汾河一壩樞紐水閘下游防沖墻設(shè)計(jì)與施工

趙小軍

（山西省汾河流域管理局，山西 太原 030002）

1 汾河一壩概況

汾河一壩樞紐位于汾河干流蘭村出山口處，主要由魚嘴滾水壩，東、中、西沖砂閘，東西兩岸引水閘，下游滾水壩等水工建筑物組成，具體布置如圖1 所示。

汾河一壩樞紐水閘除險(xiǎn)加固工程等別為II 等，工程規(guī)模為大（二）型，主要建筑物為2 級(jí)，次要建筑物3 級(jí)。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)采用30 年一遇洪水設(shè)計(jì)，100 年一遇洪水校核，對(duì)應(yīng)洪峰流量分別為2 600 m3/s、3 450 m3/s。

距樞紐下游滾水壩約100 m 的下游河床由于私亂挖沙下切嚴(yán)重，威脅樞紐整體安全。目前該處河床比樞紐處河床地面低約10 m，為保證一壩樞紐安全，在已建滾水壩海曼末端設(shè)置垂直防沖墻。防沖墻垂直河道布置，總長(zhǎng)90 m，深30 m，厚度1.0 m，采用C 25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 樞紐防沖墻設(shè)計(jì)

下游滾水壩建于2012 年，距魚嘴溢流壩約400 m。根據(jù)汾河一壩樞紐水力學(xué)模型試驗(yàn)成果，下游滾水壩消力池只能滿足500 m3/s 流量要求。由于下游滾水壩后的300 m 長(zhǎng)河道范圍內(nèi)，河床地面落差約為9.0 m，河段縱坡達(dá)到1/30，在經(jīng)歷長(zhǎng)期水流沖刷后，其漿砌石海曼目前已局部沖毀，如遇大流量洪水，壩后河床將被朔源淘刷，有潰壩危險(xiǎn)，并危及上游建筑物安全。

考慮到汾河一壩樞紐防洪安全，擬對(duì)下游滾水壩進(jìn)行防沖加固。汾河一壩樞紐水力學(xué)模型試驗(yàn)第一階段初步成果表明，下游滾水壩海曼位置在設(shè)計(jì)工況2 600 m3/s，校核工況流量取3 450 m3/s 時(shí)，流速分別為10.5 m/s、11.5 m/s。

圖1 汾河一壩樞紐平面布置圖

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2016）附錄B 公式B.3.1，計(jì)算海曼末端的河床沖刷深度，確定防沖建筑物防護(hù)深度。河床沖刷深度按下式計(jì)算：

式中：dm——海漫末端河床沖刷深度，m；

qm——海漫末端單寬流量，m3/（s·m）；

[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速，取1.6 m/s；

hm——海漫末端河床水深，m。

計(jì)算結(jié)果見下表：

表1 不同工況下沖刷深度計(jì)算成果表

表中已知參數(shù)來自汾河一壩樞紐水力學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)上表分析，計(jì)算最大沖刷深度為25.05 m，考慮安全余量取30.0 m。

已建滾水壩下游防沖設(shè)計(jì)方案為在滾水壩下游末端設(shè)置垂直防沖墻，防沖墻深度由校核工況計(jì)算沖刷深度確定為30 m。防沖墻垂直河道布置，總長(zhǎng)90 m，厚度1.0 m，采用C 25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 鋼筋混凝土防沖墻施工

按照工程進(jìn)度要求，下游防沖墻于2017 年8 月1 日開始施工，施工工藝采用鉆劈法，根據(jù)防沖墻長(zhǎng)度，共分為15 個(gè)槽段，每個(gè)槽段長(zhǎng)6.0 m。

3.1 沖擊鉆造孔、粘土護(hù)壁施工

根據(jù)工程地質(zhì)特點(diǎn)以及該樞紐上游鋼筋混凝土防滲墻施工經(jīng)驗(yàn)，造孔設(shè)備選用了CZ-30 型沖擊鉆機(jī)。工程采用“L”型導(dǎo)墻，導(dǎo)墻頂高程比設(shè)計(jì)防沖墻頂高程高2.3 m。9 月13 日開始采用CZ-30 型沖擊鉆對(duì)12 號(hào)和14 號(hào)單元槽進(jìn)行成槽，造孔過程中采用粘土泥漿護(hù)壁。10 月11 日，兩槽段分別于槽深17 m和17.3 m 處發(fā)生塌孔現(xiàn)象，由于塌孔嚴(yán)重導(dǎo)致無法施工。

12 號(hào)與14 號(hào)單元槽施工期水位及槽段塌孔情況具體為：（1）主河槽2017 年09 月27 日開始過水，最高峰流量達(dá)到35.30 m3/s，12 號(hào)、14 號(hào)槽段水位高程791.20 m，該區(qū)域左岸砂礫石圍堰外主河槽過水高程792.20 m，距離12 號(hào)槽段66 m，水位高差1.0 m；該區(qū)域上游15 m 處漫水壩水位高程794.70 m，水位高差3.5 m。（2）2017 年10 月9 日～11 日，12 號(hào)、14 號(hào)槽段鉆機(jī)平臺(tái)塌方，深度4 m。塌方最大范圍為左右岸長(zhǎng)度10 m，上下游寬度4 m。（3）2017 年10 月11 日，12 號(hào)、14 號(hào)槽段槽身坍塌，12 號(hào)槽坍塌深度17 m，14 號(hào)槽坍塌深度17.3 m。

塌孔后對(duì)該區(qū)域上游及左側(cè)的臨時(shí)擋水圍堰進(jìn)行了加固及防滲處理。采用素混凝土對(duì)施工平臺(tái)塌方處與導(dǎo)墻底部進(jìn)行了封堵及加固，用粘土將已鉆成的孔全部填滿，填至高程791.40 m（導(dǎo)向槽頂高程）。隨后繼續(xù)采用沖擊鉆成槽，仍然在17 m 深度附近發(fā)生塌孔現(xiàn)象。

3.2 液壓抓槽機(jī)成槽膨潤(rùn)土護(hù)壁施工

結(jié)合主河槽過水、沖擊鉆施工情況、工期壓縮以及地質(zhì)條件等因素，經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況分析后決定采用液壓抓槽機(jī)成槽施工。按照《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》（SL 174-2014）要求，液壓抓槽機(jī)施工導(dǎo)向墻應(yīng)高于施工期最高地下水位2.0 m 以上，加高后的導(dǎo)向墻頂高程793.20 m，比設(shè)計(jì)防沖墻頂高程高4.10 m。12 月1 日開始對(duì)1 號(hào)單元槽進(jìn)行施工，12 月4 日1 號(hào)槽成槽完成，并順利吊裝鋼筋籠。

12 月5 日～9 日相繼進(jìn)行3 號(hào)、5 號(hào)、9 號(hào)單元槽施工，均于導(dǎo)墻底部約3 m 處發(fā)生槽孔塌方。隨后對(duì)3 號(hào)、5 號(hào)、9 號(hào)槽塌方段采取填土壓漿、沖擊壓實(shí)的方法反復(fù)進(jìn)行了處理，可塌方依然存在，且局部呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大態(tài)勢(shì)。對(duì)3 號(hào)、5 號(hào)、9 號(hào)塌方段進(jìn)行混凝土噴護(hù)，待其凝固后，抓槽機(jī)恢復(fù)施工，依然無法成槽。

3.3 塌孔原因及施工方案分析

2018 年3 月24 日，邀請(qǐng)有關(guān)專家與建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工參建四方，對(duì)下游防沖墻造孔坍塌、施工困難等問題進(jìn)行了研討分析，一致認(rèn)為由于該處上、下游地下水位差較大，河床地層嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，覆蓋層分選性差，級(jí)配不良，存在架空現(xiàn)象，自穩(wěn)能力差等原因造成施工過程中塌孔嚴(yán)重。該類地質(zhì)不適合采用液壓抓槽機(jī)施工，建議采取縮短一序槽，仍然采用沖擊鉆造孔，優(yōu)質(zhì)粘土固壁。槽孔內(nèi)漿液與孔外水位高差保持1～1.5 m，施工過程中要嚴(yán)格控制造孔進(jìn)尺，確保槽孔穩(wěn)定。

按照原設(shè)計(jì)方案，高30 m 的鋼筋籠需分上、下兩層采用雙面搭接焊接，焊接接頭63 個(gè)，鋼筋籠連接需要6h 以上。規(guī)范要求清孔檢驗(yàn)合格后，應(yīng)于4 h 內(nèi)開始澆筑混凝土，因吊放鋼筋籠或其他埋設(shè)件不能在4 h 內(nèi)開澆混凝土的槽孔，澆筑前應(yīng)重新測(cè)量淤積厚度，如超過100 mm 需再次清孔，該過程中存在較大的塌孔風(fēng)險(xiǎn)。若采用一次制作完成，需100 t 以上吊車吊裝，吊裝過程中容易造成彎曲變形，影響垂直度，在安裝過程中可能造成卡槽現(xiàn)象。

3.4 實(shí)施方案變更

下游防沖墻工程，先后采用沖擊鉆和液壓抓槽機(jī)兩種成槽施工工藝，歷時(shí)3 個(gè)月均未解決塌孔問題。結(jié)合地質(zhì)情況以及原有施工方案，提出了采用灌注樁加旋噴樁的組合方案。變更方案采取單孔單排C 25鋼筋混凝土水下灌注樁和高壓旋噴樁，共同形成抗沖體。水下灌注樁樁徑1.0 m，中心距離1.12 m，深28 m，高壓旋噴樁位于兩個(gè)灌注樁連線中點(diǎn)正上方，樁直徑60 cm，孔距1.12 m，樁位設(shè)在距軸線30 cm 處，高壓旋噴樁采用雙管法，考慮到該區(qū)域地質(zhì)條件，先用地質(zhì)鉆機(jī)引孔后，下噴射管實(shí)施。在樁頂設(shè)置寬1.0 m，高2.0 m 長(zhǎng)84 m 的現(xiàn)澆C 25 鋼筋混凝土連系梁。經(jīng)設(shè)計(jì)單位復(fù)核后，該方案符合原設(shè)計(jì)要求。具體布置見圖2。

圖2 下游防沖板樁平面布置圖

截至2019 年9 月，除去生態(tài)補(bǔ)水河道段外水下灌注樁已基本完成，且滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量要求。高壓旋噴樁實(shí)驗(yàn)樁已完成，各項(xiàng)參數(shù)均滿足質(zhì)量控制要求。事實(shí)證明該實(shí)施方案的變更取得了一定的成效，保證了該工程的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語

汾河一壩樞紐滾水壩下游鋼筋混凝土防沖墻工程施工，由于受到水流、地質(zhì)情況以及工期等條件影響，被迫對(duì)原有施工方案進(jìn)行了變更，將6 m 的單元槽變?yōu)榭讖? m 的灌注樁加旋噴樁。

實(shí)踐證明，通過單元槽的縮短有效地解決了施工中的塌孔問題，為工程的順利施工奠定了良好的基礎(chǔ)。該方案的成功可以為類似項(xiàng)目提供借鑒作用，具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義，同時(shí)汾河一壩樞紐水閘除險(xiǎn)加固工程竣工后，將對(duì)太原市的灌溉供水、防洪度汛發(fā)揮重大作用，帶來顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。