泄水閘新型柔性海漫水毀修復(fù)方案比選分析

王 超，吳 錚，馮 陽

（湖北省漢江興隆水利樞紐管理局，湖北潛江，433126）

興隆水利樞紐位于漢江下游，是南水北調(diào)中線一期漢江中下游四項(xiàng)治理工程之一，也是漢江干流規(guī)劃中的最下游一級。該樞紐主要功能是枯水期抬高庫區(qū)水位，改善兩岸灌區(qū)的引水條件和漢江通航條件，由泄水閘、船閘、電站三大主體建筑物組成，其中泄水閘為低水頭開敞式平底閘，共有56孔。泄水閘作為興隆樞紐的主要泄洪建筑物，承擔(dān)著控制水庫水位和泄洪的任務(wù)，其正常運(yùn)行對樞紐安全有至關(guān)重要的影響。泄水閘為Ⅰ級建筑物，最大下泄流量約15000 m3/s，擋水最大水頭7.15 m。2013年4月1日，泄水閘開始下閘蓄水，投入正常運(yùn)行，迄今已安全運(yùn)行5年多。

1 樞紐地質(zhì)條件及泄水閘水下結(jié)構(gòu)

1.1 樞紐地質(zhì)條件

壩區(qū)主要工程地質(zhì)問題為地基承載力較低、河床地表土壤抗沖刷能力小、飽和砂土震動(dòng)液化及壩基滲漏與滲透穩(wěn)定等。閘室持力層主要為粉細(xì)砂或含泥粉細(xì)砂，其下為全新統(tǒng)下段粉細(xì)砂和上更新統(tǒng)砂礫（卵）石層，結(jié)構(gòu)較松散，抗沖刷能力較差。

泄水閘閘基上部為深厚粉細(xì)砂層，厚約20 m，下部為深厚砂礫石層，厚約30 m，砂礫石下伏荊河鎮(zhèn)組含泥砂巖和泥晶灰?guī)r。為提高粉細(xì)砂層抗地震液化能力、減小閘基沉降等，采用水泥土攪拌法進(jìn)行泄水閘粉細(xì)砂基礎(chǔ)處理，水泥攪拌樁呈格柵布置，樁徑0.6 m，地基處理深度為12 m，面積置換率為20%，基礎(chǔ)處理沒有到達(dá)持力層。

1.2 泄水閘水下結(jié)構(gòu)

泄水閘下游采用底流消能。消力池上游以1∶4斜坡與閘室底板連接，池底高程27.5 m，池深1.0 m，池長29 m。消力池下游接長20 m、厚50 cm的水平混凝土海漫，再接長50 m、厚50 cm、坡比1∶20的柔性混凝土海漫，海漫末端接拋石防沖槽，防沖槽頂高程25.5 m，拋石厚度3 m，防沖槽下游以1∶3逆坡與河床地形銜接。在水平混凝土海漫和柔性混凝土海漫之間布置有下游水下防淘墻，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下連續(xù)墻形式。連續(xù)墻厚度為60 cm，標(biāo)準(zhǔn)槽段長度為7 m，防淘墻的底面高程為黃海高程15 m。

圖1 水下結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of underwater structure

2 柔性海漫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消力池底流消能只能消除出閘水流的一部分能量，出消力池水流紊動(dòng)現(xiàn)象仍較劇烈，底部流速大，因此還須設(shè)置海漫進(jìn)一步消減水流剩余能量，使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布，使水流接近天然流態(tài)，減輕對下游河床的沖刷。興隆泄水閘下游海漫長度為70 m，其中，上游20 m為剛性混凝土海漫，下游50 m為柔性混凝土海漫。

2.1 海漫模型設(shè)計(jì)

計(jì)算可能出現(xiàn)的多種最不利水位、流量組合情況可得，海漫長度控制工況為閘門開度e=1.5 m時(shí)，計(jì)算結(jié)果為60.3 m。考慮到閘下河床粉細(xì)砂抗沖能力極低、閘孔數(shù)量多、水閘運(yùn)行調(diào)度復(fù)雜，應(yīng)適當(dāng)留有安全余地，取海漫長度為70 m。按不同抗沖要求與作用，將海漫分為前后兩部分，采用兩種結(jié)構(gòu)型式。模型試驗(yàn)表明，出消力池水流紊亂，底部流速大，且有橫向回流。因此，海漫前20 m的作用重在抗沖，采用50 cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，表面布置一層直徑16 mm的鋼筋網(wǎng)，頂部高程28 m，這部分海漫為剛性常規(guī)結(jié)構(gòu)（以下簡稱“剛性海漫”）。

2.2 柔性海漫構(gòu)造型式

經(jīng)計(jì)算，海漫一旦沖毀，河床沖刷深度將超過21 m，由于沖刷深度大、發(fā)展過程快，采取補(bǔ)救措施難度大，溯源沖刷會(huì)很快直接危及泄水閘安全，因此必須采用一種可靠度高的海漫型式。

常用的海漫型式有堆石、干砌石和格賓海漫。興隆樞紐采用一種嵌套式混凝土柔性海漫，嵌套的混凝土塊體強(qiáng)度等級為C20，采用干硬性混凝土擠壓成型，既工效高、容易保證質(zhì)量，又施工簡便，且水力學(xué)模型驗(yàn)證了其整體性能優(yōu)良，抗沖能力強(qiáng)。塊體平面設(shè)計(jì)成“H”形，單塊長度和寬度都為48 cm，單個(gè)凈面積0.1314 m2，腿高14.5 cm，腰高19 cm，兩腿內(nèi)細(xì)外粗，拼裝后相鄰塊體能相互嵌套。

圖2 柔性海漫預(yù)制構(gòu)件圖Fig.2 Prefabricated components of the flexible apron

3 柔性海漫水毀情況

興隆水利樞紐自2013年4月1日下閘蓄水以來，截至2017年9月，汛期最大流量（3408 m3/s）出現(xiàn)在2016年7月。2017年9月下旬后，漢江流域多次出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨，10月6日22時(shí)最大洪峰過境興隆，洪峰流量達(dá)13700 m3/s。2017年漢江秋汛強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，為樞紐投入運(yùn)行以來最大及首次漫灘洪水。樞紐主體建筑所在河床為深厚粉細(xì)砂層，抗沖能力極低，因此管理單位對海漫沖刷情況極為重視，汛后立即組織了一次樞紐全域水下測量。

3.1 水下測量結(jié)果

水下測量發(fā)現(xiàn)泄水閘31～33號閘孔對應(yīng)范圍內(nèi)下游柔性海漫出現(xiàn)一處鍋形塌陷凹坑，外邊緣直徑約50 m，柔性海漫塌陷最大深度約7 m。后經(jīng)水下電視檢查探摸，發(fā)現(xiàn)該部位混凝土柔性海漫已部分出現(xiàn)損毀，有海漫預(yù)制塊被損壞并脫開連接，導(dǎo)致其保護(hù)下的土工網(wǎng)、碎石墊層及土工布裸露和破損，局部河床粉細(xì)砂外露。

圖3 泄水閘下游柔性海漫損毀示意圖Fig.3 Damage of flexible apron downstream of the sluice

3.2 水毀原因分析

3.2.1 新型柔性海漫構(gòu)造缺陷

興隆樞紐采用新型“H”形塊體嵌套式混凝土柔性海漫設(shè)計(jì)，有整體性和柔性好、抗沖能力和適應(yīng)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也同樣突出，所有塊體嵌套成型，若有1塊塊體損壞，則將影響與其相鄰的4塊塊體，以此類推，可能會(huì)導(dǎo)致“多米諾骨牌”效應(yīng)，最終造成整個(gè)區(qū)域的塊體全部損毀。

3.2.2 拖網(wǎng)打漁對柔性海漫的損壞

在對損毀區(qū)域進(jìn)行水下探摸及水下攝像過程中，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有纏繞的漁網(wǎng)及鋼管。經(jīng)了解，泄水閘下游柔性海漫范圍內(nèi)一直存在較猖獗的拖網(wǎng)打漁現(xiàn)象，漁船拖網(wǎng)可能卡在柔性海漫塊體的縫隙處，然后在拖拽漁網(wǎng)的過程中將塊體損壞錯(cuò)位，進(jìn)而導(dǎo)致其下的碎石墊層和土工布失去保護(hù)，經(jīng)流水不斷沖刷，損毀區(qū)域不斷擴(kuò)大。

4 修復(fù)方案比較

4.1 拋石和袋裝砂組合方案

在凹坑底部及周邊回填袋裝砂。底部回填袋裝砂至23.00 m高程左右，周邊回填袋裝砂不少于2層，然后在袋裝砂中間水平的位置拋填0.5 m厚的碎石過渡層，在碎石層上再拋填防沖保護(hù)塊石至原柔性海漫頂面設(shè)計(jì)高程。

圖4 拋石和袋裝砂組合方案修復(fù)示意圖Fig.4 Combination of riprap and bagged sand

4.2 灌注水下不分散混凝土方案

灌注水下不分散混凝土（加絮凝劑）方案從凹坑最底部開始，利用水下不分散混凝土自流平的特點(diǎn)向外側(cè)擴(kuò)散充填至原柔性海漫頂面設(shè)計(jì)高程。水下不分散混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20，配比時(shí)應(yīng)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度一個(gè)等級。水泥采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5或52.5，摻加UWB-Ⅱ絮凝劑，摻量約為水泥用量的2%～3%。

4.3 方案分析比選

拋石和袋裝砂組合方案施工簡單，工程費(fèi)用低，后期維護(hù)簡單，適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，但水下施工應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，要求拋填準(zhǔn)確，滿足設(shè)計(jì)布置要求。袋裝砂應(yīng)與水毀部位表面接觸密實(shí)，防止砂袋間相互架空，碎石回填料應(yīng)回填密實(shí)，拋填的防沖塊石應(yīng)與周邊完好的柔性海漫妥善銜接，保證下部粉細(xì)砂不被流水帶出。

由于加了絮凝劑的水下不分散混凝土與塌陷凹坑周邊的柔性海漫結(jié)合良好，因此水下不分散混凝土方案封閉效果較好，頂面平整，保證了泄流條件，但施工工藝相對復(fù)雜，工程費(fèi)用較高，混凝土塊體量大，柔性海漫適應(yīng)周邊的變形能力將來可能較差。

兩個(gè)方案都能修復(fù)水毀的泄水閘下游柔性海漫，鑒于興隆泄水閘下游河床為深厚粉細(xì)砂層，工程防沖安全問題十分突出，且為水下施工，綜合比較后采取拋石和袋裝砂組合方案。

圖5 灌注水下不分散混凝土方案修復(fù)示意圖Fig.5 Scheme of pouring underwater anti-washout concrete

5 處理效果

2018年8 月，柔性海漫修復(fù)完成并投入運(yùn)行。截至2019年汛后，最大下泄流量為7250 m3/s，修復(fù)區(qū)域未出現(xiàn)明顯異常。對比修復(fù)完成后與2019年汛后水下地形測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行一年后的結(jié)構(gòu)斷面和剛修復(fù)完成時(shí)的斷面基本吻合，確認(rèn)該方案修復(fù)效果較好，可以滿足運(yùn)行要求。

6 結(jié)語

（1）興隆泄水閘采用的新型海漫塊體結(jié)構(gòu)整體性和柔性好，抗沖能力和適應(yīng)變形能力強(qiáng)，制作工效高，施工速度快。但由于其是嵌套式裝配，相互之間依存度很高，存在“多米諾骨牌”效應(yīng)。

圖6 柔性海漫修復(fù)后與運(yùn)行后測量典型斷面比較圖Fig.6 Comparison between the typical section of flexible apron after restoration and after operation

（2）拋石和袋裝砂組合方案施工速度快，費(fèi)用較低，在工程實(shí)踐中取得了良好效果，對同類型柔性海漫水下修復(fù)有一定的借鑒作用。但存在漏拋及拋石不均勻等現(xiàn)象，因此在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)過程控制，加密水下測量，對漏拋區(qū)域及時(shí)補(bǔ)拋石。

（3）興隆水利樞紐建筑物基礎(chǔ)為深厚粉細(xì)砂層，極易產(chǎn)生沖刷和滲透破壞，運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，加強(qiáng)水下地形測量，出現(xiàn)問題及時(shí)修復(fù)，保證工程運(yùn)行安全。