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黄河控导工程根石走失成因、特点及防范措施

来源:学术堂 作者:姚老师
发布于:2015-04-11 共2254字
摘要

  1.概述

  近几年来,在黄河中小洪水情况下,控导工程经常发生根石走失、坦石坍塌,威胁控导工程的安全。 控导工程一般按防御 4000-5000m3/s流量设计的,而 2000-3000m3/s 流量下就频频出现险情 。 很重要得原因是根石走失造成的,那么是什么原因造成了根石走失那,只有能清根石走的原因,才能采取相应的加固措施,才能确保控导工程安全。

  2.根石走失的原因

  2.1 坝体基础薄弱 黄河控导根石基础与险工相比相差很大 ,其主要表现在:险工大部分是在为保护大堤历经数年的不断大量抛石加固,不断在汛期抢险而形成的现有基础,历经时间和洪水的考验,已相对稳定。 而控导工程则是为了控制河势流向、保护滩地而一次建设或二次改建形成的基础,平时抛石加固几率少,加之在新建工程时没有根石基础,在改建时,把原有的根石基础埋在坝基下,往外从新抛投根石。 即使过去已经稳定的根石,也会长期遇水而新坍塌出险。

  2.2 工程布局的不适应中小洪水 工程布局不适应中小洪水流线,坝档过大造成上游坝掩护不了下游坝根部位而形成回溜,甚至出现主溜大溜顶冲坝挡,甚至窝水兜溜,加剧根石走失,冲刷坝尾出现大险。还有个别坝位突出,形成独坝抗大溜,造成水流翻花,淘根刷底,坝前流速增大,水流冲击力超过根石起动流速,被大溜冲走块石,造成根石走失,出现大险。

  2.3 抛石尺寸偏小 根石加固采用的石料体积和重量不足 , 目前的根石重量多在 15—75kg 之间,当坝前的流速大于根石起动流速时,就会使根石走失。

  2.4 工程断面不尽合理 散抛石大部分堆积在根石上部 , 形成上宽下窄,头重脚轻的现象,这种情况对坝体稳定极为不利,很容易出现根石走失;根石外坡凹凸不平,外坡不平会造成水流浪花淘刷,增大水流冲刷力度,促使河底淘刷,影响根石稳定;部分坝岸护坡坡度过陡,护坡坡度越陡水流的冲刷作用越强,冲刷坑越深,造成根石走失越严重。

  2.5 来水来沙的影响 在坝岸的上下游主溜与回溜的交界面附近,因流速的不连续或流速梯度的急剧变化,产生一系列漩涡,回溜周边流速较大,在丁坝上下跨角部位冲刷。由于黄河是多泥沙河流,高含沙水流其流变特性发生了变化,二相流变成均质流。 当水流深度增大时,河床会变得容易起动,造成高滩深槽,部分河段主槽缩窄,单宽流量加大,水流集中冲刷力增强,坝前冲刷坑就比较深。冲刷坑的形成是造成根石走失的重要原因;弯道环流使得凹岸冲刷较重,凸岸淤积,水流因受离心力作用,对工程冲刷力加强,促进根石走失。

  3.控导根石走失部位及方向

  关于丁坝根石走失部位研究的比较多,主要是长期受水流冲刷的迎水面至坝头的根石容易走失,而背水面的根石走失量较小。

  关于丁坝根石走失的去向,有关研究指出主要有三。 一是在折冲水流的作用下沿坝面向冲刷坑底滚动。 这部分块石一般块体较大,使坝根基加深加厚,下部坡度变缓,仍属坝体根石的组成部分,有利于坝体稳定;二是沿丁坝挑流方向顺流而下。这部分块石一般较小;三是沿回流所刷深槽分布,且在走失量和体积上沿程递减。

  而控导工程没有丁坝长, 但根石走失的部位及方向也应基本一致。控导根石走失的部位与来溜方向,布局均有一定关系,根据控导工程探摸根石资料和历年出险统计,根石走失部位主要是上跨角和坝前头,其次是坝迎水面和下跨角及回溜区。 因为坝的上跨角和坝前头受水深溜急大溜冲刷的机遇多,着溜重,冲刷深。此部位根石易被水流冲掀而走,有的落于冲刷坑内,有的被急溜携带顺水而下,脱离坝根失去作用。迎水面,下跨角和回溜区的根石多是塌落的冲刷坑内,远离坝根的极少。

  4.防止根石走失的方法

  4.1 因险而宜 合理抢护防止根石走失的方法,在实际抢险中常用抛铅丝笼压护,铅丝网护,枕护,大块石抛根等方法都有不同程度的作用。枯水位以下经常没入水中的根石无法扣砌,可抛铅丝笼压盖铅丝网,铅丝网包面,柳石枕围根等。 其中铅线笼压护较好,但是,要把现有坝体根石普遍压护,短期内是不可能的,应在主要坝或迎溜吃重部位上重点进行。 柳石枕护适用于围护基脚,用以护坡防冲不够稳重而久,用铅丝网压盖根石虽然用料投资较节省,但网上容易挂草拥水,不够安全,铅丝网包石也有用料多投资大,遇有垫动还易于破网漏石降低效果。 以上方法各有优缺点,如果单项使用不尽适宜时,可根据坝体受溜轻重不同的部位混合使用,如坝下跨角后背水面回溜部位使用大块石护根,上跨角及坝前头迎水面抛连环笼,阻止根石走失,减缓水流上回下冲的能力。以上方法,限于用在根石达到适当深度,基本不再下垫的坝埽上。新修和根石基础较浅的丁坝不易适用。

  4.2 加强管理,科学抢险 为争取防守主动 ,各控导工程要加强日常维修、维护,及时探摸根石,适时予以补充。从掌握的资料分析,根石断面形态多为上陡,下部较缓,中间凹,即断面中间部分坡度最陡,缺失根石严重部位位于中常水位以下 3-4m 处。 加固根石应注意以下几点:首先,应根据缺石部位,采取不同的补根方法。 对于老工程应首先稳脚补坡。 围护根石底部,应用铅丝笼镇脚,补坡抛根时用大块石,按先远后近,先深后浅,先上游后下游的顺序进行。其次,应抛石到位。在抛石过程中要边抛边探摸,一次到位。 最后,在枯水季节,对水上根石部分要全面进行整修,清理浮石,粗排整平。

  4.3 努力增大块石重量 根石走失与水流流速 、水深、块石粒径及断面形态等有关。 根据有关计算公式得出,块石启动的临界块石重量应在 150kg 左右,也就是只有大于此粒径的单个块石方能在大溜顶冲时不被冲动。 而黄河下游的块石重量一般为 15—75kg。 显然小于此值。 因此,应加大块石的重量,或将小块石粘界结成大块石,以提高抗冲能力,提高坝的稳定性。

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