第二節 防淘墻工程研究現狀

一、防淘墻工程建設的現狀及其特點

防淘墻作為一種防沖設施，在水利水電工程與橋梁工程建設中得到廣泛的應用。很多水利樞紐工程為了防止水流沖刷與回流淘刷，消能防沖設計中都采用了防淘墻方案，在水閘、護岸工程中防淘墻也常作為防沖防淘措施加以應用。如葛洲壩水利樞紐二江泄水閘消能防沖建筑物防沖護固段采用防淘墻，以防止水流淘刷；飛來峽水利樞紐在護坦末端設5m的防淘墻；桑園水電站在下游壩面位置設置了防淘墻；水布埡水利樞紐下游消能防沖方案在溢洪道出口左、右岸設置防淘墻；馬來西亞巴昆水電站下游消能區也采用防淘墻防止岸坡沖刷。

寶珠寺水電站的水工模型試驗表明，電站建成后，發電尾水及汛期泄洪會將下游河床沖刷到454m高程。為了防止這一沖刷，保證岸坡及山體的穩定，在左岸下游設置了防淘墻。防沖墻墻體寬1.40m，軸線長156m，底部高程450m，頂部高程487.5m；在高程450～488.5m墻體內設置寬1.10m鋼筋籠；水下澆筑C25混凝土成墻。

此外，許多水電工程運行多年之后，為了解決水流淘刷問題，設置了防淘墻或防沖墻。如龍羊峽水電站虎山坡治理工程。根據虎山坡不穩定巖體的自身特點，在坡腳設計了防淘墻工程。虎山坡防淘墻位于龍羊峽水電站下游消能區右岸，墻體所在部位巖體比較破碎，長年風化沖刷，該處距電站廠房300～600m，其間分布有F56、F108、A2、F7—6、F7—7等斷層。防沖墻沿右岸河邊布置，墻長150m，深45m，厚3.5m，高程2425m～2465m，墻頂與混凝土護坡底部相接。

又如小江水電站原設計溢流壩下接30m長的鋼筋混凝土護坦，建設中由于種種原因沒有實施，電站運行多年后泄流使壩后基巖嚴重沖刷，危及大壩安全運行，需加固處理，其壩后防淘墻工程是為了保護壩趾混凝土和基巖，在溢流壩鼻坎后水中建造一道鋼筋混凝土連續墻嵌入基巖。

在護岸工程中，防淘墻也是防沖的重要措施之一。如錢塘江河口海塘基礎采用了鋼筋混凝土板樁與小沉井兩種方式的防沖墻。在海寧段魚鱗石塘基礎防沖中主要采用了鋼筋混凝土板樁防沖墻工程。該段海塘斷面呈直立式，原塘腳有護坦及護坦外側打木排樁保護。近些年來，因塘前灘地刷深，木排樁沖失現象時有發生。設計采用在護坦外側施打長10～12m的鋼筋混凝土板樁，樁頂設有聯系梁固定，以形成一道板樁防沖連續墻。由于板樁入土深度大，除了樁身在灘地刷深時能維持自身穩定滿足防沖需要外，還同時藉以板樁阻力起到提高海塘整體圓弧抗滑能力。

在橋梁建設中，為了防止橋墩基礎受淘刷也有采用防淘墻防止回流沖刷的實例。

日本明石海峽大橋架設在神戶市垂水區舞子和淡路島側的淡路町松帆之間，橋長3910m，中跨長1990m，是一座3跨2鉸式加勁鋼桁架懸索橋。該橋IA錨墩是神戶側橋臺，其基礎是世界最大的橋梁下部工程之一，橋臺總高115m，寬85m。錨墩基礎以比較軟弱的神戶層為承重地基，錨墩基礎是明石海峽大橋總體工程的關鍵部位。為了防止IA錨墩基礎受到海水沖刷和滲透，在施工中首先回填海岸近海深水區6.2萬m2作為作業基地，然后用高強度混凝土建造外徑85m，厚2.2m的地下連續墻，該墻起著擋土墻和防沖防滲墻的作用。

孟加拉國中北部米門辛格（M）市的桑布貢公路大橋，該橋跨越老布拉馬普特拉（Old Brahma Pu Tra）河。河流水流方向由西向東，河北岸橋位處于一彎段中，常年受河水主流偏向沖刷，風浪沖擊，河岸坍塌嚴重。橋臺距河岸30m，橋臺錐坡基礎離河岸僅14m，為防止河岸繼續被淘刷北移，危及橋臺及錐坡安全，北岸防護工程在橋臺前，設有一道長105.2m、厚0.8m、深17.8m平面布置為半圓弧形的鋼筋混凝土地下連續墻，作為防淘墻，并在橋臺處墻外設鐵絲石籠護砌。

目前已建防淘墻工程有兩種結構型式。一種為垂直式防淘墻，如水布埡水電站混凝土防淘墻、龍羊峽虎山坡治理工程混凝土防沖墻等。此外，護岸工程作為垂直防沖設施的板樁式防沖墻也屬于垂直式防淘墻的型式。另一種為護坡式防淘墻，如葛洲壩水利樞紐二江泄水閘消能防沖建筑物防沖護固段防淘墻、小江水電站壩后防淘墻、黃龍灘水電站尾水渠右導墻地下防沖墻等。

防淘墻的墻體厚度與深度，因各個工程的具體條件不同而異。目前，世界上工程規模最大的防淘墻是我國的清江水布埡水電站混凝土垂直防淘墻，其左右岸防淘墻總長達853m，最大墻深40m。

目前，水利水電施工技術水平發展迅速，過去受施工技術的限制，有許多問題不能在有限的工期要求內解決，使得防淘墻工程不得不采用工程量大與工期較長的結構型式。如葛洲壩水利樞紐二江泄水閘消能防沖建筑物防沖護固段的防淘墻墻體型式曾研究了垂直式和護坡式兩種，受當時施工技術發展水平的限制，選用了工程量較大的護坡式防淘墻。

水布埡水利樞紐防淘墻選擇了垂直式防淘墻。雖然施工條件艱難，如水文地質環境惡劣，防淘墻墻體處在正常河水位以下，最深處達河水面以下40余米。墻體一側臨江，另一側在滑坡體或陡崖腳下，且坡積物和覆蓋層埋藏較深，巖石部位裂隙發育，墻體終年受地下水包圍，施工平臺又受汛期洪水威脅，環境惡劣。水布埡防淘墻墻體為一深窄形鋼筋混凝土墻，深15～40m，寬僅3～4.5m，長達數百米，并通過三排預應力錨索與大量錨桿與山體緊密結合，開挖洞室斷面小，施工場面狹窄。為保證墻體的整體性，要求分層逐層向上施工，開挖一層，澆筑一層鋼筋混凝土，加上靠山側的錨噴支護與三排預應力錨索施工，多種工序交錯平行。右岸防淘墻R3～R4段內側緊臨電站尾水平臺，最近處僅為4.67m，各部位之間施工干擾大。防淘墻各層開挖時，均存在頂拱巖塊塌落的安全問題。水平洞身開挖長度大，層次多，作業戰線長，持續時間長，又難以機械化施工，支護與開挖存在相應的矛盾：支護過于簡陋，施工安全難以得到保證；支護太強，在上層開挖過程中，會加大開挖及支護拆除的難度，因此如何因地制宜地采用簡易有效的臨時支護，既保證施工安全，又不影響或少影響上層的開挖，是防淘墻工程能否順利進行的重要方面。豎井作為防淘墻工程施工的唯一通道，墻體施工時，施工人員上下、開挖棄渣、鋼筋、混凝土、錨索及施工設備均需通過豎井上下，且風水電管、混凝土泵管、抽排水管路均需在豎井內布置。通過合理布置豎井、井口及井內設施，保證了豎井的安全穩定及起重設施的安全運行，解決了施工安全問題。

由于施工技術水平的飛速發展，施工機械先進，水下混凝土澆筑技術提高和工程經驗的積累，上述這些問題在水布埡鋼筋混凝土垂直防淘墻工程中都得到妥善處理。

現階段采用垂直型式的防淘墻遇到的很多問題在一定工期要求下以20世紀80年代的施工技術與管理水平是不可能妥善解決的。

已建鋼筋混凝土防淘墻工程的共同特點是利用混凝土墻體材料的強度來抵抗水流的沖擊或淘刷，以達到溢流壩消能區防沖護固或保護岸坡不受沖刷的目的。

每個防淘墻工程由于各自地質地形條件、防淘墻的結構型式、工程投資大小、施工時的工期要求，各自具有其自身的特點。

在水利水電工程中，水利樞紐工程溢流壩段下游作為防沖護固段的防淘墻與護岸工程的防淘墻又各自有其自身的特點。

水利樞紐工程的防淘墻由于所處位置泄洪水流速度大，流態復雜，地質地形條件差，防淘墻工程往往具有技術要求高、墻體受力條件復雜、墻體常常有錨桿錨索加固措施、工程量大、對施工工期有較高的要求、施工安全問題突出等特點。

如水布埡樞紐防淘墻就具有非常鮮明的代表性。其設計與施工特點有：①地層平緩、巖性軟弱、地質條件復雜；②水文地質環境惡劣；③受力條件復雜，在溢洪道泄洪過程中，要考慮防淘墻承受的荷載有巖（土）壓力、脈動壓力、地下水壓力等；④施工面狹窄，干擾大；⑤施工安全問題突出。如左岸防淘墻L3～L5段位于大巖淌滑坡范圍，覆蓋層埋藏較深，最深部位達26m，覆蓋層平洞自穩能力差，塌方現象普遍，支護難度大，施工人員的安全得不到保證。高效、優質、安全的穿越覆蓋層是擺在施工面前的一個難題。⑥混凝土澆筑輸送問題。防淘墻混凝土澆筑采取自下而上逐層澆筑的方式，混凝土運輸面臨先自上而下再轉為水平運輸的問題，垂直運輸高度可達15～40m不等，洞內水平運輸距離最大可達10m以上。由于混凝土泵送時垂直落差大，泵管需多次轉彎，因而容易發生管內脫空造成堵管。解決好混凝土運輸中的堵管問題和防止混凝土料的離析，是保證施工進度與混凝土施工質量的關鍵點之一。⑦錨桿錨索施工技術要求高，工作量大。

護岸工程防淘墻（防沖墻或防沖截水墻）所處位置水流速度一般較緩，地質地形情況相對簡單，對混凝土墻體厚度與混凝土強度要求相對較低，設計常常采用板樁式防沖墻。板樁式防沖墻具有結構輕便、施工簡單、造價低廉等特點。其典型代表實例見第四章第四節。

二、防淘墻工程研究現狀

防淘墻工程研究的內容包括設計研究、具體工程采用方案比較研究、建筑材料、施工設備與施工技術研究等。

（一）防淘墻工程設計研究

1.防護方案比較研究

大型水利水電工程中，采用防淘墻或是其他防沖消能護固方案，往往要進行方案對比研究。分析在滿足工期要求的條件下各種方案的可行性與投資比較等。

如烏江渡水電站九級灘尾水渠防護工程，研究了全面防護的鋪蓋工程方案和局部設置護坡式防淘墻方案。兩種方案具體分析研究見第二章第四節。

又如水布埡水利樞紐在設計下游消能區防護型式時，重點對水墊塘方案和防淘墻方案進行了分析研究與綜合比較，分析研究比較的內容包括：

（1）地質條件：水布埡樞紐下游消能區建基巖體為D3x、C2h，巖性軟弱，透水性小，承壓水對兩種方案的結構均有影響，水墊塘方案采用排水措施可形成干地施工條件；防淘墻直立開挖，施工期需采用可靠排水措施，山巖壓力及承壓水對墻體結構有不利影響，兩方案的地質條件相當。

（2）消能效果：水墊塘方案下游沖坑在高程180m以上，防淘墻方案在高程170m以上；水墊塘方案下游水流流態及流速指標好于防淘墻方案。

（3）對邊坡滑坡影響：由于水墊塘方案有穩定的下游水墊，防淘墻方案待沖坑形成后才能形成足夠水墊深度，因此水墊塘方案下游泄洪霧雨強度較低，且水墊塘方案對馬崖高邊坡及大巖淌滑坡的影響小于防淘墻方案。

（4）施工：水墊塘方案工程量較大，開挖高差較大，施工場地狹小，施工程序多，施工布置困難，且存在發電后的度汛風險；防淘墻方案處于地下作業，雖施工環境較差，但可全年施工，施工安排靈活。

（5）檢修條件：水墊塘方案設置有尾坎，水墊塘可以檢修，防淘墻方案沒有檢修條件，需要檢修時，必須在枯水期重修圍堰，工程量較大。因此，從檢修條件來看，水墊塘方案優于防淘墻方案。

（6）工程量：水墊塘方案比防淘墻方案土石方開挖多52.27萬m3，混凝土多14.07萬m3，鋼筋少4194t，水墊塘方案比防淘墻方案工程量大。

綜合比較，兩種方案在技術上均是可行的，但均有一定的難度，護底方案施工工期安排困難，工程量大，而防淘墻方案原型沖坑深度較難把握，對岸坡穩定影響較大，同時施工條件差，工藝較復雜，但施工工期不占直線工期。經綜合比較，確認水布埡工程防淘墻方案優于水墊塘方案，故決定采用防淘墻方案。

2.防淘墻結構型式研究

防淘墻從結構型式上可分為垂直式與護坡式兩種。在采用防淘墻作為消能防沖方案時，往往要對其結構型式與墻體深度進行研究。

葛洲壩水利樞紐二江泄水閘消能防沖建筑物防沖護固段的防淘墻墻體型式研究了垂直式和護坡式兩種。經研究，垂直式工程量雖省，以當時施工的技術水平施工困難，護坡式工程量大，但施工方便。當時從施工進度考慮采用了護坡式（圖1-2-1）。混凝土防淘墻的深度是按水工模型試驗動床沖刷高程和淘腳高程擬定的。右區混凝土防淘墻墻腳置于抗沖能力較高的礫巖上，高程為11～23m，中、左區設在高程14.0m。由于中、左區礫巖埋置很深，因此在中、左區墻腳下打φ850mm的支承樁，樁距7.5m，樁底至0.0m高程或打在礫巖上。混凝土防淘墻厚2～4.0m，底部腳寬4.8m，高4.0m。其墻上設有排水孔。防淘墻開挖坡度為1∶0.5，墻面坡度為1∶0.65。墻頂部還打有φ219mm的鋼筋混凝土拉樁，深15.0m，傾角60°，以保證防淘墻上部的穩定安全。為了保護防淘墻的安全，防淘墻下游槽內澆筑了混凝土六面體，重50.0t以上。防淘墻墻體強度考慮了地應力的影響。

3.有限元分析研究

在防淘墻工程設計中，有些問題需通過有限元計算分析。如水布埡樞紐防淘墻工程在設計研究時采用了有限元分析計算法。

水布埡下游出口河道及兩岸地質條件較差，水流水力學條件不理想，由于泄洪對河床及兩岸的沖刷影響，可能會危及兩岸邊坡的穩定與安全。為此，在下游出口兩岸布置防淘墻，以免泄洪沖刷引起邊坡失穩。水布埡工程應用有限元法對防淘墻有關的問題進行了分析研究，以評價泄洪沖刷對防淘墻附近巖體的影響、防淘墻自身的應力變形狀態以及預應力錨索的加固效果，并對防淘墻按普通單元和梁單元考慮時的計算結果進行了比較。

有限元計算考慮了巖層分布、卸荷帶的分布、馬崖高邊坡開挖形態、泄洪對河床的沖刷及預應力錨索作用。

計算中建立的有限元模型是在地質斷面基礎上進行的，考慮了邊坡的地質條件、開挖形態、防淘墻布置、泄洪對河床沖刷后的河槽形態。通過有限元劃分，單元類型主要為8結點四邊形等參單元，局部根據需要采用了6結點三角形單元。

計算采用基于理想彈塑性本構模型的二維平面應變有限元進行分析，其屈服為Drucker-Prager準則，左右兩個邊及底部邊界均被施以法向約束。計算單位統一采用國際單位，力采用106N，應力采用106N/m2。分別用普通單元和梁單元對防淘墻進行模擬。錨索按集中力考慮。為了區分有無錨索的情況，河槽沖刷后計算工況方案1為無錨索情況，方案2為有錨索情況。

計算荷載考慮了自重、開挖沖刷卸荷及預應力錨索作用。計算分三步進行：第一步僅考慮自重作用，以獲得巖體自重應力場；第二步考慮邊坡開挖；第三步模擬河槽沖刷至高程170m。沖刷前將防淘墻部位相應巖體材料置換成混凝土材料，考慮施加預應力錨索和不施加預應力錨索兩種情況。計算分析的主要對象為防淘墻及附近巖體。根據計算結果整理了相關的應力、位移矢量圖，應力、位移等值線圖、拉應力等值線圖、內力圖以及應力位移特征表。

研究結果表明：

（1）邊坡開挖對巖體應力狀態有利；泄洪沖刷后，防淘墻附近的巖體拉應力有所增大，防淘墻產生一定傾斜；考慮預應力錨索后，防淘墻附近巖體拉應力和水平位移有所減小。

（2）防淘墻及附近巖體拉應力較小，泄洪沖刷后，在高程170m附近產生壓應力集中，即該處可能局部會出現壓剪破損區，施加預應力錨索可減小局部破損區。

（3）采用普通單元和梁單元對防淘墻進行計算，巖體計算成果差別很小，對防淘墻計算成果有影響。

（二）建筑材料研究

防淘墻由鋼筋混凝土構成，研究防淘墻的建筑材料對于加快防淘墻的施工進度，降低工程成本，減少環境污染具有現實意義。

如水布埡左岸混凝土防淘墻考慮到所澆混凝土為泵送混凝土，且沒有摻加粉煤灰，為了保證混凝土的和易性、坍落度及防止坍落度損失過快的要求，特別是抑制夏季高溫季節坍落度的損失過快，從而滿足混凝土施工和易性及可泵性的要求，故在混凝土中摻用了高效緩凝減水劑或泵送劑。配合比試驗研究和實際施工中采用了北京冶建特種材料公司生產的JG-3高效緩凝減水劑，同時為了滿足混凝土的抗凍性能的要求，在混凝土中摻用了石家莊市長安育才建材有限公司生產的引氣劑GK-9A。

研究新型的建筑材料是加快防淘墻施工進度一種趨勢。如土壤固化劑是一種用于固化土壤（砂、黏土和淤泥）的新材料，可分為水泥型和離子型2種材料。在護岸工程防沖墻中可采用水泥型土壤固化劑代替混凝土中的全部水泥。

如永定河防洪工程的6個險工段防沖墻選擇土壤固化劑作開發和應用目標，并獲得成功。永定河防沖墻設計深度6m，開挖深度9～13m，墻體厚度2.4m，28d強度C10。永定河土壤固化劑混凝土防沖墻標準斷面如圖1-2-2所示。

永定河防沖墻施工中共使用了4000t土壤固化劑，取樣結果，其平均抗壓強度＞18MPa（設計為C10），保證率達到95%以上，完全滿足設計要求。

實踐證明，由于土壤固化劑保水力強，不會使水下混凝土離析，在防沖墻施工中，用土壤固化劑替代水泥，可省去攪拌混凝土用的稠泥漿及其生產設備，把過去的“濕拌”改為“干拌”，土壤固化劑防沖墻的施工工序與普通的地下防沖墻是相近的。由于它不使用黏土，所以混凝土的攪拌工作可以大大簡化，大大方便了施工。若不采用土壤固化劑，1998年施工的4段防沖墻不可能達到300m2/d的施工速度。室內外試驗研究和永定河防沖墻的施工實踐，說明土壤固化劑是完全可以用于江河堤防護岸工程的河道防沖墻，它可以節省黏土資源，利用三廢材料（粉煤灰、高爐礦渣等），加快施工進度，創造良好的社會經濟效益。

（三）防淘墻工程施工研究

防淘墻工程施工研究包括施工方案、施工設備的研究。

1.施工方案研究

防淘墻工程的施工方案研究要考慮的因素包括水文條件、地質地形條件以及防淘墻的結構型式、投資與工期因素等。

防淘墻施工方式大致分為兩種：一種為類似防滲墻的施工方式，即傳統的施工方式，其施工作業程序大致與防滲墻相同；另一種為豎井法，即墻體開挖與混凝土澆筑均通過豎井進行施工，水布埡防淘墻施工就采用了這種施工方式。

水布埡樞紐防淘墻工程是目前國內外水電工程中規模最大、地質條件最為復雜、施工難度最大的防淘墻工程。在確定防淘墻施工方案時，結合防淘墻結構型式、加固支護方式以及工期要求等，綜合研究各種可能的施工方案，進行了細致的比選，經過大量分析研究，提出了灌注壁式地下連續墻法、搭接式機械成孔排樁墻法、支洞開挖分層鉆爆逆作法和豎井開挖分層鉆爆逆作法4種比較成熟的方案。

通過大量研究和多次討論得出結論，水布埡防淘墻的施工方案并不是唯一的，上述4種施工方案都可行，在不同的評價指標上各有優缺點，通過定性結合定量分析，確定豎井開挖分層鉆爆逆作法為優選方案。水布埡防淘墻由于成功采用了分層鉆爆法施工，較好地解決了防淘墻墻體施工問題，不僅使墻體結構能滿足設計要求，而且保證了施工工期按期完成。水布埡防淘墻墻體開挖與混凝土澆筑均通過豎井進行，這種施工方式對防淘墻施工方案是一中創新，值得在類似工程中推廣采用。

2.施工設備的研究

水利樞紐下游防淘墻施工設備與地下連續墻施工設備基本相同，其研究情況見有關參考文獻資料。

護岸工程板樁防沖墻施工設備主要為樁機，樁機形式包括排架式、滾移式和多功能樁機三種形式。為了解決錢塘江明清海塘防沖問題，我國在“八五”與“九五”期間對施工機械進行了專門的研究。根據錢塘江每天潮漲潮落的特點，研究出了相適應的打樁機械——D180型柴油多功能打樁機（見圖1-2-3）。該機具有操作簡便、吊樁定位速度快、行走靈活、工效高等特點，利用滑移式導向架和折疊液壓支撐，以及360機械回轉既保證了樁機的穩定性，又可快速避潮。