第二章 防淘墙设计

第一节 防淘墙设计需考虑的因素

泄水建筑物的下泄水流具有很大的能量，常导致下游河床的冲刷，甚至影响建筑物的安全。下泄水流的巨大能量主要耗损于两个方面：①水流内部的摩阻作用，如摩擦、冲击、紊动、旋涡等；②水流与固体与边界的相互作用，如撞击、冲刷等。当冲刷发展到坝基础时，就会危及泄水建筑物或坝体安全。国内外坝工实践中，由于下游消能措施不当遭受冲刷的例子很多。例如西班牙的里拜约坝最大冲坑深度达70m，冲走岩石的总体积达100万m3；美国的威尔逊溢流坝冲走的最大岩块重达200t，等等。对于泄水建筑物的下泄水流必须采取有效的消能与防冲措施，以减轻对下游河床的冲刷，确保建筑物的安全。

对于水利水电工程中的溢流坝、溢洪道、水闸等泄水建筑物来说，防淘墙设计必须根据建筑物下游的消能方式、泄洪冲刷范围、工程地质条件和水文地质条件进行准确的计算后，才能确定。必要时，还要进行水工模型试验。

对于护岸工程基础防淘墙设计时，需根据该地区的河势、水流形态、岸边流速及护岸工程的地质条件与水文地质条件等来考虑，并通过准确的计算来确定。

防淘墙设计需考虑的因素主要包括：消能防冲或过流区的工程地质条件、水文条件，以及施工条件等因素。

一、交通及施工布置条件

防淘墙设计时，除了应考虑工程地质和水文条件等，还需考虑工程施工过程中的交通便利条件，即工程条件与自然条件。

（一）施工交通布置原则

根据招、投标文件、图纸及现场实际情况，在业主指定的范围内布置本工程所需的临建设施。布置时，充分利用场内、外交通、施工场地等施工条件，遵循有利生产、安全可靠、经济合理的原则。

（二）交通布置条件

施工交通包括对外交通和场内交通。对外交通是联系施工工地与国家公路或地方公路、水运港口及航空港之间的交通，一般应充分利用国家或地方现有设施，选择较短的改建、新建里程，以减少对外交通工程量；场内交通是联系施工工地内部各工区、料场、堆料场及各生产、生活区之间的交通，一般应与对外交通衔接。

交通布置条件应根据当地的对外交通与场内交通的具体情况来考虑。

（三）施工布置条件

在进行防淘墙施工设计时，应考虑：

（1）对外交通进入施工场地的条件；

（2）场地内部主要交通线路的建筑和营运程度、货流的顺畅程度，及修建线路的技术条件；

（3）场内交通线路的技术指标（弯道、坡度、交叉等）；

（4）施工的给水、供电条件；

（5）施工占地条件与占地面积；

在防淘墙施工设计时，除了以上应考虑的各种条件外，还应根据现场情况，因地制宜，具体情况，具体处理。如黄龙滩电站尾水渠右导墙地下防淘墙施工时，因三面环水，一面为坝坡，场地十分狭小，施工设备与材料运送极为困难。为解决交通运输问题，决定在尾水渠出口处的左侧建一简易码头，采用一对直径为1m，长6m的双体铁皮浮桶作浮动工具，将设备、材料等装在浮筒上由尾水渠漂流而下，绕过尾水急流，人工拉着系在浮筒上的尼龙绳，运至导墙的右侧，因而解决了运输困难。

二、工程地质条件

（一）地质条件

水电站泄洪消能区的环境地质条件是一个很重要的因素，对工程影响很大。根据《溢洪道设计规范SL253-2000》的规定：当消能设施出口区地质条件较差时，可根据消能形式设置防淘墙等消能防护设施。

彭水水电站水电站位于乌江干流下游，坝址位于长溪河至万足场之间碳酸盐岩同人河段中，两岸灰岩、页岩相间分布，灰岩段突出形成山脊，页岩段形成凹槽或冲沟，期间堆积零星大块石。坝下游存在坝址区最大的断裂构造f1断层，其破碎带宽7～15m，横穿河谷。根据现场客观条件，在可行性研究阶段经过比较，推荐下游消能区采用护岸不护底方案，下游河床扩挖底部高程为200m，两岸护坡顶高程270m，两岸护坡坡脚设防冲齿墙。

坝址位于清江一“S”型河段的中部，中间直线段长约800m，上下游河流均为东西向，上游两岸无天然地形垭口。左岸三友坪台地地形相对平坦，地表高程400～450m。消能区地层为写经寺组页岩，抗冲能力差，其左岸有大岩淌滑坡（体积580万m3），右岸有马崖高陡边坡（坡高350余m）和马岩湾滑坡（体积180万m3）等不利的环境地质条件。清江枯水位一般为197. 0m，水面宽60～80m，水深1.2～4.0m。河床覆盖层厚7～12m。设计对水垫塘与防淘墙方案进行了比较，由于消能区建基岩体为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。

（二）岩石地质条件对冲刷的影响

为了满足水利工程消能防冲的需要，可在消能区设置各种消能防冲设施，其中之一是防淘墙。当工程地质条件十分复杂时，要想修建防淘墙是非常困难的，因此，无论是从设计还是从施工方面来考虑，研究防淘墙工程的地质条件是非常重要的，这是确保工程顺利进行的前提和先决条件。

国内外不少工程实例说明，泄水建筑物下游受到回流的冲刷后，形成冲刷坑。其位置、大小和形态与受冲范围的岩基地质条件（主要是完整性和产状）密切相关。冲刷破坏总是从断层破碎带，节理、裂隙、软弱夹层等薄弱部位开始的，以后沿着这些薄弱环节继续发展，冲坑最深点也往往在受冲范围的薄弱部位处，甚至对岸坡的冲刷也如此，而受冲范围内周边的岩基薄弱部位则往往形成冲刷坑的边缘。

然而根据冲刷时间较长的双牌、水府庙、上犹江、修文等溢流坝的原型资料来看，随着冲刷的发展，冲刷坑有在平面上逐渐与溢流坝平行、在纵剖面上各孔渐趋一致的趋势。再如丰满溢流坝1953年全坝溢流，9#～12#坝段的泄流时间大致相同（205～231h），12#～13#坝段下游冲深12.5m，7#～10#坝段下游冲深仅5m。但以后继续溢流，前者运行1522h，冲刷坑无发展，后者运行816小时，冲深也达13m，基本趋于一致。这就意味着一定的水流条件总是需要一定的消能水体（深度与体积）以满足消能要求。

乌江渡水电站位于乌江干流中游狭谷中，由于右泄洪洞出口下游有一条扭曲破碎带并延伸至左岸，经泄洪的影响，使破碎带受冲刷，左岸边坡形成耳状冲坑。运行508d，历时11790h，造成右岸坡脚被淘刷，冲坑最深达14m，1982年5月右泄洪洞投入运行以后，右岸淘刷宽度达到40～60m，崩坍区边坡高度达40m，崩岩厚度达10～20m，崩坍后的边坡坡度达80°以上。

三、水文与气象条件

（一）水文条件

水文条件对施工有较大的影响，在进行施工设计时，要考虑当地的水文条件。防淘墙设计前，应充分了解该工程所在地的河流的主汛期与枯水期，同时还要了解该坝区枯水期的水位及通常水位，洪水期是否具有陡涨陡落的特性。

（二）水位与流量因素

防淘墙设计时除了要考虑工程地质条件、洪水等组合因素外，还要考虑上下游水位、流量等因素。由于在进行泄水建筑物的泄洪消能设计时，经常会遇到设计条件十分恶劣的情况，特别是在泄水闸的下游常为抗冲能力很差的土质河床，故仍需采取经济合理的措施，消除闸下水流所产生的淘刷影响，同时在一定范围内对水工建筑物加以适当保护，防止冲刷给大坝造成的不安全隐患。因此，在不同下游水位情况下的消能防冲设计时，要考虑不同的水位与流量。

我国早期兴建的工程均由枢纽主体工程的设计洪水标准确定的泄洪流量，用于消能防冲的设计洪水标准。但实际上，泄洪流量的大小涉及大坝等主体工程的安全，而消能防冲的设计流量的大小则不一定涉及大坝等主体工程的安全，因而后者可以适当降低。

不少设计、运行经验还说明，消能防冲的最不利工况不一定是流量最大的情况，有时甚至是开始泄洪时的流量很小、尾水很低的情况。例如，西津水电站设计洪水为100年一遇的23100m3/s，校核洪水为1000年一遇31400m3/s。自1961年4月开始运行，至1986年的25年中，年年过水，其中大部分年份的泄量为7000～9000m3/s，少数年份泄量超过10000m3/s。1974年发生一次较大洪水，最大泄量13500m3/s，相当于5年一遇的洪水。该工程运行经验表明，当渲泄流量为8000m3/s时，下游流态最为恶劣，波浪在岸坡爬高达2m以上，冲刷也最严重，超过此流量后，流态反见改善。这就说明了另一个值得重视的问题，即对于防淘墙工程设计，不仅要适当选择设计洪水，还要考虑当地实际洪水流态能否满足设计要求。

四、工程造价要求

（一）工程造价的基本要求

设计阶段是控制建设工程投资的重要阶段，设计阶段造价的控制体现了事前控制的思想，是投资控制的关键环节，对工程造价的影响可达75%以上，设计质量直接影响工程造价和建设工期，直接决定施工成本的投入。

防淘墙设计时，因该项目还处在未实施阶段，无论是调整，还是改动都相对容易些，而施工阶段改起来就比较麻烦了，为了避免施工阶段的修改，减少因设计原因造成工程造价的增加，因此，应将设计做细、做深入。因为一旦设计阶段造价失控，就必将给施工阶段的造价控制带来很大的负面影响。

防淘墙的工程造价可分为4个阶段来考虑：①方案阶段，此时应根据方案（包括结构型式）图纸和说明书，作出详细的建设造价估算书。②设计阶段，此时就根据初步设计图纸和说明书及概算定额，编制初步设计总概算。③技术设计，此时应根据技术设计图纸和说明书及概算定额编制初步设计修正总概算。④施工图设计阶段，此时应根据施工图纸和说明书及概算定额编制施工图预算。

防淘墙设计是将防淘墙建设项目由计划变为现实的具有决定意义的工作阶段，防淘墙设计文件是防淘墙施工的依据。防淘墙工程建设的进度、质量控制及资金投入多少，在很大程度上取决于设计质量的优劣。控制好工程造价主要控制好两个方面：即工程量与工程综合单价。

防淘墙工程造价应按国家有关标准进行。

（二）设计优化对工程造价的影响

对工程造价的有效控制，就是在优化设计方案的基础上，在建设程序的各个阶段，采用一定的方法和措施把工程造价控制在合理的范围和核定的造价限额以内。而设计阶段是整个造价控制的灵魂，它对工程造价起着决定性作用。在做出项目决策阶段后，设计阶段（即设计质量）对整个工程建设的效益是至关重要的，其中优化设计是整个设计阶段造价控制的核心。

本着“安全可靠、经济合理和运行维护方便”的消能防冲设计原则，针对各项水利工程的具体条件，进行优化设计，因地制宜地选择各项水利工程下游消能防冲方案，对妥善解决下游河道冲刷问题、降低工程造价等具有重要意义。

水利工程建设过程包括项目决策、项目设计和项目实施三大阶段，投资控制的关键在于项目决策和项目设计阶段。据研究分析，设计费一般只相当于建设工程全寿命费用的1%以下，但正是这少于1%的费用对投资的影响却高达75%以上，在满足同样功能的条件下，技术经济合理的设计，可降低工程造价5%～10%，甚至可达10%～20%。

彭水水电站下游防冲墙研究成果表明，采用优化后的消能方案，可减轻坝下游两侧坡脚的冲刷深度约10m，考虑到坝下基岩抗冲流速对冲刷深度影响显著，而且模型采用的散粒体材料对试验结果也有一定的影响。因此，鉴于模型试验的局限性，其试验成果与原型可能存在一定差异，设计应留有适当的余地，仅将两岸防冲齿墙的底高程由177～180m均抬高至185m，防冲墙深度减小5～8m，设计优化减小了防冲墙的工程量，节省了防冲墙工程投资。

五、工期及其他要求

根据工程施工特点、难点以及分布工作量大小并考虑天气等不可抗力因素影响（一个月按正常施工时间22天计算，汛期影响按每年50天计算），施工工期应根据不同的施工地质条件，选择不同的主控段作为防淘墙工程施工的主要控制性工期。

由于水利水电工程建设对工期是有很高的要求，因此，消能防护方案应考虑工期要求。

防淘墙的工期要求一般根据工程施工的总进度来安排的，在进行施工设计时，要注意施工工期中的各种情况。

水布垭电站防淘墙工程是目前国内外水电在建项目中规模最大、地质条件最为复杂、施工难度最大的防淘墙。且清江处于鄂西暴雨区，水量充沛，每年6～9月为主汛期，11～4月为枯水期，而水布垭工程施工总度安排为：2002年10月截流；2006年10月实现导流洞封堵；2007年汛期溢洪道底板过流；2007年7月1日首台机组发电；2009年6月工程全部竣工，因此要求防淘墙施工在溢洪道底板过流前，即2007年汛前完成。

岳城水库“工”字形防淘墙呈折线布置，轴线总长度351m，是由44个“工”字形墙段和4个直线墙段组成。防淘墙于1988年5月正式开工，共分三期施工。第一期施工右侧12个墙体；第二期施工左侧32个墙体；第三期为4个直线段墙体。1989年底全部完工，历时1年零8个月。

小江电站坝后防淘墙根据小江系的枯水期时间及施工条件的困难，将防淘墙施工安排在二个枯水期施工。一期工程是溢流坝后1、2、3、8、9闸孔；二期工程是4～7闸孔及防洪墙和船闸。

（一）施工设计编制原则

（1）依据招、投标文件相关条款和施工现场实际情况。

（2）根据施工单位能调用的机械设备、技术能力及类似工程施工经验。

（3）按照资源配备合理、工期优化的原则，使工程施工充分体现快速、优质、低耗。

（4）合理安排生产，强化调度协调，全面分析关键线路上各项目的施工方案，据实考虑关键项目的施工强度，确保关键线路工期实现。

（5）按期力争提前实现各控制性工期，优质、高效地完成防淘墙工程施工。

（二）施工工期计划

在进行施工设计时，施工组织设计为：

（1）施工的总体方案；

（2）施工控制原则；

（3）施工过程的质量与安全控制；

施工工期计划主要包括：

（1）工程开工时间计划；

（2）各项基础工程完成时间计划；

（3）主体工程完工时间计划；

（4）所有项目全部完工时间计划。