第二节 防淘墙工程研究现状

一、防淘墙工程建设的现状及其特点

防淘墙作为一种防冲设施，在水利水电工程与桥梁工程建设中得到广泛的应用。很多水利枢纽工程为了防止水流冲刷与回流淘刷，消能防冲设计中都采用了防淘墙方案，在水闸、护岸工程中防淘墙也常作为防冲防淘措施加以应用。如葛洲坝水利枢纽二江泄水闸消能防冲建筑物防冲护固段采用防淘墙，以防止水流淘刷；飞来峡水利枢纽在护坦末端设5m的防淘墙；桑园水电站在下游坝面位置设置了防淘墙；水布垭水利枢纽下游消能防冲方案在溢洪道出口左、右岸设置防淘墙；马来西亚巴昆水电站下游消能区也采用防淘墙防止岸坡冲刷。

宝珠寺水电站的水工模型试验表明，电站建成后，发电尾水及汛期泄洪会将下游河床冲刷到454m高程。为了防止这一冲刷，保证岸坡及山体的稳定，在左岸下游设置了防淘墙。防冲墙墙体宽1.40m，轴线长156m，底部高程450m，顶部高程487.5m；在高程450～488.5m墙体内设置宽1.10m钢筋笼；水下浇筑C25混凝土成墙。

此外，许多水电工程运行多年之后，为了解决水流淘刷问题，设置了防淘墙或防冲墙。如龙羊峡水电站虎山坡治理工程。根据虎山坡不稳定岩体的自身特点，在坡脚设计了防淘墙工程。虎山坡防淘墙位于龙羊峡水电站下游消能区右岸，墙体所在部位岩体比较破碎，长年风化冲刷，该处距电站厂房300～600m，其间分布有F56、F108、A2、F7—6、F7—7等断层。防冲墙沿右岸河边布置，墙长150m，深45m，厚3.5m，高程2425m～2465m，墙顶与混凝土护坡底部相接。

又如小江水电站原设计溢流坝下接30m长的钢筋混凝土护坦，建设中由于种种原因没有实施，电站运行多年后泄流使坝后基岩严重冲刷，危及大坝安全运行，需加固处理，其坝后防淘墙工程是为了保护坝趾混凝土和基岩，在溢流坝鼻坎后水中建造一道钢筋混凝土连续墙嵌入基岩。

在护岸工程中，防淘墙也是防冲的重要措施之一。如钱塘江河口海塘基础采用了钢筋混凝土板桩与小沉井两种方式的防冲墙。在海宁段鱼鳞石塘基础防冲中主要采用了钢筋混凝土板桩防冲墙工程。该段海塘断面呈直立式，原塘脚有护坦及护坦外侧打木排桩保护。近些年来，因塘前滩地刷深，木排桩冲失现象时有发生。设计采用在护坦外侧施打长10～12m的钢筋混凝土板桩，桩顶设有联系梁固定，以形成一道板桩防冲连续墙。由于板桩入土深度大，除了桩身在滩地刷深时能维持自身稳定满足防冲需要外，还同时藉以板桩阻力起到提高海塘整体圆弧抗滑能力。

在桥梁建设中，为了防止桥墩基础受淘刷也有采用防淘墙防止回流冲刷的实例。

日本明石海峡大桥架设在神户市垂水区舞子和淡路岛侧的淡路町松帆之间，桥长3910m，中跨长1990m，是一座3跨2铰式加劲钢桁架悬索桥。该桥IA锚墩是神户侧桥台，其基础是世界最大的桥梁下部工程之一，桥台总高115m，宽85m。锚墩基础以比较软弱的神户层为承重地基，锚墩基础是明石海峡大桥总体工程的关键部位。为了防止IA锚墩基础受到海水冲刷和渗透，在施工中首先回填海岸近海深水区6.2万m2作为作业基地，然后用高强度混凝土建造外径85m，厚2.2m的地下连续墙，该墙起着挡土墙和防冲防渗墙的作用。

孟加拉国中北部米门辛格（M）市的桑布贡公路大桥，该桥跨越老布拉马普特拉（Old Brahma Pu Tra）河。河流水流方向由西向东，河北岸桥位处于一弯段中，常年受河水主流偏向冲刷，风浪冲击，河岸坍塌严重。桥台距河岸30m，桥台锥坡基础离河岸仅14m，为防止河岸继续被淘刷北移，危及桥台及锥坡安全，北岸防护工程在桥台前，设有一道长105.2m、厚0.8m、深17.8m平面布置为半圆弧形的钢筋混凝土地下连续墙，作为防淘墙，并在桥台处墙外设铁丝石笼护砌。

目前已建防淘墙工程有两种结构型式。一种为垂直式防淘墙，如水布垭水电站混凝土防淘墙、龙羊峡虎山坡治理工程混凝土防冲墙等。此外，护岸工程作为垂直防冲设施的板桩式防冲墙也属于垂直式防淘墙的型式。另一种为护坡式防淘墙，如葛洲坝水利枢纽二江泄水闸消能防冲建筑物防冲护固段防淘墙、小江水电站坝后防淘墙、黄龙滩水电站尾水渠右导墙地下防冲墙等。

防淘墙的墙体厚度与深度，因各个工程的具体条件不同而异。目前，世界上工程规模最大的防淘墙是我国的清江水布垭水电站混凝土垂直防淘墙，其左右岸防淘墙总长达853m，最大墙深40m。

目前，水利水电施工技术水平发展迅速，过去受施工技术的限制，有许多问题不能在有限的工期要求内解决，使得防淘墙工程不得不采用工程量大与工期较长的结构型式。如葛洲坝水利枢纽二江泄水闸消能防冲建筑物防冲护固段的防淘墙墙体型式曾研究了垂直式和护坡式两种，受当时施工技术发展水平的限制，选用了工程量较大的护坡式防淘墙。

水布垭水利枢纽防淘墙选择了垂直式防淘墙。虽然施工条件艰难，如水文地质环境恶劣，防淘墙墙体处在正常河水位以下，最深处达河水面以下40余米。墙体一侧临江，另一侧在滑坡体或陡崖脚下，且坡积物和覆盖层埋藏较深，岩石部位裂隙发育，墙体终年受地下水包围，施工平台又受汛期洪水威胁，环境恶劣。水布垭防淘墙墙体为一深窄形钢筋混凝土墙，深15～40m，宽仅3～4.5m，长达数百米，并通过三排预应力锚索与大量锚杆与山体紧密结合，开挖洞室断面小，施工场面狭窄。为保证墙体的整体性，要求分层逐层向上施工，开挖一层，浇筑一层钢筋混凝土，加上靠山侧的锚喷支护与三排预应力锚索施工，多种工序交错平行。右岸防淘墙R3～R4段内侧紧临电站尾水平台，最近处仅为4.67m，各部位之间施工干扰大。防淘墙各层开挖时，均存在顶拱岩块塌落的安全问题。水平洞身开挖长度大，层次多，作业战线长，持续时间长，又难以机械化施工，支护与开挖存在相应的矛盾：支护过于简陋，施工安全难以得到保证；支护太强，在上层开挖过程中，会加大开挖及支护拆除的难度，因此如何因地制宜地采用简易有效的临时支护，既保证施工安全，又不影响或少影响上层的开挖，是防淘墙工程能否顺利进行的重要方面。竖井作为防淘墙工程施工的唯一通道，墙体施工时，施工人员上下、开挖弃渣、钢筋、混凝土、锚索及施工设备均需通过竖井上下，且风水电管、混凝土泵管、抽排水管路均需在竖井内布置。通过合理布置竖井、井口及井内设施，保证了竖井的安全稳定及起重设施的安全运行，解决了施工安全问题。

由于施工技术水平的飞速发展，施工机械先进，水下混凝土浇筑技术提高和工程经验的积累，上述这些问题在水布垭钢筋混凝土垂直防淘墙工程中都得到妥善处理。

现阶段采用垂直型式的防淘墙遇到的很多问题在一定工期要求下以20世纪80年代的施工技术与管理水平是不可能妥善解决的。

已建钢筋混凝土防淘墙工程的共同特点是利用混凝土墙体材料的强度来抵抗水流的冲击或淘刷，以达到溢流坝消能区防冲护固或保护岸坡不受冲刷的目的。

每个防淘墙工程由于各自地质地形条件、防淘墙的结构型式、工程投资大小、施工时的工期要求，各自具有其自身的特点。

在水利水电工程中，水利枢纽工程溢流坝段下游作为防冲护固段的防淘墙与护岸工程的防淘墙又各自有其自身的特点。

水利枢纽工程的防淘墙由于所处位置泄洪水流速度大，流态复杂，地质地形条件差，防淘墙工程往往具有技术要求高、墙体受力条件复杂、墙体常常有锚杆锚索加固措施、工程量大、对施工工期有较高的要求、施工安全问题突出等特点。

如水布垭枢纽防淘墙就具有非常鲜明的代表性。其设计与施工特点有：①地层平缓、岩性软弱、地质条件复杂；②水文地质环境恶劣；③受力条件复杂，在溢洪道泄洪过程中，要考虑防淘墙承受的荷载有岩（土）压力、脉动压力、地下水压力等；④施工面狭窄，干扰大；⑤施工安全问题突出。如左岸防淘墙L3～L5段位于大岩淌滑坡范围，覆盖层埋藏较深，最深部位达26m，覆盖层平洞自稳能力差，塌方现象普遍，支护难度大，施工人员的安全得不到保证。高效、优质、安全的穿越覆盖层是摆在施工面前的一个难题。⑥混凝土浇筑输送问题。防淘墙混凝土浇筑采取自下而上逐层浇筑的方式，混凝土运输面临先自上而下再转为水平运输的问题，垂直运输高度可达15～40m不等，洞内水平运输距离最大可达10m以上。由于混凝土泵送时垂直落差大，泵管需多次转弯，因而容易发生管内脱空造成堵管。解决好混凝土运输中的堵管问题和防止混凝土料的离析，是保证施工进度与混凝土施工质量的关键点之一。⑦锚杆锚索施工技术要求高，工作量大。

护岸工程防淘墙（防冲墙或防冲截水墙）所处位置水流速度一般较缓，地质地形情况相对简单，对混凝土墙体厚度与混凝土强度要求相对较低，设计常常采用板桩式防冲墙。板桩式防冲墙具有结构轻便、施工简单、造价低廉等特点。其典型代表实例见第四章第四节。

二、防淘墙工程研究现状

防淘墙工程研究的内容包括设计研究、具体工程采用方案比较研究、建筑材料、施工设备与施工技术研究等。

（一）防淘墙工程设计研究

1.防护方案比较研究

大型水利水电工程中，采用防淘墙或是其他防冲消能护固方案，往往要进行方案对比研究。分析在满足工期要求的条件下各种方案的可行性与投资比较等。

如乌江渡水电站九级滩尾水渠防护工程，研究了全面防护的铺盖工程方案和局部设置护坡式防淘墙方案。两种方案具体分析研究见第二章第四节。

又如水布垭水利枢纽在设计下游消能区防护型式时，重点对水垫塘方案和防淘墙方案进行了分析研究与综合比较，分析研究比较的内容包括：

（1）地质条件：水布垭枢纽下游消能区建基岩体为D3x、C2h，岩性软弱，透水性小，承压水对两种方案的结构均有影响，水垫塘方案采用排水措施可形成干地施工条件；防淘墙直立开挖，施工期需采用可靠排水措施，山岩压力及承压水对墙体结构有不利影响，两方案的地质条件相当。

（2）消能效果：水垫塘方案下游冲坑在高程180m以上，防淘墙方案在高程170m以上；水垫塘方案下游水流流态及流速指标好于防淘墙方案。

（3）对边坡滑坡影响：由于水垫塘方案有稳定的下游水垫，防淘墙方案待冲坑形成后才能形成足够水垫深度，因此水垫塘方案下游泄洪雾雨强度较低，且水垫塘方案对马崖高边坡及大岩淌滑坡的影响小于防淘墙方案。

（4）施工：水垫塘方案工程量较大，开挖高差较大，施工场地狭小，施工程序多，施工布置困难，且存在发电后的度汛风险；防淘墙方案处于地下作业，虽施工环境较差，但可全年施工，施工安排灵活。

（5）检修条件：水垫塘方案设置有尾坎，水垫塘可以检修，防淘墙方案没有检修条件，需要检修时，必须在枯水期重修围堰，工程量较大。因此，从检修条件来看，水垫塘方案优于防淘墙方案。

（6）工程量：水垫塘方案比防淘墙方案土石方开挖多52.27万m3，混凝土多14.07万m3，钢筋少4194t，水垫塘方案比防淘墙方案工程量大。

综合比较，两种方案在技术上均是可行的，但均有一定的难度，护底方案施工工期安排困难，工程量大，而防淘墙方案原型冲坑深度较难把握，对岸坡稳定影响较大，同时施工条件差，工艺较复杂，但施工工期不占直线工期。经综合比较，确认水布垭工程防淘墙方案优于水垫塘方案，故决定采用防淘墙方案。

2.防淘墙结构型式研究

防淘墙从结构型式上可分为垂直式与护坡式两种。在采用防淘墙作为消能防冲方案时，往往要对其结构型式与墙体深度进行研究。

葛洲坝水利枢纽二江泄水闸消能防冲建筑物防冲护固段的防淘墙墙体型式研究了垂直式和护坡式两种。经研究，垂直式工程量虽省，以当时施工的技术水平施工困难，护坡式工程量大，但施工方便。当时从施工进度考虑采用了护坡式（图1-2-1）。混凝土防淘墙的深度是按水工模型试验动床冲刷高程和淘脚高程拟定的。右区混凝土防淘墙墙脚置于抗冲能力较高的砾岩上，高程为11～23m，中、左区设在高程14.0m。由于中、左区砾岩埋置很深，因此在中、左区墙脚下打φ850mm的支承桩，桩距7.5m，桩底至0.0m高程或打在砾岩上。混凝土防淘墙厚2～4.0m，底部脚宽4.8m，高4.0m。其墙上设有排水孔。防淘墙开挖坡度为1∶0.5，墙面坡度为1∶0.65。墙顶部还打有φ219mm的钢筋混凝土拉桩，深15.0m，倾角60°，以保证防淘墙上部的稳定安全。为了保护防淘墙的安全，防淘墙下游槽内浇筑了混凝土六面体，重50.0t以上。防淘墙墙体强度考虑了地应力的影响。

3.有限元分析研究

在防淘墙工程设计中，有些问题需通过有限元计算分析。如水布垭枢纽防淘墙工程在设计研究时采用了有限元分析计算法。

水布垭下游出口河道及两岸地质条件较差，水流水力学条件不理想，由于泄洪对河床及两岸的冲刷影响，可能会危及两岸边坡的稳定与安全。为此，在下游出口两岸布置防淘墙，以免泄洪冲刷引起边坡失稳。水布垭工程应用有限元法对防淘墙有关的问题进行了分析研究，以评价泄洪冲刷对防淘墙附近岩体的影响、防淘墙自身的应力变形状态以及预应力锚索的加固效果，并对防淘墙按普通单元和梁单元考虑时的计算结果进行了比较。

有限元计算考虑了岩层分布、卸荷带的分布、马崖高边坡开挖形态、泄洪对河床的冲刷及预应力锚索作用。

计算中建立的有限元模型是在地质断面基础上进行的，考虑了边坡的地质条件、开挖形态、防淘墙布置、泄洪对河床冲刷后的河槽形态。通过有限元划分，单元类型主要为8结点四边形等参单元，局部根据需要采用了6结点三角形单元。

计算采用基于理想弹塑性本构模型的二维平面应变有限元进行分析，其屈服为Drucker-Prager准则，左右两个边及底部边界均被施以法向约束。计算单位统一采用国际单位，力采用106N，应力采用106N/m2。分别用普通单元和梁单元对防淘墙进行模拟。锚索按集中力考虑。为了区分有无锚索的情况，河槽冲刷后计算工况方案1为无锚索情况，方案2为有锚索情况。

计算荷载考虑了自重、开挖冲刷卸荷及预应力锚索作用。计算分三步进行：第一步仅考虑自重作用，以获得岩体自重应力场；第二步考虑边坡开挖；第三步模拟河槽冲刷至高程170m。冲刷前将防淘墙部位相应岩体材料置换成混凝土材料，考虑施加预应力锚索和不施加预应力锚索两种情况。计算分析的主要对象为防淘墙及附近岩体。根据计算结果整理了相关的应力、位移矢量图，应力、位移等值线图、拉应力等值线图、内力图以及应力位移特征表。

研究结果表明：

（1）边坡开挖对岩体应力状态有利；泄洪冲刷后，防淘墙附近的岩体拉应力有所增大，防淘墙产生一定倾斜；考虑预应力锚索后，防淘墙附近岩体拉应力和水平位移有所减小。

（2）防淘墙及附近岩体拉应力较小，泄洪冲刷后，在高程170m附近产生压应力集中，即该处可能局部会出现压剪破损区，施加预应力锚索可减小局部破损区。

（3）采用普通单元和梁单元对防淘墙进行计算，岩体计算成果差别很小，对防淘墙计算成果有影响。

（二）建筑材料研究

防淘墙由钢筋混凝土构成，研究防淘墙的建筑材料对于加快防淘墙的施工进度，降低工程成本，减少环境污染具有现实意义。

如水布垭左岸混凝土防淘墙考虑到所浇混凝土为泵送混凝土，且没有掺加粉煤灰，为了保证混凝土的和易性、坍落度及防止坍落度损失过快的要求，特别是抑制夏季高温季节坍落度的损失过快，从而满足混凝土施工和易性及可泵性的要求，故在混凝土中掺用了高效缓凝减水剂或泵送剂。配合比试验研究和实际施工中采用了北京冶建特种材料公司生产的JG-3高效缓凝减水剂，同时为了满足混凝土的抗冻性能的要求，在混凝土中掺用了石家庄市长安育才建材有限公司生产的引气剂GK-9A。

研究新型的建筑材料是加快防淘墙施工进度一种趋势。如土壤固化剂是一种用于固化土壤（砂、黏土和淤泥）的新材料，可分为水泥型和离子型2种材料。在护岸工程防冲墙中可采用水泥型土壤固化剂代替混凝土中的全部水泥。

如永定河防洪工程的6个险工段防冲墙选择土壤固化剂作开发和应用目标，并获得成功。永定河防冲墙设计深度6m，开挖深度9～13m，墙体厚度2.4m，28d强度C10。永定河土壤固化剂混凝土防冲墙标准断面如图1-2-2所示。

永定河防冲墙施工中共使用了4000t土壤固化剂，取样结果，其平均抗压强度＞18MPa（设计为C10），保证率达到95%以上，完全满足设计要求。

实践证明，由于土壤固化剂保水力强，不会使水下混凝土离析，在防冲墙施工中，用土壤固化剂替代水泥，可省去搅拌混凝土用的稠泥浆及其生产设备，把过去的“湿拌”改为“干拌”，土壤固化剂防冲墙的施工工序与普通的地下防冲墙是相近的。由于它不使用黏土，所以混凝土的搅拌工作可以大大简化，大大方便了施工。若不采用土壤固化剂，1998年施工的4段防冲墙不可能达到300m2/d的施工速度。室内外试验研究和永定河防冲墙的施工实践，说明土壤固化剂是完全可以用于江河堤防护岸工程的河道防冲墙，它可以节省黏土资源，利用三废材料（粉煤灰、高炉矿渣等），加快施工进度，创造良好的社会经济效益。

（三）防淘墙工程施工研究

防淘墙工程施工研究包括施工方案、施工设备的研究。

1.施工方案研究

防淘墙工程的施工方案研究要考虑的因素包括水文条件、地质地形条件以及防淘墙的结构型式、投资与工期因素等。

防淘墙施工方式大致分为两种：一种为类似防渗墙的施工方式，即传统的施工方式，其施工作业程序大致与防渗墙相同；另一种为竖井法，即墙体开挖与混凝土浇筑均通过竖井进行施工，水布垭防淘墙施工就采用了这种施工方式。

水布垭枢纽防淘墙工程是目前国内外水电工程中规模最大、地质条件最为复杂、施工难度最大的防淘墙工程。在确定防淘墙施工方案时，结合防淘墙结构型式、加固支护方式以及工期要求等，综合研究各种可能的施工方案，进行了细致的比选，经过大量分析研究，提出了灌注壁式地下连续墙法、搭接式机械成孔排桩墙法、支洞开挖分层钻爆逆作法和竖井开挖分层钻爆逆作法4种比较成熟的方案。

通过大量研究和多次讨论得出结论，水布垭防淘墙的施工方案并不是唯一的，上述4种施工方案都可行，在不同的评价指标上各有优缺点，通过定性结合定量分析，确定竖井开挖分层钻爆逆作法为优选方案。水布垭防淘墙由于成功采用了分层钻爆法施工，较好地解决了防淘墙墙体施工问题，不仅使墙体结构能满足设计要求，而且保证了施工工期按期完成。水布垭防淘墙墙体开挖与混凝土浇筑均通过竖井进行，这种施工方式对防淘墙施工方案是一中创新，值得在类似工程中推广采用。

2.施工设备的研究

水利枢纽下游防淘墙施工设备与地下连续墙施工设备基本相同，其研究情况见有关参考文献资料。

护岸工程板桩防冲墙施工设备主要为桩机，桩机形式包括排架式、滚移式和多功能桩机三种形式。为了解决钱塘江明清海塘防冲问题，我国在“八五”与“九五”期间对施工机械进行了专门的研究。根据钱塘江每天潮涨潮落的特点，研究出了相适应的打桩机械——D180型柴油多功能打桩机（见图1-2-3）。该机具有操作简便、吊桩定位速度快、行走灵活、工效高等特点，利用滑移式导向架和折叠液压支撑，以及360机械回转既保证了桩机的稳定性，又可快速避潮。