第二章 防淘墻設計

第一節 防淘墻設計需考慮的因素

泄水建筑物的下泄水流具有很大的能量，常導致下游河床的沖刷，甚至影響建筑物的安全。下泄水流的巨大能量主要耗損于兩個方面：①水流內部的摩阻作用，如摩擦、沖擊、紊動、旋渦等；②水流與固體與邊界的相互作用，如撞擊、沖刷等。當沖刷發展到壩基礎時，就會危及泄水建筑物或壩體安全。國內外壩工實踐中，由于下游消能措施不當遭受沖刷的例子很多。例如西班牙的里拜約壩最大沖坑深度達70m，沖走巖石的總體積達100萬m3；美國的威爾遜溢流壩沖走的最大巖塊重達200t，等等。對于泄水建筑物的下泄水流必須采取有效的消能與防沖措施，以減輕對下游河床的沖刷，確保建筑物的安全。

對于水利水電工程中的溢流壩、溢洪道、水閘等泄水建筑物來說，防淘墻設計必須根據建筑物下游的消能方式、泄洪沖刷范圍、工程地質條件和水文地質條件進行準確的計算后，才能確定。必要時，還要進行水工模型試驗。

對于護岸工程基礎防淘墻設計時，需根據該地區的河勢、水流形態、岸邊流速及護岸工程的地質條件與水文地質條件等來考慮，并通過準確的計算來確定。

防淘墻設計需考慮的因素主要包括：消能防沖或過流區的工程地質條件、水文條件，以及施工條件等因素。

一、交通及施工布置條件

防淘墻設計時，除了應考慮工程地質和水文條件等，還需考慮工程施工過程中的交通便利條件，即工程條件與自然條件。

（一）施工交通布置原則

根據招、投標文件、圖紙及現場實際情況，在業主指定的范圍內布置本工程所需的臨建設施。布置時，充分利用場內、外交通、施工場地等施工條件，遵循有利生產、安全可靠、經濟合理的原則。

（二）交通布置條件

施工交通包括對外交通和場內交通。對外交通是聯系施工工地與國家公路或地方公路、水運港口及航空港之間的交通，一般應充分利用國家或地方現有設施，選擇較短的改建、新建里程，以減少對外交通工程量；場內交通是聯系施工工地內部各工區、料場、堆料場及各生產、生活區之間的交通，一般應與對外交通銜接。

交通布置條件應根據當地的對外交通與場內交通的具體情況來考慮。

（三）施工布置條件

在進行防淘墻施工設計時，應考慮：

（1）對外交通進入施工場地的條件；

（2）場地內部主要交通線路的建筑和營運程度、貨流的順暢程度，及修建線路的技術條件；

（3）場內交通線路的技術指標（彎道、坡度、交叉等）；

（4）施工的給水、供電條件；

（5）施工占地條件與占地面積；

在防淘墻施工設計時，除了以上應考慮的各種條件外，還應根據現場情況，因地制宜，具體情況，具體處理。如黃龍灘電站尾水渠右導墻地下防淘墻施工時，因三面環水，一面為壩坡，場地十分狹小，施工設備與材料運送極為困難。為解決交通運輸問題，決定在尾水渠出口處的左側建一簡易碼頭，采用一對直徑為1m，長6m的雙體鐵皮浮桶作浮動工具，將設備、材料等裝在浮筒上由尾水渠漂流而下，繞過尾水急流，人工拉著系在浮筒上的尼龍繩，運至導墻的右側，因而解決了運輸困難。

二、工程地質條件

（一）地質條件

水電站泄洪消能區的環境地質條件是一個很重要的因素，對工程影響很大。根據《溢洪道設計規范SL253-2000》的規定：當消能設施出口區地質條件較差時，可根據消能形式設置防淘墻等消能防護設施。

彭水水電站水電站位于烏江干流下游，壩址位于長溪河至萬足場之間碳酸鹽巖同人河段中，兩岸灰巖、頁巖相間分布，灰巖段突出形成山脊，頁巖段形成凹槽或沖溝，期間堆積零星大塊石。壩下游存在壩址區最大的斷裂構造f1斷層，其破碎帶寬7～15m，橫穿河谷。根據現場客觀條件，在可行性研究階段經過比較，推薦下游消能區采用護岸不護底方案，下游河床擴挖底部高程為200m，兩岸護坡頂高程270m，兩岸護坡坡腳設防沖齒墻。

壩址位于清江一“S”型河段的中部，中間直線段長約800m，上下游河流均為東西向，上游兩岸無天然地形埡口。左岸三友坪臺地地形相對平坦，地表高程400～450m。消能區地層為寫經寺組頁巖，抗沖能力差，其左岸有大巖淌滑坡（體積580萬m3），右岸有馬崖高陡邊坡（坡高350余m）和馬巖灣滑坡（體積180萬m3）等不利的環境地質條件。清江枯水位一般為197. 0m，水面寬60～80m，水深1.2～4.0m。河床覆蓋層厚7～12m。設計對水墊塘與防淘墻方案進行了比較，由于消能區建基巖體為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。

（二）巖石地質條件對沖刷的影響

為了滿足水利工程消能防沖的需要，可在消能區設置各種消能防沖設施，其中之一是防淘墻。當工程地質條件十分復雜時，要想修建防淘墻是非常困難的，因此，無論是從設計還是從施工方面來考慮，研究防淘墻工程的地質條件是非常重要的，這是確保工程順利進行的前提和先決條件。

國內外不少工程實例說明，泄水建筑物下游受到回流的沖刷后，形成沖刷坑。其位置、大小和形態與受沖范圍的巖基地質條件（主要是完整性和產狀）密切相關。沖刷破壞總是從斷層破碎帶，節理、裂隙、軟弱夾層等薄弱部位開始的，以后沿著這些薄弱環節繼續發展，沖坑最深點也往往在受沖范圍的薄弱部位處，甚至對岸坡的沖刷也如此，而受沖范圍內周邊的巖基薄弱部位則往往形成沖刷坑的邊緣。

然而根據沖刷時間較長的雙牌、水府廟、上猶江、修文等溢流壩的原型資料來看，隨著沖刷的發展，沖刷坑有在平面上逐漸與溢流壩平行、在縱剖面上各孔漸趨一致的趨勢。再如豐滿溢流壩1953年全壩溢流，9#～12#壩段的泄流時間大致相同（205～231h），12#～13#壩段下游沖深12.5m，7#～10#壩段下游沖深僅5m。但以后繼續溢流，前者運行1522h，沖刷坑無發展，后者運行816小時，沖深也達13m，基本趨于一致。這就意味著一定的水流條件總是需要一定的消能水體（深度與體積）以滿足消能要求。

烏江渡水電站位于烏江干流中游狹谷中，由于右泄洪洞出口下游有一條扭曲破碎帶并延伸至左岸，經泄洪的影響，使破碎帶受沖刷，左岸邊坡形成耳狀沖坑。運行508d，歷時11790h，造成右岸坡腳被淘刷，沖坑最深達14m，1982年5月右泄洪洞投入運行以后，右岸淘刷寬度達到40～60m，崩坍區邊坡高度達40m，崩巖厚度達10～20m，崩坍后的邊坡坡度達80°以上。

三、水文與氣象條件

（一）水文條件

水文條件對施工有較大的影響，在進行施工設計時，要考慮當地的水文條件。防淘墻設計前，應充分了解該工程所在地的河流的主汛期與枯水期，同時還要了解該壩區枯水期的水位及通常水位，洪水期是否具有陡漲陡落的特性。

（二）水位與流量因素

防淘墻設計時除了要考慮工程地質條件、洪水等組合因素外，還要考慮上下游水位、流量等因素。由于在進行泄水建筑物的泄洪消能設計時，經常會遇到設計條件十分惡劣的情況，特別是在泄水閘的下游常為抗沖能力很差的土質河床，故仍需采取經濟合理的措施，消除閘下水流所產生的淘刷影響，同時在一定范圍內對水工建筑物加以適當保護，防止沖刷給大壩造成的不安全隱患。因此，在不同下游水位情況下的消能防沖設計時，要考慮不同的水位與流量。

我國早期興建的工程均由樞紐主體工程的設計洪水標準確定的泄洪流量，用于消能防沖的設計洪水標準。但實際上，泄洪流量的大小涉及大壩等主體工程的安全，而消能防沖的設計流量的大小則不一定涉及大壩等主體工程的安全，因而后者可以適當降低。

不少設計、運行經驗還說明，消能防沖的最不利工況不一定是流量最大的情況，有時甚至是開始泄洪時的流量很小、尾水很低的情況。例如，西津水電站設計洪水為100年一遇的23100m3/s，校核洪水為1000年一遇31400m3/s。自1961年4月開始運行，至1986年的25年中，年年過水，其中大部分年份的泄量為7000～9000m3/s，少數年份泄量超過10000m3/s。1974年發生一次較大洪水，最大泄量13500m3/s，相當于5年一遇的洪水。該工程運行經驗表明，當渲泄流量為8000m3/s時，下游流態最為惡劣，波浪在岸坡爬高達2m以上，沖刷也最嚴重，超過此流量后，流態反見改善。這就說明了另一個值得重視的問題，即對于防淘墻工程設計，不僅要適當選擇設計洪水，還要考慮當地實際洪水流態能否滿足設計要求。

四、工程造價要求

（一）工程造價的基本要求

設計階段是控制建設工程投資的重要階段，設計階段造價的控制體現了事前控制的思想，是投資控制的關鍵環節，對工程造價的影響可達75%以上，設計質量直接影響工程造價和建設工期，直接決定施工成本的投入。

防淘墻設計時，因該項目還處在未實施階段，無論是調整，還是改動都相對容易些，而施工階段改起來就比較麻煩了，為了避免施工階段的修改，減少因設計原因造成工程造價的增加，因此，應將設計做細、做深入。因為一旦設計階段造價失控，就必將給施工階段的造價控制帶來很大的負面影響。

防淘墻的工程造價可分為4個階段來考慮：①方案階段，此時應根據方案（包括結構型式）圖紙和說明書，作出詳細的建設造價估算書。②設計階段，此時就根據初步設計圖紙和說明書及概算定額，編制初步設計總概算。③技術設計，此時應根據技術設計圖紙和說明書及概算定額編制初步設計修正總概算。④施工圖設計階段，此時應根據施工圖紙和說明書及概算定額編制施工圖預算。

防淘墻設計是將防淘墻建設項目由計劃變為現實的具有決定意義的工作階段，防淘墻設計文件是防淘墻施工的依據。防淘墻工程建設的進度、質量控制及資金投入多少，在很大程度上取決于設計質量的優劣。控制好工程造價主要控制好兩個方面：即工程量與工程綜合單價。

防淘墻工程造價應按國家有關標準進行。

（二）設計優化對工程造價的影響

對工程造價的有效控制，就是在優化設計方案的基礎上，在建設程序的各個階段，采用一定的方法和措施把工程造價控制在合理的范圍和核定的造價限額以內。而設計階段是整個造價控制的靈魂，它對工程造價起著決定性作用。在做出項目決策階段后，設計階段（即設計質量）對整個工程建設的效益是至關重要的，其中優化設計是整個設計階段造價控制的核心。

本著“安全可靠、經濟合理和運行維護方便”的消能防沖設計原則，針對各項水利工程的具體條件，進行優化設計，因地制宜地選擇各項水利工程下游消能防沖方案，對妥善解決下游河道沖刷問題、降低工程造價等具有重要意義。

水利工程建設過程包括項目決策、項目設計和項目實施三大階段，投資控制的關鍵在于項目決策和項目設計階段。據研究分析，設計費一般只相當于建設工程全壽命費用的1%以下，但正是這少于1%的費用對投資的影響卻高達75%以上，在滿足同樣功能的條件下，技術經濟合理的設計，可降低工程造價5%～10%，甚至可達10%～20%。

彭水水電站下游防沖墻研究成果表明，采用優化后的消能方案，可減輕壩下游兩側坡腳的沖刷深度約10m，考慮到壩下基巖抗沖流速對沖刷深度影響顯著，而且模型采用的散粒體材料對試驗結果也有一定的影響。因此，鑒于模型試驗的局限性，其試驗成果與原型可能存在一定差異，設計應留有適當的余地，僅將兩岸防沖齒墻的底高程由177～180m均抬高至185m，防沖墻深度減小5～8m，設計優化減小了防沖墻的工程量，節省了防沖墻工程投資。

五、工期及其他要求

根據工程施工特點、難點以及分布工作量大小并考慮天氣等不可抗力因素影響（一個月按正常施工時間22天計算，汛期影響按每年50天計算），施工工期應根據不同的施工地質條件，選擇不同的主控段作為防淘墻工程施工的主要控制性工期。

由于水利水電工程建設對工期是有很高的要求，因此，消能防護方案應考慮工期要求。

防淘墻的工期要求一般根據工程施工的總進度來安排的，在進行施工設計時，要注意施工工期中的各種情況。

水布埡電站防淘墻工程是目前國內外水電在建項目中規模最大、地質條件最為復雜、施工難度最大的防淘墻。且清江處于鄂西暴雨區，水量充沛，每年6～9月為主汛期，11～4月為枯水期，而水布埡工程施工總度安排為：2002年10月截流；2006年10月實現導流洞封堵；2007年汛期溢洪道底板過流；2007年7月1日首臺機組發電；2009年6月工程全部竣工，因此要求防淘墻施工在溢洪道底板過流前，即2007年汛前完成。

岳城水庫“工”字形防淘墻呈折線布置，軸線總長度351m，是由44個“工”字形墻段和4個直線墻段組成。防淘墻于1988年5月正式開工，共分三期施工。第一期施工右側12個墻體；第二期施工左側32個墻體；第三期為4個直線段墻體。1989年底全部完工，歷時1年零8個月。

小江電站壩后防淘墻根據小江系的枯水期時間及施工條件的困難，將防淘墻施工安排在二個枯水期施工。一期工程是溢流壩后1、2、3、8、9閘孔；二期工程是4～7閘孔及防洪墻和船閘。

（一）施工設計編制原則

（1）依據招、投標文件相關條款和施工現場實際情況。

（2）根據施工單位能調用的機械設備、技術能力及類似工程施工經驗。

（3）按照資源配備合理、工期優化的原則，使工程施工充分體現快速、優質、低耗。

（4）合理安排生產，強化調度協調，全面分析關鍵線路上各項目的施工方案，據實考慮關鍵項目的施工強度，確保關鍵線路工期實現。

（5）按期力爭提前實現各控制性工期，優質、高效地完成防淘墻工程施工。

（二）施工工期計劃

在進行施工設計時，施工組織設計為：

（1）施工的總體方案；

（2）施工控制原則；

（3）施工過程的質量與安全控制；

施工工期計劃主要包括：

（1）工程開工時間計劃；

（2）各項基礎工程完成時間計劃；

（3）主體工程完工時間計劃；

（4）所有項目全部完工時間計劃。