土工合成材料在兴隆枢纽工程中的应用

郭红亮 吴云飞 焦雨佳 陈超敏

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 枢纽设计处，湖北 武汉 430010；2.中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066；3.中国石油西气东输管道公司，上海 200122)

土工合成材料在兴隆枢纽工程中的应用

郭红亮1吴云飞2焦雨佳3陈超敏1

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 枢纽设计处，湖北 武汉 430010；2.中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066；3.中国石油西气东输管道公司，上海 200122)

兴隆水利枢纽为I等大(一)型工程，主要建筑物有泄水闸、船闸及电站厂房等。坝址区为深厚粉细砂覆盖层，抗冲能力低、渗透稳定性差，边坡保护问题突出以及缺乏粘土料及石料，导流明渠及下游引航道护坡需解决水下施工难题等。为此展开了分析研究，根据研究结果，决定采用土工布、复合土工膜、复合土工袋、土工格栅、土工网、模袋和三维植草土工网垫等多种土工合成材料，较好地解决了上述难题。

水下施工;施工材料;土工合成材料;兴隆水利枢纽;湖北省

1 工程概述

兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，是南水北调中线汉江中下游4项治理工程之一，也是汉江梯级开发的最下一级。枢纽以灌溉和航运为主，兼顾发电。坝轴线两岸汉江大堤之间河道总宽度约为2 800 m，主河槽位于河道偏右侧，宽约700 m；主河槽左侧漫滩宽约1 400 m，右侧漫滩宽约700 m，两岸漫滩高程与正常蓄水位接近。枢纽布置采用建闸留滩格局，这样就可以在正常蓄水位时，两岸漫滩参与挡水；在洪水期间，滩地漫顶行洪。

泄水闸布置在主河槽，右侧为电站厂房，船闸布置在右岸漫滩上；上下游引航道经开挖形成，其左侧保留的漫滩则形成了隔流堤。泄水闸56孔，闸孔总净宽为784 m。船闸按Ⅲ(3)级航道标准配套设计，为单线一级船闸，设计代表船队为双排双列1顶4驳(1+4×1 000 t)船队，闸室有效尺寸为180 m×23 m×3.5 m，主体段总长256 m。电站厂房前沿总长112 m，为低水头河床径流式电站，安装4台贯流式灯泡水轮发电机组，装机容量40 MW。采用左岸漫滩上的明渠导流。

工程于2009年2月正式开工， 2013年初主体工程泄水闸、船闸施工基本完成， 2013年4月下闸蓄水和船闸通航， 2014年6月最后一台机组发电。至此,已开始全面发挥工程效益。

兴隆枢纽具有以下特点：

(1) 坝址区为深厚粉细砂覆盖层，粉细砂中值粒径仅0.15～0.19 mm，抗冲能力低，渗透稳定性差，边坡保护问题突出。

(2) 附近缺乏防渗性能好的粘土料，粘土料运距达27 km。

(3) 缺乏抗冲性能好的石料，石料外运距离远(约为80 km)。

(4) 对导流明渠和围堰外下游引航道高程32 m以下采用吹填方式开挖，对护坡则需解决水下施工难题。为此，在工程中应用了多种土工合成材料。

2 施工材料

2.1 土工布

土工布在兴隆枢纽工程中应用十分广泛，在主体工程的泄水闸、船闸、电站厂房以及临时工程的土石围堰等部位均有大量应用，使用总量约90万m2。按所起作用主要分为以下两类。

(1) 反滤保护。坝址区粉细砂取样的级配包络线及粒径特征见表1。

从表1可知，粉细砂所含粘粒很少。室内渗透试验得出的粉细砂渗透系数为5.56×10-3～2.50×10-2cm/s。

对存在渗流的坡面，比如电站引水渠和尾水渠坡面、船闸上游引航道坡面、船闸下游引航道马道以上坡面、土石围堰内外侧坡面等,都铺设有一层土工布，以保护坡面土体颗粒不被渗流带出。根据保土性、透水性和防堵性的要求，选用土工布规格为400 g/m2，要求渗透系数大于5×10-2cm/s，土工布等效孔径O95为0.10～0.20 mm。室内反滤试验结果显示，粉细砂渗透破坏比降值无反滤时为0.6～1.04，用土工布反滤后则提高幅度较大，表明土工布对粉细砂具有较好的保土作用，试验时段内未发现有明显淤堵。

(2) 隔离水流防止淘刷。泄水闸进水渠护底顺流向长40 m，宽912 m，为现浇混凝土块，分块尺寸为4 m×4 m，厚为30 cm。为了防止水流沿结构分缝蹿入淘出地基粉细砂，在粉细砂表面跨缝铺设了一条宽80 cm的土工布，规格为 400 g/m2，将泄水时的紊动水流与粉细砂隔离，从而起到保护作用。

在柔性混凝土海漫下也铺设了一层土工布，其作用相同。

2.2 复合土工膜

兴隆工程土石围堰防渗线路总长3 949 m，堤基防渗采用塑性混凝土防渗墙，防渗墙平均深60 m，墙厚80 cm，防渗墙顶高程为35.5 m。围堰堤身就近采用导流明渠、船闸、右岸漫滩等部位的开挖料填筑，以砂性土为主。堤身若采用常规粘土心墙防渗，会出现粘土料运距长工效低造价高等问题，且开采粘土料还需占用耕地。研究论证后，对堤身采用了复合土工膜心墙防渗，这样使经济效益和社会效益均得到了显著提高。

通过在墙顶现浇盖帽混凝土，将复合土工膜埋入其中30 cm，以实现复合土工膜与防渗墙的连接。复合土工膜心墙随两侧填筑“Z”形折叠上升，与堰体填筑同步进行，施工简便。围堰典型断面见图1。

复合土工膜规格为两布一膜型式(200 g /0.5 mm/200 g)，幅宽不小于2 m。控制指标为：抗拉强度(经、纬向)≥20 kN/m；渗透系数K≤10-11cm/s；伸长率>60%，撕裂强度≥0.5 kN，CBR顶破≥3 kN。复合土工膜的总用量为8.8万m2。

2.3 复合土工袋

原设计的下游引航道开挖后所形成的隔流堤长为960 m，其中位于围堰外的部分长为820 m。但主体工程开工不久，围堰下游右岸高漫滩发生崩岸，长约2 000 m，崩塌宽为40～100 m，下游隔流堤原利用滩地基本崩入江中。经水工模型试验，为保证下游口门区通航水流条件，必须实施水下人工修筑隔流堤。与原设计方案相比，堤头位置向滩地一侧横向移动23.5 m，向下游延伸12 m，堤顶为同一宽度。

水下筑堤材料需具备一定抗冲和水下自稳能力，通常采用抛石、石渣和砂卵石等。但该类型材料距工地约80 km，运距远价格高，工期又十分紧迫。在分析研究筑堤方式利弊的基础上，决定利用该河段粉细砂多、含泥量少及能就近取材的条件，采用吹填筑堤。即利用泥浆泵或高压水泵切割冲吸粉细砂洲，经输泥管水力输送充填入复合土工袋，水则经土工袋孔隙排出，沉留袋内的粉细砂固结形成有一定密实度的袋装土，两侧堤脚用袋装土叠置成棱体，使其具备防冲和自稳能力；堤身在棱体保护下吹填粉细砂填筑，既巧妙地解决了水下施工难题，又节省了工程投资。

设计隔流堤断面顶宽为8 m，在堤身高程32.5 m处设有马道，两侧马道上下两级边坡按稳定要求确定为1∶3。

棱体临江侧顶宽10 m，航道侧顶宽8 m，顶高程31.5 m，每层充填后的复合土工袋厚度不超过0.5 m，内坡坡比为1∶1.5，外坡坡比为1∶3。两侧棱体先行施工，其间对高程31.5 m以下堤身,在棱体保护下直接吹填粉细砂，对高程31.5 m以上堤身,则利用引航道的开挖弃料填筑。堤身马道以下临江侧抛石护坡和护底，航道侧用模袋混凝土护坡； 马道以上堤身及堤顶为雷诺护垫保护(见图2)。

复合土工袋应满足吹填砂对渗透性、保土性及防淤堵的要求，渗透系数要求10-1～10-2cm/s, 等效孔径O95为0.10～0.20 mm；抗拉强度不小于18 kN/m，延伸率不大于20%，袋装土充盈系数宜为85%，充填后的土工袋长/宽>2.4，长/高>3.5，充填后的干土重度不得小于14.5 kN/m3。复合土工袋棱体总体积为14.4万m3。

实践证明，采用上述设计方案，堤身填筑密实、堤身稳定，施工迅捷简便。

2.4 土工格栅

(1) 减小土压力。泄水闸进水渠与电站引水渠、泄水闸出水渠与电站尾水渠之间高差达10～15 m，在两者之间设置了混凝土空箱式挡土墙。同时为保证电站进出水的流态良好，在挡土墙顶泄水闸一侧设有导墙。

由于挡墙挡土高度超过10 m，土压力很大，因此拟在原设计空箱内填筑高为8.1 m的土来满足抗滑稳定性的要求。后因进度滞后，空箱内若填土则施工相互之间干扰大，为此，采用了土工格栅对挡墙填土进行加筋，以增加回填土体的抗剪强度，从而减小土压力40%，达到满足抗滑稳定的目的。

土工格栅采用单向土工格栅布置，规格为TGDG80PP，且顺土的压力方向布置，从下往上每60 cm布置一层，一端直抵挡土墙，长度分别为3.0～9.5 m；土工格栅幅宽为2.5～4.0 m，各幅间搭接宽度不小于0.5 m。其物理力学性能为：每延米拉伸强度≥80 kN/m；2%伸长率时的拉力≥26 kN/m；5%伸长率时的拉力≥48 kN/m；标称拉伸强度伸长率≤10%。土工格栅用量为3 300 m2。

(2) 控制差异沉陷。围堰除保护基坑外，宽10 m的顶部同时也作为施工道路，可供重载车通行。为控制差异沉陷，减少路面维修，在路面铺设有一层SS30型土工格栅和厚30 cm的碎石(见图 1)。土工格栅用量为7.3万m2。

2.5 土工网

泄水闸柔性混凝土海漫采用的是一种嵌套式预制块体结构，块体平面呈“H”型，单块长和宽都为48 cm，相邻块体相互嵌套；同时为了增强消能效果，更好地调整水流流态，在每个块体上均设有2个开孔，开孔尺寸为7 cm×10 cm，预制块体腰间也内收2.5 cm，拼装后形成的海漫面积开孔率为26%。为保护海漫下铺设的碎石层不被紊动水流从块体孔洞和间隙中冲出，柔性海漫下面设置了一层土工网,其规格为CE121，网眼尺寸为6 mm×8 mm，总用量为7万m2。

从粉细砂河床表面自下而上，柔性海漫构造依次为土工布(400 g/m2)、碎石垫层(厚20 cm，粒径2～4 cm)、土工网和海漫预制块体。

2.6 模袋混凝土

利用模袋灌装混凝土，解决了水下施工的边坡防护难题。

(1) 临时工程纵向土石围堰的头部及明渠一侧水下边坡，导流明渠高程32 m以下采用吹填方式开挖，明渠边坡防护必须进行水下施工。其典型断面见图3。

(2) 对主体工程的围堰外下游引航道高程32.5 m以下也采用吹填方式开挖，引航道边坡防护施工需水下进行。对下游引航道靠江一侧以及滩地一侧、高程32.5 m以下的边坡，均为模袋混凝土护坡。

上述部位的水下护坡均采用铰链块型(RB型)模袋混凝土，各块间用高强尼龙绳连接，形成相连而独立的防冲体系，施工方法简便快速。模袋混凝土厚度为25 cm，单块排体尺寸为10 m×2 m，对每块块体的纵横向均布设2根Ø12 mm的铰链绳，模袋下设置反滤布保土及透水。模袋混凝土护坡总面积为18.6万m2。

有关指标为：采用矩形无滤点模袋，材料可用锦纶、涤纶，重量不得小于500 g/m ，单层材料厚度>0.45 mm;经向抗拉强度>2 200 N/3 cm，纬向抗拉强度>3 000 N/5 cm;经向伸长率>14%，纬向伸长率>12%;垂直渗透系数>5×10-3cm/s，CBR顶破强度>3 000 N。

2.7 三维植草土工网垫

兴隆枢纽采用了建闸留滩的枢纽布置格局，中、大洪水时，两岸漫滩也参与行洪。右岸漫滩设计高程为38 m，行洪时滩顶最大流速值约为1 m/s。

对右岸漫滩采用植草防冲保护措施，植草范围为坝轴线上下游各50m。为保护喷播的草籽，防止被雨水冲走，提高植草的抗冲能力，采用了EM5三维植草土工网垫,总用量为7.8万m2。

3 结 语

在兴隆枢纽工程中，不仅将土工合成材料应用于临时工程，而且在主体工程中也有大量应用，应用的部位多、种类全、数量大。土工合成材料的成功应用，在提高工程安全性能、降低施工难度、促进工程进度以及节约工程投资等方面，均发挥了非常重要和独特的作用。

2014-12-15

郭红亮，男，长江勘测规划设计研究有限责任公司枢纽设计处，高级工程师.

1006-0081(2015)02-0034-04

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