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      格賓石籠在海漫修復工程中的應用

      時間:2016-07-30 20:38:38 | 來源:晟江格賓網 | 作者:晟江格賓網 162

      摘 要:針對王家灣橡膠壩第一跨氣壩下游海漫實際被沖刷破壞情況,提出海漫修復工程的可行辦法,即主要從材質上改變被破壞海漫型式。經過比選后,決定選用既可以滿足工程實際需求,還可以起到生態環保作用的格賓石籠海漫替代原有模袋混凝土型式海漫。工程的實施效果將對今后海漫的修復工程提供參考。

      格賓石籠在海漫修復工程中的應用
         水利工程中,為了保護閘、壩下游河床及岸坡不受高速水流的沖刷,通常情況下在護坦末端設有海漫。水流流經消力池或護坦大幅度消能后,還保持著一定的余能,海漫可以消除水流的余能,調整流速分布,均勻的擴散出池水流,使之與天然河道的水流狀態接近,保證下游免受沖刷。盡管如此,海漫的重要性往往被人們所忽視,設計、施工及管理的重點集中在難度高、投資大的主體建筑物閘、壩上,諸多原因導致了目前中小型閘壩下游的河床和海漫普遍存在不同程度的沖刷破壞,有的已經危及到閘壩的安全,嚴重者直接造成閘、壩工程的報廢。本文將結合工程實例針對被沖刷破壞的海漫修復工程進行探討研究。

      圖 1   水毀海漫現狀圖
      圖 1   水毀海漫現狀圖

      1、工程概述
         王家灣橡膠壩工程始建于 2004 年,后經 2007 、2008 年兩年逐漸完善,形成了目前 5 孔單跨 66 m 充氣式橡膠壩與 2孔單跨 32 .5 m 的充水式橡膠壩組成的攔河調蓄工程。橡膠壩長 401 m,底板高程 43 m,壩高 2 .5 m,防洪標準為 50 年一遇。工程處海漫位于橡膠壩下游約 46 m 處,為混凝土模袋形式。
         王家灣橡膠壩于 2004 年底進行工程籌建,2005 年 1 月主體工程正式開工,2005 年 4 月 30 日工程竣工,現已運行10 年。由于橡膠壩在泄洪時隨著壩袋的坍塌泄流量增大,流速大 流態復雜,對下游沖刷力大 水流經過下游消力池后。
         的紊動現象依然很劇烈,底部流速較大,流速分布不能夠恢復到正常狀態,對河床仍會有較強的沖刷能力 。 加之渾河右岸王家灣橡膠壩第一跨氣壩段在之前實施氣壩改水壩時作
      為導流之用,因此,此處海漫受沖刷較為嚴重,產生多處大坑,后雖經處理但未能完全解決隱患,目前此處混凝土模袋被沖刷在河道中隨處可見,嚴重影響河道美觀效果,如圖 1 -1 所示,且不能承擔其減小水流沖刷的作用。為確保下游河勢的穩定及下游建筑物的安全,對渾河右岸王家灣第一跨氣壩下游處海漫水毀修復工程的實施是十分必要的。
       
      2、海漫修復工程設計:
      2.1 、海漫尺寸選取
      在確定海漫尺寸前,我們需要對原有建筑物進行復核。
       
      2 .1 .1 、泄流能力
         王家灣橡膠壩過流能力按《橡膠壩技術規范》( SL227 -98 ) 堰流基本公式進行計算,具體計算如下:

                      3        
      Q = σmεB   2gh            
        0 2        
                         
      式中: Q 為過壩流量 ( m3 /s) ; B 為溢流斷面的平均寬度
      ( m) ,396 m; h0  為計入行進流速水頭的堰頂水頭( m) ; ε 為堰
      流側收縮系數,ε = 1 ; σ 為堰流淹沒系數,σ = 1 ; m 為堰流流
      量系數。                      
      經計算,橡膠壩壩頂水深 0 . 3 m 時泄流能力為 115 . 23
      m3 /s。                        

      2 .1 .2 、消能防沖計算
       
      ( 1 ) 工況分析
         當壩頂溢流時,由于泄流能力十分有限,單寬泄量較小,對下游防沖基本不造成影響。當橡膠壩坍壩時,水流保持原河狀進行,水頭差極小,對下游防沖也基本沒有影響。最不利工況出現在橡膠壩坍壩過程中,此時下游水位較小,假設上游水面基本維持不變,擋水水位最高,水頭差最大。在坍壩過程中,上游水位維持不變,消能防沖計算工況以( hc″ - ht) 為最大控制。消能計算控制工況見表 1 。
       
      ( 2 ) 水躍計算
         水躍參數按下式計算:
              2            
      h3c  - T0 h2c  + αq 2  = 0      
                               
              2gφ            
                           
                               
          hc (   1 + 8 αq2 - 1 ) ( b1 ) 0. 25
      h″ =              
                       
      c   2   槡 gh3c   b2

      式中: hc 為收縮水深,m; h″c 為躍后水深,m; α 為水流動能修正系數,采用 1 . 0 ; q 為過閘單寬流量,m3 /s·m; T0 為由消力池底板頂面算起的總勢能,m; φ 為流速系數,取 0 . 95 ; b1 為消力池首端寬度,m; b2 為消力池末端寬度,m。
       
      ( 3 ) 消力池計算消力池深度按下式計算
      d = σ0 hc ″ - hs ' - Z
      Z = αq2 αq2
         
      2gφ2 hs ' 2 2ghc ″2
      式中: d 為消力池深度,m; σ0 為水躍淹沒系數,采用 1. 05 ; Z 為出池落差,m; h' s 為出池河床水深,m。
       
      消力池長度按下式計算:
       
      Lj = 6 . 9 ( h″c - hc ) Lsj = Ls + βLj
       
      式中: Lsj 為消力池長度,m; Ls 為消力池斜坡段水平投影長度,m; β 為水躍長度校正系數,采用 0. 75; Lj 為水躍長度,m。
       
      消能工長度選用遠驅水躍最大流量所對應的長度。
       
      表 1 消力池計算工況表
       
      壩上水深 單寬流量 下游水深 上下游水位
      ( m) ( m3 /s·m) ( m) 差( m)
             
      0 . 5 0 . 63 0 . 76 2 . 24
      1 1 . 77 1 . 12 1 . 88
      1 . 5 3 . 25 1 . 41 1 . 59
      2 5 . 01 1 . 66 1 . 34
      2 . 5 7 . 00 1 . 88 1 . 12
      3 9 . 20 2 . 08 0 . 92
             
       
        表 2 消力池計算結果  
             
      壩上水深( m) 單寬流量( m3 /s·m) 池深( m) 池長( m)
               
      0 . 5   0 . 63 0 . 04 2 . 32
      1   1 . 77 0 . 04 4 . 16
      1 . 5   3 . 25 0 . 06 6 . 33
      2   5 . 01 0 . 15 8 . 91
      2 . 5   7 . 00 0 . 22 11 . 95
      3   9 . 20 0 . 25 15 . 44
               
       
      經過計算,現有王家灣橡膠壩消力池深度 0 . 3 m,長度 22 . 5 m,能夠滿足實際應用要求。
       
      ( 4 ) 海漫
       
      海漫長度按下式計算:
      Lp = ks qs  槡 H' 
         式中: Lp 為海漫長度,m; H' 為閘上、下游水位差,m; ks 為海漫長度計算系數,根據河床土壤,K = 13 ; qs 為消力池末, 3 [3]端單寬流量  m /s·m 。
         經計算: 消力池下游海漫長度取 25 . 0 m。但根據實地調研情況,原有海漫長度不能夠滿足實際工程需要,已經遭到沖刷破壞,因此,本次海漫工程設計長度為 110 m。

      2. 2、海漫結構型式的選。
          鑒于工程位置處即王家灣橡膠壩第一跨氣壩段下游已遭受水毀破壞海漫的型式為混凝土模袋海漫,應吸取此類教訓,在本次修復工程中對于海漫型式的選取需更加慎重。
         以往海漫結構型式多采用: 堆石海漫,即用人工拋堆塊石,不加砌筑型式; 干砌石海漫,與堆石海漫相比,干砌石海漫能承受較大流速的水流沖刷; 預制混凝土塊海漫,此種海漫混凝土塊厚度為 0 . 2 ~ 0 . 3 m,海漫的前后段可根據斷面平均流速選用不同護面材料。這幾種傳統的海漫型式,雖然有造價便宜施工簡單的優點,但當海漫局部被沖刷破壞后,就會在破壞的局部連續擴大,帶動了反濾結構隨之破壞,導致河床遭受嚴重沖刷淘蝕,加劇海漫的破壞。而且在下游河床下切時,伴隨著水流的沖刷基底細顆粒砂石被逐漸帶走,導致基礎托空引起海漫裂縫、海漫結構破壞產生沖坑 。
       圖 2	格賓網細部結構

      圖 2 格賓網細部結構
      圖 3	海漫平面布置圖
      圖 3 海漫平面布置圖
      圖 4	格賓網箱布置詳圖

      圖 4 格賓網箱布置詳圖
         考慮到我國北方地區具有顯著的地域特點,冬季氣溫低,凍融作用對各種水利工程帶來了不同程度的侵蝕破壞,此問題是長期困擾水利工程界的難題。因此,本次海漫修復工程項目考慮之前破壞緣由的同時亦應考慮在寒冷的氣候條件下適宜的結構型式,綜合考慮以上兩點因素,避免出現之前采用模袋混凝土型式時的沖刷破壞以及冬季凍脹破壞等問題,此次渾河右岸王家灣壩下海漫水毀修復工程選取整體性好、柔性好、多孔隙、透水性好、材料環保的格石籠型式海漫。
       
      格賓產品技術起源于意大利,又被稱為鍍鋅低碳鋼絲編織六角網,產品是采用高強度的鍍鋅低碳鋼絲,由機械編織成的雙絞六角形鋼絲網,采用雙扭結網目 ( 見圖 2 ) 即使局部
       
      斷裂也不影響整體穩定。鋼絲外面可以覆抗老化的 PVC 膜,起到保護鋼絲的作用,可有效增加網箱的工程壽命。格賓網可以由一張連續網面型式根據需要做成網箱體,內部填充塊石等材料,作為建筑構件使用。通常箱體厚度小于 50 cm 的稱為格賓網墊,厚度大于 50 cm 的稱為格賓網箱。國外已經推廣并使用格賓產品幾十年,近些年由馬克菲爾公司引入中
      。
       
      2.3、海漫修復工程布置及施工:
      2 .3 .1、海漫修復工程布置:
       
         本次渾河右岸王家灣壩下海漫水毀修復工程,將原有不能滿足沖刷強度及長度要求的模袋型式海漫,改造成為 110 m 長的格賓石籠內填石塊,下設土工布形成完整的反濾型式。格賓石籠型式采用 2 m × 1 m × 1 m 為一個單元格,每個單元中間均設一個單片隔板( 見圖 4 ) ,石籠內填充粒徑大于 15 cm 的塊石使其飽滿,并采用土工布反濾層,使反濾層既能反濾又有強度,保證反濾層安全運行。結合現場實際海漫尺寸、銜接情況以及計算確定的海漫長度,設計格賓石籠海漫的平面布置圖如圖 3 所示。
       
      2 .3 .2、海漫修復工程施工:
         由于原有海漫已經遭到沖刷破壞,出現沖刷坑現象,本工程先用 1 m3 挖掘機將原有膜袋混凝土打碎并清理海漫處隨處可見的干砌石,將可用部分填到沖刷坑處,打碎混凝量土及大塊干砌石量不足以填坑時,采用外購塊石填筑。
         在施工時,首先用木樁標出格賓鋪設的范圍,然后人工進行格賓鋪設,本工程共需鋪設上底 80 m 寬,下底 126 m 寬,110 m 長的格賓石籠。設計格賓單元格為 2 m × 1 m × 1 m 的規格,中間設置單片隔板。下設土工布反濾層,使反濾層既能反濾又有強度,保證反濾層安全運行,土工布錨固長度為 1 .5 m。在格賓與消力池連接處布置 50 mm × 50 mm 角鋼,縫隙處放置 4 mm 厚橡膠板以及 400 g /m 長絲土工布,用直徑 10 mm 膨脹螺栓固定。格賓與右岸下游護墻連接同與消力池連接。
         格賓鋪設完成后,應及時進行石料填筑,應按照先兩邊后中間的原則來進行填充,嚴禁先填中部。填筑結束后格賓封頂。
       
      3、結語:
         王家灣橡膠壩下游海漫具有能夠消除水流所剩余能、穩定出池水流、防止水流對下游河床及河岸沖刷破壞的作用,并且承載著確保橡膠壩下游河勢穩定及下游建筑物安全的重要作用,此次水毀海漫修復工程的實施意義重大。格賓石籠海漫型式比較適合本工程的實際狀況,同時,由于柔性格賓材質兼具工程需求及生態環保的需求,因此,具有在今后的海漫工程中實踐推廣的意義。




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