汾河一坝枢纽水闸下游防冲墙设计与施工

赵小军

（山西省汾河流域管理局，山西 太原 030002）

1 汾河一坝概况

汾河一坝枢纽位于汾河干流兰村出山口处，主要由鱼嘴滚水坝，东、中、西冲砂闸，东西两岸引水闸，下游滚水坝等水工建筑物组成，具体布置如图1 所示。

汾河一坝枢纽水闸除险加固工程等别为II 等，工程规模为大（二）型，主要建筑物为2 级，次要建筑物3 级。工程防洪标准采用30 年一遇洪水设计，100 年一遇洪水校核，对应洪峰流量分别为2 600 m3/s、3 450 m3/s。

距枢纽下游滚水坝约100 m 的下游河床由于私乱挖沙下切严重，威胁枢纽整体安全。目前该处河床比枢纽处河床地面低约10 m，为保证一坝枢纽安全，在已建滚水坝海曼末端设置垂直防冲墙。防冲墙垂直河道布置，总长90 m，深30 m，厚度1.0 m，采用C 25钢筋混凝土结构。

2 枢纽防冲墙设计

下游滚水坝建于2012 年，距鱼嘴溢流坝约400 m。根据汾河一坝枢纽水力学模型试验成果，下游滚水坝消力池只能满足500 m3/s 流量要求。由于下游滚水坝后的300 m 长河道范围内，河床地面落差约为9.0 m，河段纵坡达到1/30，在经历长期水流冲刷后，其浆砌石海曼目前已局部冲毁，如遇大流量洪水，坝后河床将被朔源淘刷，有溃坝危险，并危及上游建筑物安全。

考虑到汾河一坝枢纽防洪安全，拟对下游滚水坝进行防冲加固。汾河一坝枢纽水力学模型试验第一阶段初步成果表明，下游滚水坝海曼位置在设计工况2 600 m3/s，校核工况流量取3 450 m3/s 时，流速分别为10.5 m/s、11.5 m/s。

图1 汾河一坝枢纽平面布置图

根据《水闸设计规范》（SL 265—2016）附录B 公式B.3.1，计算海曼末端的河床冲刷深度，确定防冲建筑物防护深度。河床冲刷深度按下式计算：

式中：dm——海漫末端河床冲刷深度，m；

qm——海漫末端单宽流量，m3/（s·m）；

[v0]——河床土质允许不冲流速，取1.6 m/s；

hm——海漫末端河床水深，m。

计算结果见下表：

表1 不同工况下冲刷深度计算成果表

表中已知参数来自汾河一坝枢纽水力学模型试验报告，根据上表分析，计算最大冲刷深度为25.05 m，考虑安全余量取30.0 m。

已建滚水坝下游防冲设计方案为在滚水坝下游末端设置垂直防冲墙，防冲墙深度由校核工况计算冲刷深度确定为30 m。防冲墙垂直河道布置，总长90 m，厚度1.0 m，采用C 25 钢筋混凝土结构。

3 钢筋混凝土防冲墙施工

按照工程进度要求，下游防冲墙于2017 年8 月1 日开始施工，施工工艺采用钻劈法，根据防冲墙长度，共分为15 个槽段，每个槽段长6.0 m。

3.1 冲击钻造孔、粘土护壁施工

根据工程地质特点以及该枢纽上游钢筋混凝土防渗墙施工经验，造孔设备选用了CZ-30 型冲击钻机。工程采用“L”型导墙，导墙顶高程比设计防冲墙顶高程高2.3 m。9 月13 日开始采用CZ-30 型冲击钻对12 号和14 号单元槽进行成槽，造孔过程中采用粘土泥浆护壁。10 月11 日，两槽段分别于槽深17 m和17.3 m 处发生塌孔现象，由于塌孔严重导致无法施工。

12 号与14 号单元槽施工期水位及槽段塌孔情况具体为：（1）主河槽2017 年09 月27 日开始过水，最高峰流量达到35.30 m3/s，12 号、14 号槽段水位高程791.20 m，该区域左岸砂砾石围堰外主河槽过水高程792.20 m，距离12 号槽段66 m，水位高差1.0 m；该区域上游15 m 处漫水坝水位高程794.70 m，水位高差3.5 m。（2）2017 年10 月9 日～11 日，12 号、14 号槽段钻机平台塌方，深度4 m。塌方最大范围为左右岸长度10 m，上下游宽度4 m。（3）2017 年10 月11 日，12 号、14 号槽段槽身坍塌，12 号槽坍塌深度17 m，14 号槽坍塌深度17.3 m。

塌孔后对该区域上游及左侧的临时挡水围堰进行了加固及防渗处理。采用素混凝土对施工平台塌方处与导墙底部进行了封堵及加固，用粘土将已钻成的孔全部填满，填至高程791.40 m（导向槽顶高程）。随后继续采用冲击钻成槽，仍然在17 m 深度附近发生塌孔现象。

3.2 液压抓槽机成槽膨润土护壁施工

结合主河槽过水、冲击钻施工情况、工期压缩以及地质条件等因素，经过对现场情况分析后决定采用液压抓槽机成槽施工。按照《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL 174-2014）要求，液压抓槽机施工导向墙应高于施工期最高地下水位2.0 m 以上，加高后的导向墙顶高程793.20 m，比设计防冲墙顶高程高4.10 m。12 月1 日开始对1 号单元槽进行施工，12 月4 日1 号槽成槽完成，并顺利吊装钢筋笼。

12 月5 日～9 日相继进行3 号、5 号、9 号单元槽施工，均于导墙底部约3 m 处发生槽孔塌方。随后对3 号、5 号、9 号槽塌方段采取填土压浆、冲击压实的方法反复进行了处理，可塌方依然存在，且局部呈现不断扩大态势。对3 号、5 号、9 号塌方段进行混凝土喷护，待其凝固后，抓槽机恢复施工，依然无法成槽。

3.3 塌孔原因及施工方案分析

2018 年3 月24 日，邀请有关专家与建设、设计、监理、施工参建四方，对下游防冲墙造孔坍塌、施工困难等问题进行了研讨分析，一致认为由于该处上、下游地下水位差较大，河床地层严重扰动，覆盖层分选性差，级配不良，存在架空现象，自稳能力差等原因造成施工过程中塌孔严重。该类地质不适合采用液压抓槽机施工，建议采取缩短一序槽，仍然采用冲击钻造孔，优质粘土固壁。槽孔内浆液与孔外水位高差保持1～1.5 m，施工过程中要严格控制造孔进尺，确保槽孔稳定。

按照原设计方案，高30 m 的钢筋笼需分上、下两层采用双面搭接焊接，焊接接头63 个，钢筋笼连接需要6h 以上。规范要求清孔检验合格后，应于4 h 内开始浇筑混凝土，因吊放钢筋笼或其他埋设件不能在4 h 内开浇混凝土的槽孔，浇筑前应重新测量淤积厚度，如超过100 mm 需再次清孔，该过程中存在较大的塌孔风险。若采用一次制作完成，需100 t 以上吊车吊装，吊装过程中容易造成弯曲变形，影响垂直度，在安装过程中可能造成卡槽现象。

3.4 实施方案变更

下游防冲墙工程，先后采用冲击钻和液压抓槽机两种成槽施工工艺，历时3 个月均未解决塌孔问题。结合地质情况以及原有施工方案，提出了采用灌注桩加旋喷桩的组合方案。变更方案采取单孔单排C 25钢筋混凝土水下灌注桩和高压旋喷桩，共同形成抗冲体。水下灌注桩桩径1.0 m，中心距离1.12 m，深28 m，高压旋喷桩位于两个灌注桩连线中点正上方，桩直径60 cm，孔距1.12 m，桩位设在距轴线30 cm 处，高压旋喷桩采用双管法，考虑到该区域地质条件，先用地质钻机引孔后，下喷射管实施。在桩顶设置宽1.0 m，高2.0 m 长84 m 的现浇C 25 钢筋混凝土连系梁。经设计单位复核后，该方案符合原设计要求。具体布置见图2。

图2 下游防冲板桩平面布置图

截至2019 年9 月，除去生态补水河道段外水下灌注桩已基本完成，且满足设计质量要求。高压旋喷桩实验桩已完成，各项参数均满足质量控制要求。事实证明该实施方案的变更取得了一定的成效，保证了该工程的顺利进行。

4 结语

汾河一坝枢纽滚水坝下游钢筋混凝土防冲墙工程施工，由于受到水流、地质情况以及工期等条件影响，被迫对原有施工方案进行了变更，将6 m 的单元槽变为孔径1 m 的灌注桩加旋喷桩。

实践证明，通过单元槽的缩短有效地解决了施工中的塌孔问题，为工程的顺利施工奠定了良好的基础。该方案的成功可以为类似项目提供借鉴作用，具有十分重要的社会意义和经济意义，同时汾河一坝枢纽水闸除险加固工程竣工后，将对太原市的灌溉供水、防洪度汛发挥重大作用，带来显著的社会效益和经济效益。