潜坝加固工程主要控制参数初步研究

(长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010)

潜坝加固工程主要控制参数初步研究

黄卫东万星星刘同宦

(长江科学院河流研究所，湖北武汉430010)

潜坝工程是控制分汊型河道河势的常用工程，多位于汊道口门处，建成后潜坝及下游一般会遭到不同程度的冲刷从而导致不均匀沉陷，对其进行抛石加固是维持其功能的重要措施。为增强抛石加固的工程效果，以长江下游和畅洲左汊口门潜坝加固工程为例，首次尝试展开现场试验，研究抛投落距、潜坝上下游坝坡抛石工程量扩大系数和潜坝坝顶及坝肩尼龙网石兜抛投工程量扩大系数，优化其抛投施工工艺，实时实现施工准确定位及有效加固。这些施工主要控制参数的研究可为潜坝加固工程和其他类似工程的施工提供参考。

潜坝加固；分汊河道；施工定位；控制参数

潜坝是指设置在枯水水面以下、具有调整水面比降及限制河底冲刷等功能的河道整治建筑物，目的是防止河床受到过多冲刷或水流宽度增加[1]。近年来，潜坝工程逐渐成为抑制分汊型河道汊道过快发展的重要河势控制工程之一，在长江中下游较为典型的是以潜坝工程为主体的和畅洲左汊口门控制工程[2]。

该潜坝工程所在水域水深流急，随着时间的推移，潜坝及潜坝下游遭到一定程度的冲刷和沉陷，坝体局部降低，潜坝控制分流比的作用有所减弱[3]，为促进和畅洲两汊江岸的进一步开发利用和长江南京以下12.5 m深水航道的建设，对口门潜坝坝体进行维护加固就显得十分必要和非常迫切。但该潜坝工程在一定程度上是带有试验性的工程，缺乏类似工程成果经验，更无可资用的理论公式[4]，给潜坝加固工程的实施带来一定难度。同时，考虑到模型试验的局限性，其模拟成果与实际工程情况仍存在不小的偏差。

综上，如何在潜坝加固过程中进行现场定位，如何准确地控制抛石(尼龙网石兜)、对潜坝表面形成均匀保护以及具体的施工工艺、工序和工程量补偿系数等，均无先例[5]，因此必须通过现场试验探索、总结，取得实践经验和试验数据，以为工程技术设计、工程实施和建设管理提供参考[6]。

1 试验施工方案

1.1 试验段选取

试验选取潜坝断面1+000～1+060作为试验段，其长度为60 m。该段加固工程内容全面，工程量大小合适，该段坝顶黄海高程位于-14～-16 m，坝脚处河床黄海高程位于-17～-20 m，坝脚最大水深约24 m，水流流速相对较大，整体代表性相对较好。

1.2 试验工程内容

试验段坝体防护方案是对上、下游坝坡坡面进行抛护1.2 m厚的块石加固，对坝顶沉陷部分抛填1.2 m厚(宽10 m)的尼龙网石兜、坝顶及坝肩抛护1.2 m厚的尼龙网石兜(宽25 m，其中坝体纵轴线向上游10 m、向下游15 m)加固。试验段上、下游坝坡共需防护面积1 935 m2，合计抛块石2 786.4 m3，坝顶及坝肩需防护尼龙网石兜面积1 500 m2，尼龙网石兜合计3 024 m3(抛石和尼龙网石兜设计工程量扩大系数暂按1.2计算)。

1.3 单元划分及抛投试验次序

该次试验段坝体加固方案将坝坡抛石防护划分为6个单元(A～F)，坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护划分为3个单元(G～I)，单元划分见图1。试验段施工程序为：坝坡抛石防护→坝顶凹陷损坏部分抛尼龙网石兜填补→坝顶及坝肩抛尼龙石网石兜加固。试验段施工顺序为：左岸侧→右岸侧。坝坡抛石防护施工顺序：上游坝坡→下游坝坡，坝脚→坝肩。坝顶及坝肩抛尼龙石网石兜施工顺序：上游→下游。

图1 试验段抛石防护单元划分

2 现场试验过程

本次现场试验时间为2012年4月19日至6月14日，试验过程中合计抛投块石3 930.55 m3，抛投尼龙网石兜3 024 m3。

2.1 4月19日至5月16日测次

期间在上游坝面抛投块石562.4 m3，在下游坝面抛投块石339.4 m3，在坝顶和坝肩防护区抛投尼龙网石兜504 m3。

从试验前后的地形变化图来看，地形抬高较为明显的区域基本位于潜坝工程区，其中坝顶区域地形抬高明显，地形最大抬高值约2 m，且地形抬高区域基本涵盖整个尼龙网石兜抛护区，证明尼龙网石兜抛护相对集中，防护效果较好。上游坝面抛石防护区整个工程区地形均有不同程度抬高，最大淤高值为1.22 m，但块石分布较为分散。由于下游坝面抛石防护区处于参数调整试验阶段，块石体主要集中在B2、C2单元，说明后期需调整落距公式参数。

2.2 5月16～26日测次

期间在坝顶和坝肩防护区抛投尼龙网石兜1 944 m3，在下游坝面抛投块石781.5 m3。

从试验地形变化图来看，坝顶尼龙网石兜抛护区地形有显著抬高，最大抬高值出现在I2和I3的交界处，达到3.17 m。由于流向往右偏，落在右侧区域内的尼龙网石兜比左侧的多一些，从整体效果来看，尼龙网石兜抛投准确性高，且分布较为集中，但靠近上下游坝面的边缘区域存在一定的下滑现象。

在尼龙网石兜抛投之后，进行下游坝面块石抛投。由于试验过程中采用与上游坝面相同的抛石落距公式，同时坝体和抛投的尼龙网石兜造成了抛投落距的大量损失，抛投准确率相对较低，抛投体增量主要集中在下游坝面与坝肩的交界处，同时在施工过程中下游坝面存在冲刷现象，说明下游坝面抛石难度相对较大，必须加大防护强度，同时应考虑适当减小抛石落距，并调整施工顺序。

2.3 5月26日至6月4日测次

期间在坝顶和坝肩防护区边缘抛投尼龙网石兜576 m3，在上游坝面抛护块石1 139.2 m3，在下游坝面抛护块石850.4 m3。

为寻求合适的抛投落距，试验过程根据上一次的测量结果实时调整落距，对上下游坝面区进行了重复抛投，在上游坝面和下游坝面区短期内均观测到较大的增量，一段时间后又呈现不同程度的冲刷。通过在试验过程中不断加大块石抛护量，最终使上下游坝面的石方量在试验阶段呈单向递增之势，但平面分布不均匀的现象依然存在，且工程区之外可见较为明显的块石增量出现。

试验还对防护效果相对较差的位于左边界和上游边界附近的尼龙网石兜防护区进行了补抛，落距调增量均采用5 m。由于之前已经落淤一定数量的尼龙网石兜，加抛留在边界区的概率变小，除靠近上游边界的I1区观测到明显增量外(增量为36.6 m3)，其余单元未观测到明显增量甚至呈现冲刷，可见尼龙网石兜防护区加抛的意义不大。

2.4 6月4～14日测次

期间主要对A1、C1、D2进行了块石补抛，总量为257.8 m3，其中A1为137.7 m3、C1为57.7 m3、D2为62.4 m3。从加抛后的测量地形看，加抛区域方量增加明显，且均位于预定抛石区附近，证明块石加抛效果较为明显，在冲刷较为明显的区域适当加抛十分必要。

各测次潜坝加固试验段抛投增量值平面示意见图2。

图2 潜坝加固试验段抛投增量值平面示意

3 试验结果分析

3.1 尼龙网石兜试验

3.1.1 抛投顺序

按坝顶宽10 m、抛厚1.2 m，填补先进行坝顶凹陷部位的尼龙网石兜，按平均抛厚0.6 m分两次抛投完成，再进行坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护施工，按坝顶宽25 m、抛厚1.2 m抛投，同样按平均抛厚0.6 m分两次抛投完成。

3.1.2 水下分布

尼龙网石兜自2012年5月3日开始施工，至2012年6月2日结束。该次现场抛尼龙网石兜试验段长度为60 m，工程量补偿系数按1.2计算，施工宽度坝顶及坝肩抛护为25 m和坝顶沉陷部分抛填宽度为10 m，坝肩和坝顶抛护厚度分别是1.2 m和2.4 m，抛护总面积为1 500 m2，尼龙网石兜总体积为3 024 m3，总重量为5 140.8 t。设计单个尼龙网石兜面积为：2.0×2.0=4.0 m2，单个尼龙网石兜体积为2.0×2.0×0.6=2.4 m3，单个尼龙网石兜重量约为2.4×1.7=4.08 t。

调整抛投前的抛投距离是为了更准确地将尼龙网石兜抛投到设计的正确位置，在现场试验过程中，根据前一天抛投后的测量结果来调整后一天抛投的抛投距离。2012年5月3日开始第一船尼龙网石兜的施工，抛尼龙网石兜72 m3，当时水位2.29 m，流速1.7 m/s，平均水深17.29 m，根据落距公式L=0.8VH/W1/6计算出平均落距5.9 m进行抛投，施工结束后进行水下测量。测量资料表明，所抛尼龙网石兜落在区域内为43.5 m3，其余基本落在下游区域。5月6日在进行第二船尼龙网石兜的施工时，当天抛尼龙网石兜72 m3，当时水位3.07 m，流速1.83 m/s，平均水深18.5 m，应用落距公式L=0.8VH/W1/6计算出平均落距6.8 m进行抛投，根据第一次的测量资料分析，将网兜落距在计算结果6.8 m的基础上再调整5 m，即按网兜平均落距11.8 m进行抛投施工，结束后进行水下测量。测量资料表明，所抛尼龙网石兜落在区域内为64.3 m3，大部分落在指定的区域。

5月7日在进行第三船尼龙网石兜抛投施工时，当天抛尼龙网石兜72 m3，当时水位3.33 m，流速1.7 m/s，平均水深18.5 m，运用落距公式L=0.8VH/W1/6计算出平均落距6.2 m进行抛投，与上一次的测量资料分析，将网兜落距在计算结果6.2 m的基础上再往上游调整4.8 m，即按网兜平均落距11.0 m进行抛投施工，结束后进行水下测量。测量资料表明，所抛尼龙网石兜落在区域内为68.5 m3，大部分落在指定的区域。试验证明，根据实际水位、流速、风速等变化情况，进行适当微调，抛投效果较好。

试验成果表明，此次尼龙网石兜抛投试验段的调增量基本在4.3～6.0 m范围内，流速越大，考虑的调增量也略大。因此，在流速1.7～2.1 m/s条件下，根据实际测量资料，运用块石落距公式L=0.8VH/W1/6计算后，尼龙网石兜抛投的调增量约5.0 m，基本可保证所抛投的尼龙网石兜落在设计区域。

3.2 水下坝坡抛石试验

3.2.1 潜坝坝坡块石抛投调增量

坝坡抛石抛投自2012年5月3日开始施工，至2012年6月9日结束。该次现场抛块石段长度为60 m，施工宽度坝上游为12～15 m不等，坝下游为15～22 m不等，设计抛石厚度为1.2 m，计算该段需要的块石质量为(现场块石密度按1.7 t/m3计算，抛石工程量补偿系数按1.2计算)：1.7×2 786.4=4 736.88 t，实际抛投了58船，合计吨位数为6 683 t，合计方量数为3 931.2 m3。实际抛块石量与设计抛块石量的比例为6 683÷(4 736.88×1.2)=1.693。

现场试验过程中，根据前一天抛投后的测量结果来调整后一天抛投的调增量。2012年5月3日开始潜坝上游第一次水下坝坡抛石的施工，抛块石145.9 m3，当时水位2.35 m，流速1.38 m/s，平均水深18.3 m，运用落距公式L=0.8VH/W1/6计算出平均落距10.7 m进行抛投，未考虑调增量。结束后水下测量资料表明，块石落在区域内仅为49.6 m3，抛石增厚不明显，根据断面资料块石所覆盖的区域偏下游。5月4日进行了潜坝下游第一次水下坝坡抛石的施工，抛块石200.0 m3，当时水位2.93 m，流速为1.51/s，平均水深18.93 m，运用落距公式L=0.8VH/W1/6计算出平均落距11.9 m进行抛投，未考虑调增量。水下测量资料表明，块石落在区域内仅为102.9 m3，通过总结2d的抛石经验，认为在接下来的坝坡抛石施工过程中，应加强对块石来源的控制，要求含泥量不能太大，块石粒径不能太小。同时根据块石在区域内的分布情况，在运用落距公式L=0.8VH/W1/6计算结果的基础上，上游抛石调增量采用5 m，下游抛石调增量采用3 m。5月6日进行第二次潜坝上游水下坝坡抛石施工，当天抛块石272.9 m3，当时水位3.1 m，流速1.4 m/s，平均水深20.0 m，运用落距公式L=0.8VH/W1/6计算出平均落距11.7 m，根据潜坝上游第一次的测量资料分析，将块石落距在计算结果11.7 m的基础上再往上游调整5 m进行抛投施工。5月16日进行第二次潜坝下游水下坝坡抛石的施工时，当天抛块石139.4 m3，当时水位2.94 m，流速2.22 m/s，平均水深21.45 m，运用落距公式L=0.8VH/W1/6计算出平均落距20.6 m，根据潜坝下游第一次测量资料分析，将块石落距在计算结果20.6 m的基础上再往上游调整3 m进行抛投施工。在接下来的现场试验中根据实际水位、流速、风速等变化情况，按照潜坝上游调整量采用5 m，潜坝下游调增量采用3 m进行适当的微调。

该次现场抛石抛投试验调增量的调整过程表明，抛石落距一般是随着流速的增加而加大，同时还要考虑施工时石头的大小。由于抛石下水位置均在潜坝上游，所以在实施潜坝下游坝坡抛石时还要考虑潜坝坝顶对抛石落距的影响。根据本次试验实测资料，潜坝上游块石抛投的调增量约为5.0 m，潜坝下游块石抛投的调增量约为3.0 m。

3.2.2 水下分布

潜坝上游抛石防护的6个单元(A1～F1)中各断面的增厚率分别是：CS1+000为56.5%、CS1+010为143.2%、CS1+020为127.2%、CS1+030为75.7%、CS1+040为96.4%、CS1+050为109.3%、CS1+060为62.2%；潜坝下游抛石防护的6个单元(A2～F2)中各断面的增厚率分别是：CS1+000为68.2%、CS1+010为198.6%、CS1+020为214.8%、CS1+030为155.9%、CS1+040为117.0%、CS1+050为118.1%、CS1+060为119.6%，平均断面的综合实际增厚率为118.8%。

现场试验外围数据和抛投区数据分析表明，在潜坝上游和潜坝两侧均有不同程度的抛石增厚，而潜坝下游则表现为明显的冲刷，其变化规律体现为：①潜坝上游外围区增加的抛投量体积较明显，实际增厚的量和减小值与坝上游抛投区域内的基本相当；②潜坝下游外围区更靠近上游的区域增加的抛投量体积相对较大，但冲刷均较明显，靠下游的WX2区出现抛投后增量仍为负值的情况；③右侧外围区抛投增量比左侧外围区的大，冲刷量相对较小，说明右侧防护效果比左侧好，这主要是因为横向水流的影响；④抛投区内，坝顶区域内增厚2.27 m，坝肩区域内增厚1.75 m，单位面积冲刷幅度最小，平均冲刷幅度约0.40 m，防护效果相对较好。为了保证加固工程效果，建议在潜坝下游坝脚线处抛投一定数量的块石作为防冲备填石。

4 施工工艺的合理性探讨

4.1 工程量扩大系数的确定

从表1可以看出，扩大系数采用1.2时，断面平均增厚率为72.0%，且各断面实际增厚率难以都达到65%的要求；扩大系数采用1.5时，断面平均增厚率为97.3%，除边界断面CS1+000和CS1+060断面增厚率低于65%外，其余均符合要求；扩大系数采用1.7时，断面平均增厚率为118.8%，边界断面CS1+000和CS1+060断面增厚率有所增加，但仍低于65%，其余断面均符合要求。因此，依据经济实用的原则，建议坝坡块石抛护工程量扩大系数按1.5进行设计和施工，以达到预期的工程效果。

表1 不同抛石倍数断面实际增厚率

4.2 抛投落距的确定

抛投落距是保证水下坝坡抛石抛投到位准确性的重要指标，也是该次现场试验的重要内容之一。块石落距一般采用L=0.8VH/W1/6计算，由于施工河段水流条件和地形的特殊性，抛投位置一般通过现场试验结合上述公式加以确定。在现场试验过程中，根据前一天抛投后的测量结果来调整后一天抛投的落距调增量。经过在不同区域多次调整试验，得出在试验工况下，采用尼龙网石兜抛投的落距调增量约5.0 m，潜坝上游抛石抛投的落距调增量约为5.0 m，潜坝下游抛石抛投的落距调增量约3.0 m，同时要考虑横向流速的影响。但由于试验段的局限性，上述落距调增量带有一定的经验性，可为潜坝其他部位的施工提供参考，但抛投落距调增量的精确确定需要进一步通过施工监测测量加以验证。

4.3 交界区抛投尼龙网石兜的工艺探讨

试验过程中，在尼龙网石兜靠左和靠上游的防护边界区，抛投尼龙网石兜的效果并不理想，通过对试验过程和结果的分析，现提出如下几点施工工艺设想。

(1) 由于施工过程中流向以偏右下为主，抛投位置应根据流向和流速值适当向左上移动，而不是本次试验过程中的正上游方向。

(2) 建议从下游往上游施工，可避免上游床面原有尼龙网石兜对下游抛投尼龙网石兜的不利影响，以提高抛投到位的准确性。

(3) 鉴于试验过程中坝顶及坝肩尼龙网石兜对下游坝面块石抛投准确性有较大影响，建议先进行上、下游坝面的块石抛投，再进行坝顶及坝肩的尼龙网石兜抛投。另外，先进行抛石防护，对坝面有一定的填平作用，为接下来进行的尼龙网石兜抛护创造了有利条件。

5 结 论

(1) 抛投落距问题较为复杂，该次现场试验得到的落距有一定的前提条件，可为潜坝其他部位的施工提供参考。在流速1.7～2.1 m/s条件下，根据实测资料、运用块石落距公式计算后，尼龙网石兜抛投的调增量约为5.0 m，潜坝上游抛石抛投的调增量约为5.0 m，潜坝下游抛石抛投的调增量约为3.0 m。但抛投落距调增量的精确确定有待于施工监测测量加以验证。

(2) 试验过程对工程区域内抛投体平面分布规律进行了研究，结果表明尼龙网石兜比抛石离散度更小，防护效果相对较好；抛石质量轻，且位于相对较陡的斜面上，抛投准确性受水流条件的影响相对较大，对抛投落距的响应更为敏感，且抛投后发生位移的概率相对较大，需适当增大抛投量方能达到工程目的。

(3) 根据不同工程量扩大系数对比试验的测量结果，坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护工程量补偿系数按1.2计算、水下坝坡抛石防护工程量补偿系数按1.5计算时基本能满足工程要求。

(4) 通过现场试验观察了不同绳径尼龙网兜的施工情况，考虑经济实用原则，可采用绳径为14 mm的尼龙网兜在潜坝坝顶及坝肩进行全面抛护加固的过程中使用。

(5) 建议先进行上、下游坝面的块石抛投，自下游往上游施工。

[1] 钱宁，万兆惠．泥沙运动力学[M]．北京：科学出版社，1991．

[2] 林木松，卢金友，张岱峰，等．长江镇扬河段和畅洲汊道演变和治理工程[J]．长江科学院院报，2006，23(5)：10-13．

[3] 林木松，杨光荣．长江中下游干流河道管理规划若干问题探讨[J]．人民长江，2013，44(10)：56-58．

[4] 刘小斌，林木松．长江下游镇扬河段河道演变及整治研究[J]．长江科学院院报，2011，28(11)：1-9．

[5] 刘娟，舒行瑶，韩向东，等．镇扬河段和畅洲汉道二期整治工程[J]．水利水电快报，2002，23(24)：10-12．

[6] 沈之平，乔伟，杨元荣.长江世业洲汊道河势控制工程河工模型试验研究[J]. 水利水电快报，2016,37(10):37-41.

(编辑：唐湘茜)

2017-09-15

国家重点研发计划水资源高效开发利用重点专项课题资助(2017YFC0405306)

黄卫东，男，长江科学院河流研究所，高级工程师，博士研究生.

1006-0081(2017)11-0079-05

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