武都閘壩水毀成因分析及修復方案研究

宋來春，李 楨

（1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430000；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學院，成都 610000）

由于閘壩施工質(zhì)量或者超標洪水的作用，經(jīng)常會發(fā)生水毀現(xiàn)象，嚴重影響工程的運行安全。王俊等[1]通過理論計算分析海漫段水毀的主要原因，提出整治方案，利用FLUENT 軟件對漫水灣閘壩下游海漫段整治前后的閘壩泄流進行三維流場數(shù)值模擬，分別得到校核工況下閘壩下游整治前后的泄流流態(tài)和壓力場等模擬結(jié)果。楊萬志等[2]通過典型工程的現(xiàn)場勘測和調(diào)查，科學地劃分了水毀形式及程度，系統(tǒng)地分析了水毀的成因，提出了比較完整的修復修補措施。張元[3]結(jié)合了實際的案例研究了水庫除險加固及引水工程取水攔河壩水毀修復改造設(shè)計方案。蔣建新[4]通過新羅區(qū)小型攔河壩水毀工程原因分析和修復經(jīng)歷，介紹了山區(qū)小型攔河壩水毀段工程修復設(shè)計要點與改造經(jīng)驗。

武都取水樞紐位于四川省江油市武都鎮(zhèn)涪江干流燈籠橋處，是武都引水工程一期中重要的組成部分，其控制集雨面積5 814 km2，正常蓄水位572.50 m。取水樞紐壩軸線總長123 m，由左岸進水閘、沖砂閘、泄洪閘、右岸進水閘和右岸非溢流壩段（儲門槽）等組成。

1 水毀情況與成因分析

1.1 水毀情況

8月11日10 時—8月16日19 時武都水庫下泄流量由1 950 m3/s 逐漸加大到3 755 m3/s，8月16日19 時—8月17日24 時，武都水庫下泄流量達到4 797 m3/s。8月17日上午6 時，值班人員報告取水樞紐沖砂閘下游左岸擋墻頂部沉陷，發(fā)現(xiàn)擋墻背廂出現(xiàn)垮塌，于當日晚21 時開始組織機械對沉陷部位采用泥夾石進行回填，當晚24時，武都水庫開始加大出庫下泄流量，武都水庫下泄洪水流量為5 300 m3/s，次日13 時擋墻垮塌60 余m。為防止受損面積進一步擴大，8月18日13 時武都水庫開始削減出庫下泄洪水流量至3 500 m3/s。

“8·11”洪水過后，經(jīng)放水檢查發(fā)現(xiàn)：取水樞紐1#、2#沖砂閘下游海漫末端（含防沖槽）順水流方向長25 m、寬40 m 損毀，3#—7#泄洪閘下游海漫末端防沖槽塌陷，末端海漫局部脫空；5#泄洪閘下游二級護坦（長7 m、寬1.5 m）、7#閘室底板（長4 m、寬10 m）、7#泄洪閘下游二級護坦（長3 m、寬1 m）、4#—7#泄洪閘下游海漫和防沖槽等上述部分混凝土面層沖刷嚴重，骨料裸露、部分鋼筋外露；取水樞紐下游左岸混凝土擋土墻沉陷坍塌長度約60 m，且坍塌段前后各約10 m 墻后填筑砂卵石塌陷脫空。

1.2 成因分析

根據(jù)取水樞紐攔河閘“8.11”水毀情況，結(jié)合現(xiàn)場實地檢查和了解，閘室底板、護坦和海漫部分混凝土面層所形成的沖蝕損壞，其主要原因是工程運行期間長期受水流沖刷及推移質(zhì)磨蝕所致；海漫末端防沖槽和左岸護岸局部擋墻所形成的水毀，其主要原因分析如下。

1.2.1 洪水流量大、持續(xù)時間長

2020年8月11日至24日，受持續(xù)強降雨影響，涪江上游發(fā)生特大洪水，8月11日10 時—8月16日19 時武都水庫下泄流量由1 950 m3/s 逐漸加大到3 755 m3/s；8月16日19 時—8月17日24 時，武都水庫下泄流量達到4 797 m3/s，持續(xù)時間長達29 h；8月18日0 時，武都水庫加大出庫下泄流量，下泄流量達到5 300 m3/s，18日13時武都水庫開始削減出庫下泄洪水流量至3 500 m3/s，武都水庫出庫下泄流量5 300 m3/s 持續(xù)時間長達12 h。

根據(jù)GB 50201—2014《防洪標準》和SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》相關(guān)規(guī)定，本工程取水樞紐攔河閘消能防沖洪水標準為50年一遇，相應洪水流量為4 000 m3/s。武都水庫出庫下泄流量4 797 m3/s持續(xù)時間長達29 h，下泄流量5 300 m3/s，持續(xù)時間長達12 h，洪水流量大、持續(xù)時間長是取水樞紐閘室、下游護坦及海漫、防沖槽和左岸擋墻等遭受不同程度損毀的主要原因之一。

某地鐵盾構(gòu)隧道在運營期出現(xiàn)管片襯砌幾何形態(tài)異常以及變形較大等問題，相關(guān)部門針對上述問題對管片襯砌變形較大的區(qū)域進行了專項病害整治，獲得了該盾構(gòu)隧道在管片收斂整治過程中的變形特性。

1.2.2 下游河床降低

根據(jù)現(xiàn)場實地檢查發(fā)現(xiàn)，取水樞紐攔河閘下游河床明顯降低。根據(jù)實測下游河道大斷面，經(jīng)攔河閘下游水位流量關(guān)系曲線復核計算可知：設(shè)計洪水流量6 060 m3/s時，下游洪水位為574.86 m，較原設(shè)計洪水位576.67 m 降低了1.81 m；校核洪水流量7 660 m3/s 時，下游洪水位為574.86 m，較原校核洪水位577.90 m 降低了3.04 m。

取水樞紐攔河閘下游河床降低，改變了原河道水流條件和增加了上下游水位差，致使海漫末端水流與下游河道水流形成明顯跌落，不能平順連接，造成海漫后河床沖刷嚴重，并掏蝕防沖槽和海漫基礎(chǔ)，這是導致海漫、防沖槽和左岸擋墻等遭受不同程度損毀的主要原因之一。

1.2.3 下游分洪道影響

取水樞紐下游左岸凹岸原為天然的分洪道，現(xiàn)分洪道入口修建了混凝土擋墻，取水樞紐1#、2#沖砂閘下游海漫末端距分洪道擋墻最近距離約120 m，擋墻頂部高程為571.6 m 左右，較主河床高5～6 m，導致中小流量的洪水經(jīng)擋墻折向后在左岸回旋對左岸擋墻基礎(chǔ)進行掏刷；也改變了原河道水流條件，造成河道水流紊亂，從而加劇了沖砂閘后海漫及左側(cè)擋墻基礎(chǔ)掏刷、結(jié)構(gòu)破壞。

1.2.4 武都水庫影響

武都水庫建成后，對下游武都取水樞紐和河道均產(chǎn)生了一定的影響，初步分析如下：①防洪是武都水庫的主要功能之一，洪水調(diào)節(jié)后，下泄的中等流量持續(xù)時間增長，改變了原河道天然洪水過程。②武都水庫建成后，水庫將攔蓄大量泥沙，下游河道長期處于清水沖刷狀態(tài)，從而打破了原河道沖淤平衡，是造成取水樞紐攔河閘下游河床下切的原因之一。③本取水樞紐攔河閘距武都水庫較近，僅位于武都水庫下游約1.3 km 處，武都水庫泄洪時其洪水勢能對取水樞紐攔河閘上游水流流速產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)上游實測資料，取水樞紐閘門全開在相同下泄流量的情況下，上游水位武都水庫建成后較建成前低0.5～0.8 m，說明武都水庫建成后取水樞紐上游水流流速及水能有所加大，對取水樞紐護坦、海漫及下游河床沖刷產(chǎn)生一定影響。

2 修復設(shè)計研究

2.1 修復設(shè)計原則

武都引水工程取水樞紐是保證灌區(qū)旱澇保收和防洪安全的關(guān)鍵性工程，作為灌區(qū)的生命工程，其運行狀況的好壞直接關(guān)系到全灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)和人民生活用水及經(jīng)濟發(fā)展?！?·11”洪水對武都取水樞紐閘室、下游護坦及海漫、防沖槽和左岸擋墻等造成不同程度的損毀，本修復設(shè)計原則為針對各建筑物損壞部位進行修復并對其進行消能防沖刷保護，恢復其建筑物功能，確保各建筑物安全運行。同時通過加固河床，提高河床的抗沖刷能力；通過對河床的清理平整，更加順應地形和河勢要求，平順水流流態(tài)，使水流流態(tài)順暢，減少水流紊亂對工程帶來的不利影響。

2.2 修復方案

武都引水工程取水樞紐各建筑物修復方案見表1。

表1 各建筑物修復方案簡要表

2.3 修復設(shè)計

2.3.1 閘室、護坦修復設(shè)計

（1）修復材料的選擇。綜合目前國內(nèi)常用的抗沖磨材料，參考類似工程經(jīng)驗，閘室、護坦選擇以下修復材料進行比選，各修復材料具體技術(shù)參數(shù)見表2。

根據(jù)表2各修復材料的物理力學性能、黏結(jié)性、變形性能、耐久性、耐磨性和施工便利性等方面的綜合比選，本工程閘室底板和護坦已磨蝕損壞混凝土修復材料方案采用方案三，即環(huán)氧砂漿或環(huán)氧混凝土方案。環(huán)氧混凝土（砂漿）優(yōu)點為具有較強的耐磨性、抗沖擊性能和抗裂性能，且與基礎(chǔ)混凝土有很高的黏結(jié)強度，目前已廣泛應用于水利建筑物混凝土的修復工程。

表2 各修復材料技術(shù)參數(shù)對比表

（2）修復設(shè)計。閘室底板和護坦混凝土磨損厚度小于3 cm，采用環(huán)氧砂漿修復至原設(shè)計結(jié)構(gòu)面；混凝土磨損厚度大于3 cm，小于10 cm，鋼筋有所裸露但鋼筋磨蝕尚不嚴重，對露筋部位進行除銹處理，然后采用澆筑環(huán)氧混凝土恢復至原設(shè)計結(jié)構(gòu)面；混凝土磨損厚度大于10 cm，重新按照原設(shè)計布置鋼筋網(wǎng)，并設(shè)置插筋，然后采用澆筑環(huán)氧混凝土恢復至原設(shè)計結(jié)構(gòu)面。

2.3.2 海漫修復設(shè)計

（1）修復方案選擇。武都水庫建成后，水庫將上游大量泥沙攔蓄在庫內(nèi)，武都水庫取水樞紐攔河閘長期處于清水泄流狀態(tài)，對建筑物混凝土磨蝕損壞得到很大程度的降低，因此針對海漫修復方案擬定了消力池方案、斜墻防沖方案和垂直防沖方案3 種方案進行比選。

根據(jù)3 種方案的工程布置和擬定的建筑物結(jié)構(gòu)尺寸，進行了投資估算，對主要技術(shù)經(jīng)濟指標及優(yōu)缺點進行對比分析后得出：消力池方案工程投資略高，消力池方案優(yōu)點在于河床水流經(jīng)消力池有效消能后，對兩岸擋墻及下游河床沖刷影響相對較小，有利于河床河勢穩(wěn)定，同時消力池方案施工難度相對較簡單，海漫修復設(shè)計方案推薦消力池方案。

（2）修復設(shè)計。根據(jù)海漫水毀情況，結(jié)合下游河床沖坑位置及高程，為使消力池底板置于原狀砂卵石層，以免基礎(chǔ)砂卵石分層碾壓填筑而影響施工工期，取水樞紐攔河閘下游二級護坦以后海漫全部拆除，新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)消力池。消力池順水流方向全長60.0 m，垂直水流方向?qū)挒?5～115 m，由平臺連接段、斜坡連接段和池身段組成，其中平臺連接段長5.0 m，平臺高程567.94 m；斜坡連接段長12.0 m，斜坡坡比1∶4.0；池身段長41.0 m，池深3.0 m，底板高程564.94 m，末端為消力坎，坎頂寬2.0 m，坎頂高程567.94 m。消力池底板厚2.0 m，為C35 鋼筋砼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)置于原狀砂卵石層上。消力池末端結(jié)合消力坎設(shè)置C25 鋼筋砼防沖齒墻，齒墻深9.0 m。

2.3.3 下游擋墻修復設(shè)計

根據(jù)左岸下游護岸擋墻水毀情況，結(jié)合分洪道進口固化擋墻拆除和疏浚情況，同時考慮到水流回流淘刷的特點，拆除了原坍塌部分及以后擋墻，采用仰斜式擋土墻進行改建，改建后擋墻軸線適當外移，使得左岸出流更加平順。拆除分洪道進口河床地面以上固化擋墻，改建后擋墻伸入分洪道，擋墻上游與左岸現(xiàn)存的擋墻順接，下游與分洪道左側(cè)岸坡順接，改建擋墻的長度為236 m。

2.3.4 下游河床修復設(shè)計

根據(jù)水下地形物探成果，海漫下游主河床沖刷下切嚴重，形成15 m 的深坑，對泄洪水流流態(tài)影響較大，目前海漫末端水流與下游河道水流形成明顯跌落，不能平順連接，從而加劇海漫后河床沖刷，并掏蝕防沖槽和海漫基礎(chǔ)，造成海漫、防沖槽和左岸擋墻等遭受不同程度損毀。

本次修復針對消力池下游主河床深坑采用砂和級配塊碎石分層回填規(guī)整清理，回填分層共計5 層，每層厚約3.0 m，每層粒徑自下而上逐級變大，依次為第①層（底層）采用粒徑小于5 cm 砂回填；第②層采用最大粒徑8 cm級配連續(xù)塊碎石回填；第③層采用最大粒徑30 cm 級配連續(xù)塊碎石回填；第④層采用最大粒徑50 cm 級配連續(xù)塊碎石回填；第⑤層（面層）采用粒徑50～80 cm 大塊石（含砼拆除料）進行回填護面，以提高河床的抗沖刷能力；此外，在深坑第三層和第四層回填周邊與原地面接觸層采用第②層回填料（最大粒徑8 cm 級配連續(xù)塊碎石）回填，厚度不小于3.0 m。河床清理規(guī)整范圍為至下游樁號0+304 m，上游與消力池末端的格賓石籠頂面銜接，下游采用約1∶50 順坡與天然河床順接。

3 結(jié)束語

本文對武都閘壩水毀成因進行了詳細的分析，并針對閘壩和護坦的水毀情況，提出了相應的修復措施和工程設(shè)計，設(shè)計成果可為類似工程提供參考。