那吉航運樞紐大壩消力池?fù)p毀成因和搶修方案分析

黃寧　吳信　陸遠(yuǎn)文

摘要：文章分析了那吉航運樞紐消力池淘蝕、海漫損毀的原因，并提出了針對性的搶修加固方案。方案應(yīng)用結(jié)果表明，搶修工程效果良好，具有一定代表性，經(jīng)過一個汛期的運行，沒有發(fā)現(xiàn)異常。該搶修方案可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：消力池;海漫;水躍;閘門開啟

中圖分類號：U617.9+1

0 引言

那吉水電站為低水頭徑流式電站，溢流壩壩基為E2n2-3泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、泥巖的弱風(fēng)化巖層，抗沖刷性較差。本文從河床下切水位下降、地形地質(zhì)條件、超標(biāo)洪水等方面分析了那吉航運樞紐攔河壩消力池被淘空、海漫損毀的原因，提出了修復(fù)設(shè)計方案，以期為其他類似工程提供有益的借鑒。

1 概述

那吉航運樞紐位于廣西右江百色市境內(nèi)，是百色水庫的反調(diào)節(jié)水庫，是以航運為主、結(jié)合發(fā)電、兼顧其他效益的水資源綜合利用工程。水庫正常蓄水位為115.0 m，總庫容為1.83億 m3，電站裝機容量為66 MW，船閘通航標(biāo)準(zhǔn)為2×1 000 噸級頂推船隊。工程等別為三等工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物等級為4級。攔河壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。樞紐由攔河閘壩、電站、船閘、樞紐對外交通橋等建筑物組成。工程于2008年建成投入使用。

溢流壩段最大壩高為27.5 m，采用WES低堰，堰頂高程為104.0 m，共布置10孔溢流壩，孔口尺寸為16 m×11.6 m。溢流壩工作門為弧形門，由液壓啟閉機啟閉。在壩下游右岸3個溢流孔和左岸7個溢流孔之間布置有一道縱向?qū)Γㄊ┕て诳v向圍堰）。溢流壩采用底流消能，在壩下布置消力池，消能設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇（Q=3 680 m3/s）。根據(jù)模型試驗優(yōu)化成果，消力池采用無尾坎式，底板頂高程為99.00 m，池長29 m，寬184 m。消力池設(shè)有兩排消力墩，按品字型布置，排距為2.0 m，墩高為1.5 m。消力池后布置護坦，右岸3個溢流孔作為二期施工導(dǎo)流使用，采用混凝土護坦，長度為114 m，在其下游再設(shè)長度為140 m的C25混凝土護底;左岸7個溢流孔采用混凝土護坦，長度為56 m，在其末端設(shè)置防沖槽，槽內(nèi)拋填塊石[1]。

溢流壩段建基面高程為94.00 m。壩基主要為E2n2-3泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、泥巖的弱風(fēng)化巖層，下部除存在煤薄層、煤線或炭質(zhì)條紋層外，無其他軟弱層分布。地基巖土體強度高，能滿足基礎(chǔ)對地基承載力的要求，但抗沖刷性較差[2]。

2 大壩消力池?fù)p毀情況

那吉水電站為徑流式電站，只有日調(diào)節(jié)性能。自工程投入使用以來，幾乎每年均開閘泄洪，2015年曾經(jīng)出現(xiàn)超過50年一遇的超標(biāo)洪水（最大出庫流量達(dá)Q=4 177 m3/s）。由于受下游魚梁水庫回水影響，消力池、海漫常年被淹，致使未能及時掌握消力池和海漫的變化情況。直到2019年對大壩下游進行了水下檢查和水下測量，才發(fā)現(xiàn)溢流壩左岸7孔泄洪閘消力池被淘空、海漫嚴(yán)重?fù)p毀：消力池尾部被淘空，最大淘空深度為2～4 m;海漫混凝土塊大部分脫落、移位，出現(xiàn)多處面積為100～200 m2、深為4～5 m的沖刷坑;靠近下游縱向?qū)?cè)的3孔泄洪閘混凝土海漫大部分被洪水沖走，沿縱向?qū)π纬蓪?0～30 m、深3～5.8 m的沖刷槽;下游縱向?qū)A(chǔ)大部分被淘空，混凝土澆筑分層處錯位開裂，有一道明顯裂縫。根據(jù)水下檢查和水下測量成果判斷，那吉航運樞紐下游左7孔溢流閘的消力池被淘空，海漫大部分已經(jīng)損毀，嚴(yán)重威脅到大壩的安全，迫切需要搶修。

3 原因分析

根據(jù)對工程現(xiàn)狀運行條件和設(shè)計資料進行分析，那吉航運樞紐下游消力池被淘空、海漫嚴(yán)重?fù)p毀的主要原因有以下幾點：

（1）河床下切水位下降，形成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。那吉樞紐大壩區(qū)下游河道近年受過度采砂等影響，河床下切較多，在小流量工況時，下游水位下降明顯。壩下水位流量關(guān)系設(shè)計值與電站實測記錄值對比如表1所示。

從表1可以看到，在溢流壩下泄≤1 000 m3/s流量時，壩下水位比原設(shè)計下降了0.33～1.67 m，致使消力池水頭差增加，下游水深變淺，消力池的運行條件發(fā)生不利變化。

另外，根據(jù)設(shè)計的運行方案，大壩下泄流量≤1 300 m3/s時，要求大壩左7孔溢流閘門均勻開啟，逐步提升。但在大壩實際運行時，通常先開啟中間6#、7#閘孔，起始提升高度為0.5 m，來水量約>200 m3/s，再對稱開啟5#、8#溢流閘，并按0.5～1.0 m一檔，逐級提升閘門，由此造成溢流壩下泄的單寬流量明顯大于設(shè)計值，能量集中，加劇河床沖刷。

經(jīng)驗算，在上述兩種因素作用下，下泄流量Q<1 000 m3/s時，消力池下游形成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，壩下存在急流段，河床受到高速水流沖刷，是致使消力池被淘空、海漫損毀的主要原因之一。

（2）軟巖地基，抗沖刷能力差。消力池、海漫下伏基巖為第三系始新統(tǒng)那讀組的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，強度低，抗沖刷能力弱，且由于覆蓋層較厚，部分海漫體放置在砂卵石層上，土石層容易發(fā)生變形，使得海漫分塊間形成錯位，溢流壩下泄的高速水流從縫隙穿過，將砂卵石帶走，使海漫變形加大。在翻滾水流作用下，海漫變位、脫落、失效，失去保護的地基直接受到高速水流沖刷，很快形成沖刷坑（槽），海漫損毀范圍逐步擴大，從而淘空消力池。

（3）受下游河道地形影響。在距離消力池下游約200 m的那吉大橋的左岸橋墩上下游約20 m范圍地形較高（高程約為101.5 m），為交通橋施工時硬化的場地，占據(jù)了左岸小半個河床，對水流形成明顯阻礙，導(dǎo)致水流往河道中間匯集，全部從下游縱向?qū)εc硬化場地之間的狹窄通道下泄，致使流速增大，加劇河床沖刷。在水流長期作用下，下游縱向?qū)Ω浇Ｂw全部被沖走，最終沿縱向?qū)π纬闪艘坏郎钸_(dá)5～10 m、寬約20 m的沖刷槽。

（4）超標(biāo)洪水影響。那吉航道樞紐大壩消力池的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為 30年一遇（Q=3 680 m3/s）。2015-09-12那吉航運樞紐出現(xiàn)超標(biāo)洪水（入庫Qmax=3 957 m3/s，出庫Qmax=4 177 m3/s。上下游水位差達(dá)1.83 m），出庫流量大于50年一遇洪水（Q=3 750 m3/s）。在超標(biāo)洪水作用下，河道受到嚴(yán)重沖刷，導(dǎo)致消力池淘空，海漫損毀。

4 搶修方案

本工程在大流量工況時大壩上、下游水位基本持平，不是消力池的控制工況，故在修復(fù)設(shè)計時主要根據(jù)實測的水位流量關(guān)系，對50年一遇以下的各級洪水進行消能防沖復(fù)核。同時結(jié)合電站實際運行情況優(yōu)化閘門開啟方案，按“先中間后兩側(cè)，對稱開啟，逐漸提升”的原則，先開啟中間兩孔閘門，閘門起始開啟高度取0.25 m，在下游水位逐漸抬高后再增加每級開啟高度。電站發(fā)電按較不利組合考慮，發(fā)電流量分別取Q=600 m3/s、400 m3/s、200 m3/s。閘門開度及相應(yīng)消能計算成果如表2～4所示[3]。

從表2看，在電站基本滿發(fā)（發(fā)電流量Q=600 m3/s）工況下，按優(yōu)化后的閘門開啟方式，消力池均為淹沒式水躍，計算要求的消力池長為25 m，原消力池長度能滿足要求。但當(dāng)遇到電站檢修等工況（電站發(fā)電流量Q=400 m3/s、Q=200 m3/s，如表3、表4所示），下泄較小流量時，大壩下游出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，壩下存在急流段，需增加消力池及海漫的長度。

由于消力池被淘空，海漫幾乎全損毀，已不能保證安全度汛，急需在汛期前完成加固。在缺乏模型試驗資料，難以估算遠(yuǎn)驅(qū)式水躍出現(xiàn)位置的情況下，為確保大壩樞紐安全，經(jīng)研究后將消力池再延長15 m，并在消力池后修建55 m長的混凝土海漫。結(jié)合現(xiàn)有消力池下游河床的沖刷情況，同時為使消力池出口段獲得較大的水深，減少急流段長度，新建消力池和海漫縱向均設(shè)置緩坡。具體加固設(shè)計方案如圖1所示[3]。

根據(jù)工程區(qū)的施工條件，擬定了兩個技改方案進行比選，即：圍堰施工方案和水下施工方案?？紤]到圍堰施工方案可有效消除工程安全隱患，施工質(zhì)量有保障，施工進度可控，且工程投資相差不大，推薦采用。加固工程于2019年12月開始進場施工，2020年4月初基本施工完成，目前經(jīng)過一個汛期的運行，沒有發(fā)現(xiàn)異常。

5 結(jié)語

近年由于受河道采砂等因素影響，較多河流的梯級水庫下游出現(xiàn)河道下切、水位下降現(xiàn)象，大壩消力池的運行條件發(fā)生了改變。當(dāng)消力池、海漫出現(xiàn)不良流態(tài)，特別是出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍時，應(yīng)及時采取處理措施，以免危害到建筑物安全。低水頭閘壩水頭較小，下泄能量不大，消能設(shè)施一般比較簡單，對河道的防護范圍較小，但由于河道水流邊界條件多，流態(tài)復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計算分析洪水對河床的影響。因此，在軟基巖上設(shè)計低水頭閘壩消能設(shè)施時，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)母挥?，以確保工程能安全運行。另外，大壩消能功能的設(shè)計應(yīng)結(jié)合閘門的操作規(guī)程，選取合理、可行的開啟方案，計算時按最不利組合考慮。

參考文獻(xiàn)

[1]廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西水利電力勘測設(shè)計研究院.廣西右江航運建設(shè)那吉航運樞紐工程初步設(shè)計[R].南寧：2003.

[2]廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西水利電力勘測設(shè)計研究院.廣西右江航運建設(shè)那吉航運樞紐工程施工圖設(shè)計[R].南寧：2005.

[3]廣西交通設(shè)計集團有限公司.那吉樞紐下游水下結(jié)構(gòu)技改（搶修）[R].南寧：2020.

作者簡介：

黃 寧（1988—），工程師，主要從事港口工程設(shè)計工作;

吳 信（1967—），教授級高級工程師，主要從事港口工程設(shè)計工作;

陸遠(yuǎn)文（1978—），高級工程師，主要從事水利水電和港口工程設(shè)計工作。