是水流直接作用于岸坡坡面；另一種是彎道、繞流產生的螺旋流、漩渦等水流沖刷坡腳，使上部岸坡坍塌和掏空。山區河流河岸防護應以“因勢利導、因地制宜”為原則，根據水流對岸坡的沖刷機理，通常可采用以下措施：

(1)水力措施：如岸坡平順開挖、裁彎取直等可取得穩定河槽，改善水流條件的效果；設置導流堤、丁壩、潛壩、丁壩群等可改善河流走勢，減輕河岸貼邊沖刷。

(2)防護措施：即用防沖結構保護岸坡免受水流的沖刷；常規的沿河防護方式有拋石護腳、防沖擋墻、護坦、漿砌石護坡、混凝土護坡等。針對山區河流的特點，還需充分考慮護岸底部的防掏問題。在實際工程中，通常采用上述綜合防護措施。

2 山區河流防護設計技術

2.1 水力設計

為研究山區河流水流特性，需對山區河流進行水力設計，水力設計包含河道行洪能力、泥沙沖淤、河床演變、河岸臨邊流場及相關水力防護措施對河道的影響分析等。水力設計的方法主要有理論分析、物理模型試驗、原型觀測、數值模擬和工程經驗參考等。

理論分析在建立液體運動的一般規律方面，已達到較成熟的程度，但由于實際水流運動的多樣性，對于某些復雜的運動，完全用理論分析還存在一定的困難；物理模型試驗受比尺效應影響顯著，試驗過程往往費時費力，經濟性較差；采用原型觀測往往只能等工程完建后才能進行，不能提前指導河岸防護設計。而數值模擬分析具有不受比尺效應影響、水力學要素完整可視及經濟快速等優點，此外，利用一體化水力學數值分析計算技術，即采用BIM建模-集成-剖分-初始化/邊界條件-求解-數據整理的設計流程，更加簡化了水力設計的時間和流程，通過水力學數值仿真計算可以得到河道流量、流場、水面線、沖淤和渦量場等水力學要素，能夠有效指導河岸防護設計，相關工程水力學數值計算成果見圖1。

圖1 河道水力學分析計算案例

2.2 河岸防護技術

在中國西部山區，先后設計建設了二灘、溪洛渡、錦屏一級、大崗山、瀑布溝、雙江口、兩河口等多座世界級巨型水電工程，在河岸防護方面積累了豐富的經驗，形成了具有適應不同水流、地形地質及施工條件的齊全的防護成套技術，如適用于巖基的混凝土護岸+錨筋樁的防護技術；適用于軟基及復雜地層條件下兼具坡腳防掏、岸坡防沖抗滑及臨河建筑物基礎加固的旋挖樁群技術；以及水下混凝土防護技術等。

2.2.1 混凝土護岸+錨筋樁防護技術

對節理裂隙發育的巖質岸坡，紊動水流易沿著節理及裂隙等軟弱面沖刷切割岸坡進而引起坍塌和滑坡。對此類岸坡，可采用貼坡混凝土保護岸坡，并利用錨筋樁將坡腳巖塊串成整體，另視情況對坡腳進行固灌加固，增強坡腳整體抗沖性能。

例如，兩河口水電站為雅礱江中下游的“龍頭”水庫，樞紐由攔河大壩、泄水、引水發電等主要永久建筑物組成。其中，泄洪建筑物均布置在大壩左岸，由洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞組成。工程校核洪水標準(PMF)洪峰流量為10 400 m3/s，樞紐總泄量約8 200 m3/s，最大泄洪水頭約250 m，總泄洪功率約21 000 MW。泄洪消能系統具有“高土石壩、泄洪水頭高、泄量大、運行工況復雜、泄洪出口集中于左岸、出流歸槽條件差、河谷狹窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。

兩河口下游天然河道溝梁相間，泄洪消能區河道長約1.4 km，枯水期天然河面寬度僅50～60 m；鉆孔揭示河床覆蓋層厚0～2 m，為含漂卵碎礫石夾砂。基巖為T3lh2(5)層粉砂質板巖與絹云母板巖互層，河床為弱下風化、弱卸荷巖體，深度6～42.1 m。兩岸臨河岸坡巖體弱風化、弱卸荷，其中弱風化變質砂巖、板巖抗沖流速3～4 m/s，微新變質砂巖、板巖抗沖流速5～6 m/s。技施階段，工程采用了水力學模型試驗，對下游河道臨邊流速及河床沖刷情況進行了測量和分析。結果顯示，泄洪出口流速范圍為3～9 m/s(其中靠下游河道流速范圍為3～5 m/s)，沖坑最深為17 m(相對于下游河道底高程2 595.00 m)，涌浪水位高程為2 607～ 2 618 m。

考慮到泄洪紊動水流的影響，經多方案比選，對岸邊流速小于5 m/s的下游河岸最終采用了“混凝土護岸+錨筋樁防護”的方案，即對下游河道岸坡采用貼坡混凝土襯護，對坡腳采用錨筋樁加固(參數為3C32，L=12 m，外露1 m，間排距為1.5 m)，主要利用錨筋樁將坡腳的破碎巖塊串成整體，另對局部破碎坡腳進行控制固灌加固，以提高巖質岸坡的整體穩定性(見圖2)。兩河口泄水出口河岸防護工程建成后，經受了建設期幾次超大洪水和幾年汛期運行考驗，目前該部分河岸防護工程運行情況良好。

圖2 兩河口水電站下游河岸混凝土+錨筋樁防護剖面

2.2.2 混凝土護岸+旋挖樁群防護技術

軟基及復雜地層條件下的岸坡防護基礎往往難以深入基巖，軟基基礎受水流掏刷較易引起岸坡整體滑動破壞。為提高此類岸坡防護的可靠性，在水流掏刷強烈部位及建筑物基礎等重點部位，采用混凝土護岸+旋挖樁群防護技術，即利用旋挖樁群形成連續防掏結構，并采用連系梁將護岸混凝土與旋挖樁有機結合起來，形成完整的防沖結構，另外，鋼筋混凝土旋挖樁還可以發揮抗滑作用。

桐子林水電站為雅礱江下游最末一個梯級電站，為河床式電站。樞紐建筑物從左到右由左岸擋水壩、河床式廠房壩段、4孔泄洪閘壩段、導墻壩段、導流明渠結合3孔泄洪閘壩段和右岸擋水壩等建筑物組成。其中，導流明渠布置在右岸灘地上，結合水工右岸三孔泄洪閘的布置，導流明渠渠身段底寬63.8 m，明渠中心線混凝土底板長609.773 m，明渠進口底板高程982.00 m，明渠出口高程在樁號0+180 m處由982.00 m以1：10反坡至986.00 m高程。明渠樁號0+000 m～0+060 m段為永久閘室段，樁號0+060 m～0+340.498 m段為閘室下游護坦區，樁號0+340.498 m下游段為明渠出口及右岸邊坡防護區。進入主汛期后(導流明渠導流期內)，于2012年7月2日，導流明渠出口下游右岸漿砌石護坡水毀垮塌，從而導致上部桐雅公路發生變形。變形發生后，采用了石渣、塊石、混凝土六面體等特殊材料對變形垮塌部位進行壓坡護坡，但至7月5日，該段公路依舊垮塌。該段沖刷垮塌區位于電站下游約596 m，天然邊坡坡度約35°～39°，桐雅公路路面高程約1 018 m，路基半挖半填，公路內側多為基巖，外側為填方，沖溝處公路路基基本全為填方，公路內側開挖邊坡坡角約50°～55°。天然邊坡覆蓋層為坡殘積碎石土，公路路基及外側邊坡部分覆蓋層為人工堆積碎石土。河床覆蓋層厚約15～25 m，沿深槽分布。

經多方案比選，對公路以下河岸采用混凝土護岸+旋挖樁群防護方案。為避免導流明渠泄洪水流掏刷邊坡，在高程1 006.00 m以下設置1.0 m厚的混凝土板護坡。樁號0+000 m～0+063 m段和樁號0+130.802 m～0+179.405 m段受泄洪水流頂沖影響，易被掏刷，采用雙排鋼筋混凝土旋挖樁加固坡腳，樁徑1.0 m，樁間距1.8 m，排距0.44 m。另外，在樁頂設置混凝土連系梁，在連系梁上設置錨索，將連系梁錨固在邊坡山體上，進一步提高樁群的抗沖刷穩定(見圖3)。桐子林水電站導流明渠出口河岸防護工程自建成后，至今已安全運行多年，桐雅公路路基穩定，運行情況良好。

(a) 下游護岸剖面

(b) 旋挖樁群平面布置

2.2.3 水下混凝土防護技術

山區河流已建電站的下泄水流長期作用掏刷河道岸坡，引起邊坡垮塌和護岸結構破壞。該部分岸坡修復常需在動水及深水條件下實施，為修復動水及深水區河岸防護結構，常需要采用水下混凝土技術(水下混凝土防護技術主要包含水下鋼模板架設、水下植筋、水下膜袋混凝土圍堰、水下混凝土澆筑等技術)。其主要思路是利用外側鋼框架結構及鋼板作為模板，在破壞部位外側形成相對靜水區，通過預埋管道將混凝土灌注至掏空區域，外側的鋼框架結構和鋼板兼起水下混凝土模板和永久防掏結構的作用。

瀑布溝水電站樞紐布置為礫石土心墻堆石壩，左岸布置引水發電建筑物及一條岸邊開敞式溢洪道、一條深孔無壓泄洪洞，右岸布置一條放空洞及一條尼日河引水隧洞。泄洪建筑物按重現期500年洪水設計，相應設計洪水流量9 460 m3/s；最大可能洪水(PMF)校核，相應洪水流量15 250 m3/s；下游河道及霧化邊坡防護按100年一遇洪水設計，相應入庫洪水流量為8 230 m3/s。2016年9月，泄洪洞對岸公路出現了路面塌陷和貼坡混凝土裂縫等破壞情況。右岸邊坡高程700 m以上分布有崩坡積塊碎石土層，由斜坡上部流紋斑巖崩塌堆積而成，結構松散；內側坡下部為震旦系下統蘇雄組弱風化、弱卸荷流紋斑巖，呈鑲嵌～碎裂結構，巖體質量為Ⅳ級。

瀑布溝水電站泄洪洞出口對岸臨河道路基礎采用水下混凝土修復方案，即利用外側鋼框架結構及鋼板作為模板(兼做圍堰)，在破壞部位外側形成相對靜水區，通過預埋管道將混凝土灌注至掏空區域進行水下混凝土澆筑。鋼框架圍堰施工過程具體如下：①潛水員對影響模板安裝的水下混凝土進行鑿除；②采用吊車吊裝豎向定制H鋼(板厚10 mm、端寬168 mm、工高100 mm)，H鋼底部兩側各焊接一根長約0.5 m的A48鋼套管，通過潛水員引導將鋼套管套入已提前打入的砂漿錨桿內就位，然后將H鋼上部與縱向工字鋼焊接牢固；③H鋼底部高度2 m范圍內焊接C16螺紋鋼，起固接水下混凝土和H鋼的作用；④鋼模板采用920 mm×920 mm×3.5 mm的定制鋼模板，直接插入安裝好的H鋼內，底部采用膜袋混凝土找平，并在起伏較大的位置增加膜袋混凝土臨時護腳(見圖4)。

圖4 瀑布溝水電站泄洪洞出口對岸的水下混凝土防護剖面

3 結 語

本文基于西部山區河流特點，結合多年的工程經驗，總結了針對不同地質條件下的臨河防護技術，其中混凝土護岸+錨筋樁防護技術適用于節理裂隙發育的巖質岸坡，尤其是受紊動水流易沿著節理及裂隙等軟弱面沖刷影響的河岸。混凝土護岸+旋挖樁群技術適用于軟基及復雜地層條件，建議在水流掏刷強烈及建筑物基礎等重點部位采用。水下混凝土防護技術適用于動水、深水區修復和防護。綜上所述，山區河流河岸防護應以“因勢利導、因地制宜”為原則，根據工程實際情況采用相應的技術。