航电枢纽边坡水毁修复方法研究

程烈 廖柳霞 首佳 四川江源工程咨询有限公司

1.引言

嘉陵江是长江上游左岸的一级支流，发源于陕西省秦岭南麓，流经陕西、甘肃、四川三省。沙溪、金银台、新政、金溪、凤仪航电枢纽分别为嘉陵江16级梯级开发的第3、4、6、7、9级。本文结合枢纽库区运行情况和下游边坡水毁修复方案进行研究，分析了边坡水毁成因机理，总结得出枢纽边坡水毁修复的通用方法及措施。

2.枢纽边坡水毁情况

（1）沙溪航电枢纽右岸尾水边坡。2021年10月5日（以下简称10.5），嘉陵江流域发生特大洪水，沙溪最高洪峰达15960m³/s，超过右岸尾水边坡五年一遇（Q=14700m³/s）设计标准。边坡设计的框格梁+三维生态袋护坡植被尚未生长，抗冲刷能力较低，在超标洪水下，尾水边坡框格梁区域局部损毁，锥坡末端出现局部淘刷。

（2）金银台航电枢纽大坝下游边坡。10.5超标洪水，金银台最高洪峰流量达21200m³/s，接近10年一遇流量，超过下游护坡工程两年一遇洪水（Q=12100m³/s）设计标准。洪水及其上游漂浮物对护坡造成冲刷破坏，同时经历洪水位反复涨落，也加剧了护坡的损毁。

现场情况显示，路基、面板、岸坡填筑料以泥岩风化料为主，遇水后力学参数很低，不利于排水，加上填料碾压不均匀，洪水涨落过程中出现不均匀沉降，局部面板下部断裂，冲刷后造成破坏。随着细粒料流失，面板进一步下沉形成坑洞，在洪水冲刷或快速退水时，面板发生大面积损毁。

（3）新政航电枢纽右岸尾水边坡。10.5超标洪水，新政最大洪峰流量达20500m/s，超过右岸护坡工程两年一遇洪水（Q=12100m/s）设计标准。且因亭子口电站调峰错峰，洪水持续时间长，反复淘刷造成护坡损毁。坡脚基础部分区域洪水后将铅丝笼护脚冲走，坡脚基础向外侧偏移，面板内部淘空，造成面板底部塌陷、损毁。

（4）金溪航电枢纽右岸尾水边坡。10.5超标洪水，金溪最高洪峰达22500m³/s，超过右岸尾水边坡设计标准（Q=14500m³/s）。超标洪水流速大、涌浪大，位于上游端头的喷锚砼区受洪水顶冲局部损毁。老面板局部出现断裂、裂缝、起拱、变形等破坏，面板损毁后，坡体失去保护，堤体砂卵石流失、掏空。同时，枢纽下游河道大量采砂等原因，破坏了河床结构和推移质的天然冲淤平衡状态，超标洪水流速大，两岸边滩砂石加速补给下游低洼区，造成护坡段河床下切，坡脚出露，局部齿墙遭受严重淘刷。

（5）凤仪航电枢纽左岸尾水护坡[5]和库区黄伞坝。由于厂房机组常年发电出水和江陵坝隧洞排水对尾水渠左岸边坡造成冲刷、淘蚀且情况严重，导致左岸尾水护坡出现水毁。黄伞坝堤防损毁主因是发生超标洪水，超过凤仪防护堤工程两年一遇洪水（Q=12100m³/s）设计标准。原设计采用砂卵石均质面板堤，退水时迎水侧面板内外形成水压力差，导致出现变形、破坏，造成退水破坏。黄伞坝堤防经过多年长期运行，部分堤体内部出现不均匀沉降，导致临水侧面板受力不均出现较多微小裂缝。

3.枢纽边坡水毁原因分析

3.1 水毁类型划分

1）边坡河湾凹岸冲刷。河湾中由于弯道环流存在导致凹岸冲刷，边坡固定了河岸，环流充分发展，冲刷深度扩大，沿河边坡坡脚淘空造成边坡坍塌。枢纽下游填方边坡，边坡较陡，同时结合石砌护坡和挡土墙，以减少对河道的压缩和对水流的阻塞，且根据现场地质情况，护坡基础埋深常常达不到设计深度，凹岸水流冲刷淘空基础，造成护坡和挡墙失稳甚至垮塌。

2）超标洪水漫溢坡顶。发生超标洪水时，洪水漫过坡顶，浸水边坡受到水的浮力、侧向压力及冲刷作用，造成全毁或局部水毁，特别是淹后急速退水产生的负压力和冲刷，边坡毁坏更为严重；同时，洪水漫顶造成背侧水土流失，加剧边坡水毁。

3）枢纽尾水冲刷。尾水对边坡基础股流顶冲或斜冲，或股流弯曲逼近边坡，长期冲刷边坡坡脚，造成破坏。尾水流速较天然河道流速大，冲刷能力强，造成边坡水毁。

4）边坡排水不畅。由于边坡年久失修，排水系统不畅，在暴雨或洪水来时，无法正常排水，导致边坡内外水压力差过大而造成水毁。

5）基础埋深不够，缺乏防护加固措施。由于边坡基础埋深不够，或无防护加固措施，常年受到水流淘刷后，导致基础不稳或边坡失稳而水毁。

6）边坡不均匀沉降。回填边坡在施工过程中，存在回填不密实，碾压不均匀等问题，长期运行后发生不均匀沉降。面层底部出现空隙，在外力作用下，坡面砼出现局部损毁，同时洪水冲刷，造成边坡发生水毁。

7）边坡建筑物老化。边坡运行多年后，砼面板等构筑物老化或材料标准过低，导致坡面形成裂缝等问题，洪水过后退水时，反向水压力作用下，面板被洪水翻出带走，从而对边坡造成水毁。

3.2 水毁原因分析

边坡水毁是洪水水流与边坡结构物（坡面、基础等构造物）之间相互作用、相互影响的结果，多发生在汛期洪水来临时。水毁主要特点是坡面和坡脚受水流冲刷、浸泡、淘刷，坡面出现坑洞，基础被冲毁，造成边坡坍塌。

主要成因：

①水流携带的大中型漂浮物在较大流速时，对坡面薄弱区域冲击形成裂隙或者孔洞，裂隙或者孔洞继续发展导致边坡被淘刷，边坡失稳而破坏。

②水流淘刷基础部位泥沙，泥沙因流速过大而被携带，坡面高度和坡度增大，边坡失稳而坍塌，水流持续冲刷坡面导致水毁加剧。坡脚冲刷是造成边坡水毁的主要原因，坡脚保护尤为关键。

冲刷深度计算如下式：

式中：

h－局部冲刷深度（m）；

H－冲刷处水深（m）；

U－近岸垂线平均流速（m/s）；

n－与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4～·/6；

η－水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表1进行采用。

表1 水流流速不均匀系数

当边坡采用块石等大粒径岩石作为防冲护脚时，其保持稳定的抗冲粒径（折算粒径）按文献公式进行计算：

式中：

d——折算粒径（m），按球形折算；

W——石块重量（kN）；

V——水流流速（m/s）；

g——重力加速度（m/s）；

C——石块运动的稳定系数；水平底坡C=1.2，倾斜底坡C=0.9；

γ——石块的容重（kN/m）；

γ——水的容重（kN/m）。

4.枢纽边坡水毁修复方案

边坡水毁主要为边坡的坡面和坡脚受水流冲刷、浸泡，进而坡面出现坑洞，基础被冲毁，甚至边坡坍塌等情况，以下就边坡水毁修复方案进行研究。

4.1 坡面修复方案

1）面板裂缝或局部坑洞修复。对混凝土面板局部连续性裂缝，堤体没有出现明显变形时，采用沥青灌缝方式处理；对于局部小坑洞，面板整体结构强度较高时，清理原面板，对坑洞注浆回填，并恢复原结构。

2）面板小面积水毁修复。面板产生小面积水毁，新增结构进行加固以增加整体边坡强度，考虑结合锚喷方案进行修复。例如金溪右岸尾水边坡原锚喷区域采用锚喷修复。

3）面板大面积水毁修复。面板产生大面积水毁，说明原结构强度不够，对坡面整体进行加固修复，切割破坏边缘，清理原砼块体，填筑砂卵石，整体浇筑混凝土面板进行修复，坡脚抛填原破碎砼块体加强防冲。例如，金银台大坝下游边坡修复、新政右岸尾水边坡修复、金溪右岸尾水边坡修复和凤仪库区黄伞坝面板修复，并在新修面板与底板、横断面老混凝土、防浪墙等新老结合处，采用膨胀橡胶条填充防渗。

4）边坡淘刷修复。边坡淘刷严重，后期恢复原坡面结构时，不易对边坡进行密实而影响边坡的整体结构稳定，堤身采用胶凝砂砾石进行填充，坡面采用富胶凝砂砾石护面。例如，沙溪右岸尾水边坡采用C15富胶凝砂砾石修复；凤仪库区黄伞坝水毁严重段，堤身采用胶凝砂砾石结构，护坡采用C15加浆振捣富胶凝砂砾石和C4胶凝砂砾石填筑。防护堤纵向分缝采用橡胶止水带和沥青木板；胶凝砂砾石与底板及横断面老混凝土止水、新老结合处均设膨胀橡胶条充填防渗，形成完善的防渗体系。

4.2 坡脚修复方案

1）修复方案一（干地施工）。当满足干地施工条件时，护脚修复采用C15富胶凝砂砾石现浇护脚或者大块石护脚。例如，金溪右岸尾水边坡坡脚冲刷严重段，离水域较远，具备现浇场地条件，采用C15富胶凝砂砾石现浇护脚；沙溪右岸尾水边坡上游锥坡末端淘刷区域采用大块石堆填防护。

2）修复方案二（水下抛填）。当施工条件为水下抛填时，护脚修复采用预制胶凝砂砾石四面体护脚，工期紧时可结合砼四面体护脚。例如，金银台大坝下游边坡坡脚防护采用预制胶凝砂砾石四面体；新政右岸尾水边坡坡脚采用浇筑C20砼保护，护脚外侧抛填C15富胶凝砂砾石四面体防冲；金溪右岸尾水边坡坡脚冲刷严重段，离水域较近，河滩地形较陡，位于河床下切明显且受水流淘刷影响较大的凸岸，采用C15富胶凝砂砾石四面体保护，其中挡墙和坡脚齿墙向内淘刷区域，采用现浇回填，再抛填C15富胶凝砂砾石四面体保护；凤仪左岸尾水护坡坡脚，采用机械挖槽，断面呈倒梯形，槽内抛填C15砼正四面体护脚，防止洪水冲蚀保护基础。

5.结论

根据以上边坡修复成功经验，综合考虑经济、可靠性等，对航电枢纽边坡水毁修复方案建议如下：

5.1 坡面修复

坡面修复应根据坡面原防护结构和水毁严重程度进行方案选择。当面板只有少量裂缝时，采用沥青灌缝方式对裂缝进行处理；当面板产生局部坑洞时，先进行注浆回填，再恢复原结构；当面板小面积水毁时，采用锚喷方案进行修复；当面板产生大面积水毁时，整体采用砼面板方案进行修复；当边坡淘刷严重时，采用胶凝砂砾石堤身+富胶凝砂砾石护面方式进行修复处理。

5.2 坡脚修复

施工条件为干地施工时，护脚修复采用C15富胶凝砂砾石现浇或者大块石回填；施工条件为水下抛填时，护脚修复考虑预制胶凝砂砾石四面体，工期紧时可结合砼四面体防护。

大块石护脚因料源地域差异，材料单价不一，具有不确定性；现浇C15富胶凝砂砾石护脚为硬性结构，不能很好适应地基不均匀沉降；砼四面体护脚单价偏高。因此本文推荐坡脚修复方案应优先考虑采用预制胶凝砂砾石四面体护脚。