北溪水閘南港干砌海漫局部沖刷破壞成因分析與處理

陳振爐

（福建省九龍江北溪水資源調(diào)配中心，福建 漳州 363107）

1 工程概況

九龍江北溪水閘工程位于福建省漳州市角美臺商投資區(qū)郭洲頭，1972 年動工興建，1980 年建成通水。北溪水閘樞紐由南港攔河閘、南港船閘、北港攔河閘、北港船閘和左、中、右干渠進(jìn)水閘組成。南港攔河閘總寬度200 m，共設(shè)15 孔泄水閘和一座船閘；北港攔河閘總寬度293 m，共設(shè)25 孔泄水閘；閘孔凈寬均為10.0 m。

北溪水閘樞紐原按3 級建筑物設(shè)計、施工，2001 年北溪水閘樞紐進(jìn)行安全鑒定與評審，確認(rèn)該閘安全類別為三類水閘，需進(jìn)行全面除險加固。2002 年除險加固設(shè)計確定本工程等別為I等，屬大（I）型工程，主要建筑物級別為1 級，次要建筑物為3 級。北溪水閘樞紐南港閘除險加固工程于2003 年10 月開工，2004 年4 月完工。2018 年7 月，北溪水閘水下地形定期檢查測量成果中發(fā)現(xiàn)南港閘后啟孔12～15 號閘下游干砌條石海漫段出現(xiàn)2 處沖坑，沖坑于2019 年5 月處理完工。

2 干砌條石海漫及下游沖刷破壞情況

在發(fā)現(xiàn)干砌條石海漫出現(xiàn)沖坑后，為了進(jìn)一步核實(shí)沖坑情況，復(fù)測了沖坑區(qū)域水下地形圖，并組織了2次水下人工摸查，確認(rèn)沖坑存在。后采用PowerRay 水下無人機(jī)進(jìn)行水下拍攝，確認(rèn)干砌條石海漫破壞情形。1 號沖坑中心距離消力池末端34 m，離船閘閘室左側(cè)墻36 m, 位于下游斜坡段干砌條石海漫處，沖坑面積約245 m2，沖坑最深處高程-5.4 m、深度約1.98 m。2 號沖坑發(fā)生在南港船閘泄水孔旁邊干砌條石海漫段與防沖槽交界處，沖坑面積約47 m2，沖坑最深處高程-4.48 m、深度0.48 m。從沖坑的大小及分布來看，干砌石海漫屬局部破壞。

1、2 號沖坑下游防沖槽也發(fā)生局部沉降，實(shí)測最低點(diǎn)高程2012 年-4.32 m、2018 年-4.59 m 比設(shè)計高程-4.0 沉降了0.59 m。防沖槽下游河床近年也形成沖刷坑，3 號沖坑2017 形成時，-5.0 高程線范圍約7.3 m×16.5 m（順?biāo)鞣较颍?，最低點(diǎn)高程-5.48 m，2018 年-5.0 高程線范圍約20.7 m×23.5 m，最低點(diǎn)高程-6.92 m。4 號沖坑2012 年形成時-5.0 高程線范圍約33.3 m×19.2 m（順?biāo)鞣较颍?，最低點(diǎn)高程-5.68 m；2018 年-5.0高程線范圍約37.3 m×21.7m，沖坑最低點(diǎn)高程-5.99 m，沖刷范圍和深度呈加大趨勢。見圖1。

圖1 南港水閘沖坑平面示意圖

3 南港閘下游沖刷成因分析

3.1 南港水閘后啟孔消能工程概述

消力池段全長31.0 m，消力池底板采用C20 混凝土，閘室底板與消力池底板采用1∶4 坡度連接，斜坡段C20 混凝土底板厚1.30 m、斜坡段長度7.00 m（其中水平段1.0 m），斜坡段后消力池C20 混凝土底板厚1.30～0.90 m、池長23.0 m、消力池底板面高程-3.50 m，消力池后為C20 混凝土消力檻，消力坎高0.5 m。

海漫段全長48.0 m，海漫段前段為水平，高程-3.0 m，長度24.0 m，采用厚55 cm 漿砌條石鋪砌、后半段長度24.0 m 為斜坡段，采用厚55 cm 干砌條石鋪砌，斜坡段采用坡比1∶24 與下游防沖槽連接。

防沖槽段全長21.0 m，防沖槽河床面高程-4.0 m，防沖槽底高程-6.5 m，與海漫段采用1：3 斜坡連接，干砌條石厚55 cm，防沖槽采用拋填塊石防沖，與下游河床采用1∶3 反坡連接。見圖2。

圖2 1 號沖坑處理斷面圖

3.2 閘下游河床下切情況

下游河床由于種種原因下切較為嚴(yán)重，根據(jù)南港閘下游310 m 處實(shí)測大斷面成果分析，南港閘下河段2012～2018 年下切1.0 m。水下河床的變化受諸多因素影響，主要原因：早期南港疏浚以及過量采砂導(dǎo)致南港河床日益下切，上游流域內(nèi)多座水電站等攔蓄水工程建成后，上游來砂量減少，加之近20 年流域較少發(fā)生大洪水，泥砂下泄較少，河床泥砂沒有得到補(bǔ)充。河床下切河道過水?dāng)嗝婕哟髮ε藕橛幸?，但在正常運(yùn)行期間，河床下切造成閘下水位下降，水閘落差加大，對閘下游消能防沖工程不利。

3.3 閘下游低潮水位變化情況

南港閘處于感潮區(qū)，每日兩次潮落，下游水位受潮水位變化影響。閘下游河道的水位特性較為復(fù)雜，它除受遠(yuǎn)洋海潮漲落、水閘泄水大小影響外，還受閘下河道變化的影響，據(jù)與南港閘下低潮位相關(guān)關(guān)系密切的下游石碼潮位站1980～2018 年年最低潮位資料來看，年最低潮位呈逐年下降的趨勢，年最低潮位從1980 年的-0.60 m 降 至2006 年1 月 的-2.12 m、2018 年的-2.70 m，而同期的廈門站年最低潮位（基本能反映外海潮汐特性）卻基本上沒有什么變化，這說明了南港閘下低潮水位的高低變化主要是河道采砂、河道下切引起的。南港閘原設(shè)計采用最低潮水位-0.24 m，2002年加固設(shè)計采用最低實(shí)測潮水位-1.59 m，2018 年7 月實(shí)測低潮位-2.10 m，低潮水位呈下降趨勢，其變化趨勢與石碼潮位站一致。南港閘最大落差發(fā)生在閘下低潮水位時，低潮水位下降，則水閘落差加大，當(dāng)潮水位低于設(shè)計采用值時，將影響工程的安全運(yùn)行。

3.4 工程地質(zhì)條件

海漫地基均為粗砂或蠣殼淤泥質(zhì)中砂，存在滲透變形、沉降與不均勻沉降問題。防沖槽地基均為粗砂或蠣殼淤泥質(zhì)中砂，存在抗沖刷穩(wěn)定性差等主要工程地質(zhì)問題。

3.5 消能防沖復(fù)核

后啟孔消能方式為底流式消能，對沖坑所在13 號孔進(jìn)行消能防沖復(fù)核計算。消能計算采用《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016）附錄B 中規(guī)定進(jìn)行。見表1 和表2。

表1 13 號閘孔過閘流量計算成果表

表2 13 號閘孔消能防沖復(fù)核成果表

復(fù)核計算結(jié)果：在上游水位4.5 m，下游-2.10 m 工況，閘門開度為1.5 m 時，消力池長度不夠，遠(yuǎn)驅(qū)水躍溢出消力池，最大長度為27.13 m，超過消力池水平長度23 m，需要海漫長度為52.11 m，超過實(shí)際長度48 m。

綜上述，南港閘除險加固后已運(yùn)行15 年，由于多種原因下游河床持續(xù)下切，低潮水位降低，實(shí)測閘下最低潮水位-2.10 m，比加固設(shè)計的-1.59 m 降低了0.51 m。經(jīng)消能防沖計算復(fù)核表明，下游低潮水位、閘孔開度較大時產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，由于后啟孔海漫長度不足，河床抗沖能力弱，在干砌海漫及下游河床發(fā)生沖刷破壞。分析及計算結(jié)果與干砌海漫、防沖槽及未端河床的實(shí)際沖刷情形吻合。

4 沖坑除險處理

為遏制沖坑發(fā)展，改善下游水流條件，提高水閘、船閘下游海漫段抗沖刷能力，保障水閘運(yùn)行安全，對南港下游干砌條石海漫段等沖刷坑進(jìn)行處理。

1）基坑底部清理：在低潮位時，采用船上長臂挖掘機(jī)對基坑底部進(jìn)行清理。1 號坑清理深度為0.5～1.0 m，上游側(cè)清理至漿砌條石海漫下緣，下游清理至拋石防沖槽上緣，右岸清理至2 號坑邊緣，清理寬度33.5 m。2 號坑上游側(cè)清理至漿砌條石海漫下緣，下游清理至拋石防沖槽上緣，右岸清理至船閘邊墻混凝土護(hù)腳外緣，清理寬度15.3～16.8 m。

2）基坑清理后，水下拋填砂石墊層，潛水員配合整 平，1 號 坑 填 至-3.85 ～-4.85 m 高 程，2 號 坑 填至-3.70～-4.70 m 高程。

3）鋪設(shè)兩層350 g/m2的土工布，上面拋填15 cm砂石反濾料進(jìn)行鎮(zhèn)壓。

4）澆筑模袋混凝土，采用C25 模袋混凝土護(hù)面，1號坑混凝土厚度為70 cm，2 號坑混凝土厚度為50 cm。膜袋采用矩形型機(jī)織膜袋，材料為丙綸，在工廠進(jìn)行整片制作。1 號沖坑模袋由7 個尺寸4 m×24 m、1 個2 m×24 m 和1 個3.5 m×24 m 的隔離體組成。2 號沖坑模袋由3 個尺寸4 m×24 m 和1 個尺寸（3.3～4.8）m×24 m 的隔離體組成，每個隔離體之間互不相通，相鄰模袋之間底層設(shè)置30～50 cm 的搭接。模袋鋪設(shè)完成后，及時進(jìn)行混凝土的灌注，混凝土采用泵送商品混凝土。

5）海漫沖坑下游拋石防沖槽段新增拋石厚1 m。3、4 號沖坑拋填塊石至-4.5 m 高程。石材采用本地產(chǎn)花崗巖，石質(zhì)堅硬，塊石粒徑大于0.5 m，重量大于50 kg，拋填時大小搭配。

5 存在問題及建議

1）南港船閘泄水孔位于干砌海漫與防沖槽交界處，共2 孔，尺寸均為1.5 m×1.5 m，閘室底高程-2.0 m，若船閘在下游低潮位情況下泄水，對海漫及防沖槽的流態(tài)產(chǎn)生不利影響或直至產(chǎn)生沖刷。雖然南港船閘近15 年來通航量很少，基本處于停航狀態(tài)，偶爾通航也是在下游高潮水位時才能通行，正常情況下不會發(fā)生低潮位泄水的情況，但要預(yù)防和禁止低潮位船閘泄水。

2）閘下低潮水位的變化主要是河道采砂、閘下河道變深引起的，應(yīng)持續(xù)通過有效途徑加強(qiáng)河道的保護(hù)，嚴(yán)禁在庫區(qū)及閘下游河道采砂，以利于控制低潮位逐年下降的趨勢。此外，由于較低的潮水位一般處在非汛期，上游來水量小，潮位變化快，則在遇到最低潮水位時，應(yīng)通過水閘調(diào)度運(yùn)行措施，避免閘下游消能防沖工程沖刷破壞事件發(fā)生。