利用模袋混凝土充填砂袋和土工织物优化高流速土石围堰的抗冲设计研究

中国葛洲坝集团基础工程有限公司 湖北 宜昌 443002

正文：

引言

堤坝、围堰、岸坡面对高速水流的冲刷，一般以块石、石笼（竹笼）为主的方式去抵抗，但受制于环境的影响，许多地方缺少块石，同时块石、石笼（竹笼）笨重，机械化程度低，施工又有较大的危险性。本文以在汉江雅口枢纽一期围堰的防护优化设计中，研究了模袋混凝土、充填砂袋、土工布、丙纶布软体排等手段优化高流速土石围堰的抗冲设计，这种综合防护方式经过了超标准洪水的考验。

1 工程概况

汉江雅口航运枢纽工程一期导流围堰采用全年土石围堰，围堰轴线长4314.75m，导流时段为2016年10月～2018年10月，导流洪水标准为全年10年一遇，Q=13500m3/s。

2 地质条件

坝址区河谷开阔，呈浅“U”形，河床宽浅，地形上左岸为河漫滩，其后缘接基岩岸坡，岸坡顶部为Ⅱ级阶地；右岸为Ⅰ级阶地。右岸Ⅰ级阶地为粉质粘土、粉质壤土和粉细砂、砂卵砾石；河床上部为粉细砂，下部为砂砾石，局部夹粉细砂透镜体。

3 围堰高流速部位的抗冲设计

围堰各处的水流流态流速不一，高流速的关键抗位冲部设计如下：

（1）上游河床段抗冲设计

高程50.5m以上护坡为30cm厚雷诺护坡（或1m厚钢筋笼护坡），底部铺设200g/m2的土工布反滤，土工布缝纫连接。▽50.5m以上1m厚块石护坡，坡脚3m厚块石护底10m宽以上。

图1 上游河床段围堰典型断面图

（2）纵向围堰抗冲设计

高程54.74～53.4m以上护坡为1m厚钢筋笼，底部铺设200g/m2的土工布反滤，土工布缝纫连接。▽504.74～53.4m以下为5m厚块石压脚，宽度18m以上。

图2 纵向围堰典型断面图

4 围堰抗冲设计的优化

4.1 原设计的缺点

原设计存在以下缺点：（1）没有区分重点非重点做针对性设计。（2）当地块石少，运距远，价格高；且运输困难施工。（3）钢筋石笼和雷诺护垫施工时机械化程较低，成本高，进度慢。（4）块石和钢筋笼易扎破土工布，围堰体和粉细砂覆盖层易被高速水流淘空，有溃堤风险。

4.2 抗冲优化思路

（1）首先弄清洪水时各处流流速流态，再根据各处流态流速优化抗冲设计。（2）抗冲主要是靠形体，思路是增大形体，将小型体变成大型体。（3）采取复合结构，互补优势。（4）尽量利用当地材料，降低成本。

4.3 进行洪水模拟计算确定各处流速

围堰为挡全年重现期为10年的洪水，相应流量为13500m3/s，为弄清修筑围堰后洪水时河道流态，委托研究单位进行了多种流量、多种工况下水动力数值模拟计算。

表1 全年十年一遇洪水时河道流态

计算发现，上游河床段、上下游裹头段、纵向围堰是高流速区，特别是上游裹头段流速高，流态差，是最重点的防范位置。

4.4 优化后的抗冲设计

根据计算结果进行了优化设计，重点防范位置的优化设计如下：

（1）上游河床段

高程50.50m以上外坡采用20cm厚模袋混凝土+土工布防护。高程50.50m以下坡外设防冲体，护坡为1m厚抛石护坡，护脚防冲体为10m宽丙纶布软体排+1.5m厚冲填砂袋+1.5m厚块石。

图3 上游河床段围堰优化典型断面

（2）围堰上游裹头段

高程50.50m以上外坡采用20cm厚模袋混凝土+土工布防护。高程50.50m以下坡外设防冲体，护坡为10m厚抛石护坡，护脚防冲体型式为10m宽丙纶布软体排+块石，宽度为10m。

图4 上游裹头段围堰优化典型断面

（3）纵向围堰段和下游裹头段

高程50.50m以上外坡采用20cm厚模袋混凝土+土工布防护。高程50.50m以下坡外设防冲体，护坡为4.5m厚抛石护坡，护脚防冲体型式为10m宽丙纶布软体排+4.5m块石。

图5 纵向围堰段和下游裹头段围堰优化典型断面

4.5 模袋混凝土设计

4.5.1 模袋形式

模袋布为550 g/m2长丝纺粘针刺非织造土工布缝制，等效孔径（O90）为0.084～0.25 mm，灌浆时允许少量水泥泌出，但不允许砂粒流出。单个模袋根据坡面长度，长15～20m，宽5m。

4.5.2 混凝土厚度确定

（1）厚度确定：应当满足局部架空所引起的弯曲应力，风浪产生的浮力及冰推力产生的滑动要求，不考虑冰推力。

1）抵抗弯曲应力所需的厚度

2）抵抗浮力所需的厚度

（1）护坡的顶部应牢固封顶，伸入围堰顶部2m，并用钢筋钉入围堰顶部，平铺于围堰边坡，以防止水流冲蚀坡土，并增加护坡的稳定。底部深入马道2.0m，用块石压脚。

（2）模袋接缝处缝纫连接，模袋和分幅搭接处反滤土工布。

（3）膜袋混凝土底部铺设200 g/m2的土工布反滤，土工布缝纫连接。

4.6 丙纶布软体排设计

宽度10m，丙纶布上每50cm加5cm宽加强筋。顺流方向上排压下排，起始排压砂袋。丙纶布指标：孔径＜0.18mm；抗拉强度662N/5*20cm；透水性2.6kg/㎡S以上；厚度＞112g/㎡。

4.7 土工布设计指标

单位面积质量≥200 g/m2；断裂强度≥6.5kN/m；断裂伸长率≥25%；CNR 顶破强度≥900 N；垂直渗透系数1.0～9.9×10-3cm/s；等效孔径（O90）0.07～0.2 mm。

4.8 冲填砂袋设计

冲填砂袋采用150g/㎡聚丙烯纺织布，50cm一层，吹填工艺施工。

5 实施效果

设计优化后，效果极为明显：（1）加快了进度：不足50天的情况下完成施工。（2）抵抗了超标准洪水：2017年10月7日，围堰经历一场超标准洪水，最大流量15400m3/s，围堰安然无恙。（3）降低了成本：减少了钢筋和块石用量，节约了人工，总成本大大降低。

6 结语

通过模袋混凝土、土工布、冲填砂袋、丙纶布软体排等的综合运用，结合计算机进行水力模型计算，可以降低土石围堰防护成本，增强防护效果。这种方式改变了抗高速水流冲刷以块石、石笼（竹笼）为主的方式，是一种巨大的进步。在汉江雅口枢纽中，这种综合防护方式经过了超标准洪水的考验，证明这种方式是成功的，可以在围堰、堤坝、抗洪等多种模式下运用，具有极强的推广前景。