水下自护式混凝土在险工险段堤防工程中的应用与探索

张鹏雄，龙 艺，陈 昊

(1.叙永县水务局，四川 叙永，646400；2. 四川水利职业技术学院，四川 崇州，611230；3.四川省水利科学研究院，成都，610072)

引言

堤防工程的安全除了受本身施工质量的影响，还存在着诸多外部因素的制约，其中最为突出和致命的就是受长时间水流冲刷或者汛期短时洪水掏空堤脚，造成基础悬空、面板拉裂，严重的会出现溃堤。一旦堤防出现溃堤，将给沿岸城镇带来不可估量的损失，严重威胁人民生命财产安全和制约社会经济发展。众所周知的“98特大洪水”九江大堤决口，所造成的影响时至今日仍历历在目。青衣江夹江县是四川省重点防洪风险监控点，近几年几乎每年都要投入巨大的防汛抢险资金对堤防进行安全防控。本文主要结合青衣江夹江县中心至康中堤防工程实例，对顶冲段采用水下自护式混凝土彻底解决堤脚的冲刷问题进行研究。

1 工程概况

青衣江又名雅河，系岷江右岸的二级支流。上游由宝兴河，天全河及荥经河三河汇集。青衣江流域水系发达，支流众多，500km2以上的较大支流有7条，分布于流域的中上游，河系呈树枝状分布，有利于洪水的汇集。青衣江河长284km，流域面积13744km2，平均比降12.9‰，是四川省一条重要河流，亦是一条多灾多难的河流，历史上，青衣江下游干流乐山段，洪涝灾害频繁。

青衣江夹江县中心至康中堤防工程河段位于青衣江下游，拟建工程位于毛滩电站下游约6km的中心至康中堤防段左岸，上起毛滩电站尾水渠末端(中心村吴沟出口)，下至马村河口，水面宽在480m～550m之间。原有堤防修建于上世纪70年代，修建标准低，加之多年运行和河床演变，致使工程老化破损严重，河床下切，堤脚冲刷，特别是顶冲段虽采取了抛填四面体等工程措施，仍无法彻底解决基础淘刷问题，成了老大难的险工险段。每年因抢险救灾投入大量的人力、物力，严重制约了当地社会经济的发展。

2 工程区地质条件

工区位于四川盆地龙泉山以西，总体地势南西高，北东低，属侵蚀堆积和构造剥蚀地貌类型。工程区地形地势平坦开阔，所属青衣江河段略微弯曲，河道宽缓，总体流向由西向东，漫滩、心滩及阶地发育。河谷地面高程377～390m，由上游到下游高程逐渐降低。

工程区发育地层主要为白垩系灌口组(K2g)：泥岩、粉沙质泥岩和第四系松散堆积物，由老至新分述如下：

灌口组(K2g)：棕红色泥岩、粉沙质泥岩，厚423m～1040m。主要分布于第四系堆积层之下伏，局部地表出露。

第四系全新统冲洪积堆积(Q4al+pl)：为卵砾石夹砂，主要分布于河床、阶地，勘探未揭穿该层，多呈褐灰色、灰白色，其密实度随埋深增大而逐渐增加。漂卵砾石磨圆度较好，多呈亚圆形～圆形状，漂石一般20cm～60cm，含量约占10%；卵石6cm～20cm，含量约占40%；砾石0.2cm～6cm，含量约占32%；其余为砂及粘粒。漂卵石层成分多为花岗岩、灰岩、少量砂岩等。根据N120超重型动力触探测试成果，该层上部松散，中部稍密，下部中密～密实。

松散卵砾石夹砂：该层厚度0.9m～2.3m，根据N120超重型动力触探测试成果，平均锤击数(修正后)N=2.2击/10cm。

稍密卵砾石夹砂：该层厚度1.4m～2.0m，根据N120超重型动力触探测试成果，平均锤击数(修正后)N=4.1击/10cm。

中密～密实卵砾石夹砂：本次勘探未揭穿该层，根据N120超重型动力触探测试成果，平均锤击数(修正后)N=8.2～11.5击/10cm。

第四系人工堆积(Q4s)：分为两种。第一种为采砂之后废弃堆积在堤坡表面或堤脚部位，结构松散，承载力低；第二种为砂卵砾石填筑形成的堤防，沿青衣江呈条带状分布，厚度一般为5m～15m，临河侧堤脚受雨水冲刷，表层掏空、架空现象明显，结构较松散。

根据地勘岩土室内试验和N120动力触探测试成果并进行工程地质条件类比，提出土体物理力学指标建议值见表1。

表1 土体物理力学指标建议值

3 顶冲段基础处理方案比较

3.1 常规处理方案

基础采用高压旋喷水泥桩，桩基置于冲刷深度以下的砂卵石层，马道以下抛填四面体。高压旋喷水泥桩基础处理形式见图1。

图1 高压旋喷水泥桩基础

3.2 水下自护式混凝土处理方案

马道下部先抛填大卵石护底，卵石粒径10cm～30cm，然后对护底卵石采用C20水下自护混凝土胶凝形成整体，防止河道冲刷下切，影响岸坡稳定，最后采用C20混凝土四面体护脚，加固岸坡稳定。水下自护式混凝土基础处理形式见图2。

图2 水下自护式混凝土基础

3.3 优缺点比较

两种施工方法都可以解决水下施工问题，但高压旋喷桩的施工工艺比自护式混凝土复杂，且无法解决桩基之间的淘刷问题，同时桩外抛填四面体的措施无法确保四面体基础埋深的问题，随着基础的淘刷，时间一久，仍会出现四面体位移冲毁危及堤身安全的问题。而水下自护式混凝土很好地解决了四面的基础稳定，同时可以充填四面体之间的空隙，很好地保护了堤身的安全。作为一种新型的水下施工技术，水下自护式混凝土技术当前存在造价较传统混凝土偏高的问题，每立方米增加投资1/3～2/3。但作为一种永久性工程措施，该技术的长期效益明显高于常规技术方案。

4 水下自护式混凝土简析

所谓水下自护式混凝土，是指通过掺入占水泥重量一定比例的特殊混凝土外加剂，与水泥、水、集料按一定制造方法搅拌而成的混凝土。此特殊混凝土外加剂能使混凝土在水上、水下都具有很好的易流性、抗离析性，在低流速(小于4m/s)水中几乎不离析。因此，在水下可以靠自重流淌到所要浇筑的每一个空间，密实度强，不污染水体且混凝土的性能可以通过外加剂的调试达到所需要求，整体性能优于传统混凝土。

水下自护技术原理：高分子水下保护剂，溶于水后形成空间柔性网络，抑制新拌混凝土的分散，从而实现清澈浇筑。

图3 水下自密实材料浇筑示意

施工中无需振捣、无需碾压、无需温控、可不设结构缝，较传统混凝土在水中施工具有明显的优势。实际性能见表2。

表2 水下自护式混凝土性能

该技术目前已成功应用在道路应急修复、海岸堆石护坡水下胶结、高水头溶腔裂隙封堵、超大地下暗河封堵、大坝防渗墙和基础水下浇筑、桥墩水下封堵等。四川省部分病险水库加固也有成功运用的经验，但在四川省内的堤防工程中尚未有成功运用实例。

5 结语

水下自护式混凝土的出现，不仅是混凝土外加剂出现了一种新的品种，而是它赋予了混凝土良好的粘稠性、流动性、不离析性，把水下混凝土施工提高到一个更高的水平。对于堤防工程而言，往往受汛期影响，只能在枯期抢抓基础，遇到高透水性的地质条件，还需增加强排水措施，往往会强行涉水浇筑，施工质量难以保障。该技术很好地解决了水下施工的诸多难点，且不污染水体，此次在青衣江夹江县中心至康中堤防工程中的应用必将开启四川省堤防工程建设的新征程，待工程完成经历汛期考验后可以作为一种新理念进行大力推广。