水利樞紐工程水閘消能防沖新技術(shù)分析

徐黎，李江，顧春鋒，徐智

（南通市新江海河閘管理所，江蘇 南通 226001）

1 引言

研究國內(nèi)外水利樞紐工程水閘消能防沖普遍存在的問題，結(jié)合現(xiàn)有研究成果和相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致水閘消能防沖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的原因包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化、樞紐布置不合理以及消能防沖設(shè)施設(shè)計(jì)不符合水閘消能防沖要求等。為有效解決水閘消能防沖方面存在的問題，需要加強(qiáng)新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，提高水閘消能防沖結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差問題，減少水流長期沖刷對(duì)水閘消能防沖結(jié)構(gòu)的不利影響。

2 工程概況

本文以某地區(qū)水利樞紐工程為例，該工程初期修建的功能定位主要是防洪與供水，并為周邊居民生活、農(nóng)業(yè)灌溉以及航運(yùn)河道提供電能和水資源，同時(shí)對(duì)下游自然生態(tài)環(huán)境也能起到一定改善的作用效果。結(jié)合前期實(shí)地勘察情況，該工程由多個(gè)結(jié)構(gòu)共同組成，如泄水閘、電站廠房、擋水壩、河岸連續(xù)構(gòu)筑物等；正常時(shí)間段的蓄水位不超過40 m，總庫容約為3.8×108m3，防洪庫容則是約為2.8×108m3。

對(duì)該水利樞紐工程水閘運(yùn)行期和施工導(dǎo)流期進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以掌握水利樞紐工程整體運(yùn)行情況，進(jìn)一步分析水閘運(yùn)行期和施工導(dǎo)流期所面臨的消能防沖問題，為后續(xù)選擇消能防沖新技術(shù)以及針對(duì)性制訂技術(shù)方案提供參考依據(jù)。

3 運(yùn)行期水閘消能防沖問題

3.1 下游防沖槽長期受水流沖刷

防沖槽被水流長期沖刷是水利樞紐工程運(yùn)行期間較常出現(xiàn)的情況。由于防沖槽自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，且該工程下游河道存在單寬流量大、水閘消能較弱等問題，流量中較大的能量在流動(dòng)作用下向工程下游河道傳輸，使防沖槽受大能量水流的沖擊，其在長期沖刷過程中形成的破壞力一旦超出河床原有沖擊力的承受范圍，必然導(dǎo)致防沖槽結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。上述情況的出現(xiàn)與防沖槽柔軟散體的結(jié)構(gòu)特性有著直接關(guān)系，因此，需改善防沖槽結(jié)構(gòu)整體性能，解決防沖槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差問題，進(jìn)而達(dá)到提高防沖槽的抗沖能力目的。

3.2 倒塌現(xiàn)象在工程下游導(dǎo)墻部位頻繁出現(xiàn)

結(jié)合前工程實(shí)地勘察資料，發(fā)現(xiàn)在水利樞紐工程中，河床和河岸位置被不斷刷，導(dǎo)致該區(qū)域?qū)Σ课活l繁出現(xiàn)倒塌問題。在工程水閘上下游區(qū)域，水位差較大，尤其在平底板區(qū)域更易發(fā)生波狀水躍，因此在急流情況下，工程的泄洪閘海漫段及拋石防沖槽段的導(dǎo)墻失穩(wěn)與倒塌現(xiàn)象最為嚴(yán)重，導(dǎo)墻均向泄洪閘的方向倒塌。導(dǎo)墻倒塌現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)的原因與水利樞紐工程自身集水面積較大，導(dǎo)墻長期受泄洪沖刷作用有著密切關(guān)聯(lián)，泄洪沖刷作用所產(chǎn)生的巨大消能壓力超過導(dǎo)墻自身的承受能力，且下流河床部位在水利樞紐工程運(yùn)行期輔助泄洪，流經(jīng)的水中存在大量泥沙，最終使工程下游導(dǎo)墻在極強(qiáng)的破壞力沖擊下頻繁出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。

3.3 閘上沖刷

水利樞紐工程河道上游防護(hù)工作不到位，致使在泄洪時(shí)長時(shí)間遭受高強(qiáng)度沖刷作用影響，嚴(yán)重破壞了工程中的防滲墻等建筑結(jié)構(gòu)，極易引發(fā)一系列安全隱患。因此，需要制定符合實(shí)際情況的防護(hù)措施，加強(qiáng)對(duì)防滲墻等建筑結(jié)構(gòu)的保護(hù)，如將護(hù)底或防沖建筑合理設(shè)置于工程的防滲墻上游，以此削弱高強(qiáng)度沖刷作用對(duì)防滲墻等建筑結(jié)構(gòu)的破壞影響[1]。

4 施工導(dǎo)流期水閘消能防沖問題

當(dāng)水利樞紐工程進(jìn)入施工導(dǎo)流期，此時(shí)河床寬度將出現(xiàn)一定的縮減變化，加快了導(dǎo)流閘段的水流流速，水流能量隨著水流波動(dòng)加劇而發(fā)生無規(guī)律性紊亂，加劇消能防沖問題發(fā)生的可能性。

4.1 縱向圍堰上下游盤頭淘刷

縱向圍堰上下游盤頭是水利樞紐工程施工導(dǎo)流期水流情況極為復(fù)雜的區(qū)域，也是高頻率發(fā)生嚴(yán)重問題的部位，其中縱向圍堰上下游盤頭淘刷是該階段水利樞紐工程中較常見的問題。

4.2 縱向圍堰底板基礎(chǔ)受到?jīng)_刷作用

一般情況下，縱向圍堰底板基礎(chǔ)周圍均有相應(yīng)的防護(hù)措施，在施工導(dǎo)流期間，也常被作為泄洪閘的邊墩使用，若其底板基礎(chǔ)無任何防護(hù)措施，則會(huì)在長時(shí)間淘刷作用下發(fā)生嚴(yán)重的破壞問題，進(jìn)而降低導(dǎo)墻穩(wěn)定性，提升導(dǎo)墻倒塌的出現(xiàn)概率。

4.3 導(dǎo)流渠道渠底及坡腳受到?jīng)_刷與淘刷作用

流動(dòng)經(jīng)過的水流受河床束較窄、橫向圍堰阻隔等條件制約，導(dǎo)流渠道受到?jīng)_刷，不僅大幅加快渠道內(nèi)水流流速，水流能量也會(huì)發(fā)生紊亂，某種程度上增加了旋渦現(xiàn)象出現(xiàn)的概率。若河床地質(zhì)結(jié)構(gòu)整體相對(duì)薄弱，則會(huì)使導(dǎo)流渠道渠底及坡腳受到?jīng)_刷與淘刷的作用影響。

4.4 出現(xiàn)閘上沖刷情況

通常情況下，在水利樞紐工程的二期施工導(dǎo)流階段，普遍利用已經(jīng)完成建設(shè)的水閘輔助導(dǎo)流，加上水流受河床束較窄、橫向圍堰阻隔等條件制約，加快了泄洪閘上游縱橫圍堰中水流的流速，且水流能量發(fā)生紊亂，可能伴隨閘上沖刷情況出現(xiàn)。

5 水利樞紐工程水閘消能防沖新技術(shù)應(yīng)用

5.1 石籠網(wǎng)技術(shù)

在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充適量石塊，即為石籠網(wǎng)。鋼質(zhì)網(wǎng)兜、生態(tài)網(wǎng)格箱體、網(wǎng)格護(hù)墊等是組成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，其中選用鍍鋅低碳鋼絲作為加工制作鋼質(zhì)網(wǎng)兜和網(wǎng)格箱體的原材料，該類型材料具有良好的韌性和較高的強(qiáng)度，可以保證填充石塊的網(wǎng)兜向河床拋入時(shí)不會(huì)發(fā)生鋼絲斷裂。通過統(tǒng)計(jì)石籠網(wǎng)使用情況得知，長時(shí)間使用狀態(tài)下的石籠網(wǎng)，出現(xiàn)破損情況的概率較低。石籠網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面。

1）良好的滲透性。石籠網(wǎng)可在使用中充分發(fā)揮自身排水性能，在防沖槽表面進(jìn)行布置時(shí)省略排水孔預(yù)留環(huán)節(jié)，也能有效降低因水深變化壓力對(duì)其干擾。

2）較好的柔性撓曲性。當(dāng)位于防沖槽下部的石塊受到水流沖刷而發(fā)生位移時(shí)，石籠網(wǎng)內(nèi)部將會(huì)形成交錯(cuò)拉緊的狀態(tài)，增強(qiáng)自身對(duì)外部變形的適應(yīng)能力。

3）成本投入少。石塊、鵝卵石等是石籠網(wǎng)主要使用的填充材料，該類型填充材料較常見，為交通運(yùn)輸能力較差地區(qū)的水利樞紐工程施工提供了極大便利，有效節(jié)約了施工成本。

4）后期維護(hù)方便。因需要將隔板網(wǎng)在生態(tài)網(wǎng)格箱體的各方向進(jìn)行加設(shè)，確保鋼絲網(wǎng)局部發(fā)生破損時(shí)不會(huì)向四周擴(kuò)展，施工人員僅需修補(bǔ)破損部分的鋼絲網(wǎng)并重新填滿石塊即可[2]。另外，石籠網(wǎng)技術(shù)在防洪堤擋墻護(hù)岸與河道護(hù)坡的應(yīng)用中也能達(dá)到良好的效果。河道護(hù)坡中石籠施工工序如圖1 所示。

5.2 纖維混凝土技術(shù)

將適量的纖維物質(zhì)摻入混凝土中，形成纖維混凝土材料，按照摻入的纖維性質(zhì)進(jìn)行劃分，其中金屬纖維混凝土、有機(jī)物纖維混凝土。無機(jī)物纖維混凝土是現(xiàn)階段工程建設(shè)中較常用的纖維混凝土材料。在水利樞紐工程中，金屬纖維混凝土與有機(jī)物纖維混凝土的使用率較高，如鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土等。后者作為一種全新的混凝土性能增強(qiáng)材料，在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維，不僅能提升混凝土的抗裂性及防沖能力，也能有效降低使用過程中發(fā)生滲漏的可能性，極大增強(qiáng)混凝土在水利樞紐工程建設(shè)中的綜合性能，為纖維混凝土技術(shù)在水利樞紐工程中廣泛應(yīng)用提供了保障。一般情況下，可根據(jù)工程建設(shè)需要選擇合適的聚丙烯混凝土形式，如波狀聚丙烯混凝土、網(wǎng)狀聚丙烯混凝土等。該項(xiàng)技術(shù)具有成本投入少、加工制作簡單、應(yīng)用效果顯著等優(yōu)勢，在工程建設(shè)中合理應(yīng)用有利于提高水閘結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，強(qiáng)化水閘消能防沖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

在水閘消能防沖結(jié)構(gòu)中應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土?xí)r，主要集中在水閘底板、消力池斜坡段底板面層等部位，施工前僅需將一定量的聚丙烯纖維摻入混凝土中并進(jìn)行攪拌，無須對(duì)原有混凝土的配置比例進(jìn)行調(diào)整，既提升現(xiàn)場施工效率，又節(jié)約了施工成本。例如，在消力池斜坡段底板面層部位應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土技術(shù)時(shí)，需精準(zhǔn)計(jì)算消力池底板厚度，由于消力池內(nèi)底部水流的流動(dòng)速度較快，且水流狀態(tài)紊亂，必須保證保護(hù)河底的消力池底板足夠堅(jiān)固，有效減少水流沖刷對(duì)河床的負(fù)面影響。因此，按照消力池底板處于工作狀態(tài)時(shí)，受到水流沖擊作用也不會(huì)發(fā)生被掀起和位移的情況作為應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土技術(shù)的基本要求，以此計(jì)算消力池底板厚度。計(jì)算公式如下：

式中，t 為消力池底板始端厚度，m；k1為消力池底板計(jì)算系數(shù)；q為確定池深時(shí)的過閘單寬流量，m3/（s·m）；ΔH 為相應(yīng)單寬流量的上下游水位差，m；k2為消力池底板安全系數(shù)；U 為底板底面受到的揚(yáng)壓力，kPa；γ 為水的重度，kN/m3；hd為池內(nèi)水深，m；Pm為底板上的脈動(dòng)壓力，kPa；γb為池底板的飽和重度，kN/m3。

式（1）是基于抗沖要求對(duì)消力池底板式始端厚度進(jìn)行計(jì)算的；式（2）是基于抗浮要求對(duì)消力池底板式始端厚度進(jìn)行計(jì)算的，可選取二者計(jì)算結(jié)果最大值作為消力池底板始端厚度，以此為后續(xù)聚丙烯纖維混凝土作業(yè)開閘提供參考依據(jù)，保證聚丙烯纖維混凝土性能在水閘消能防沖結(jié)構(gòu)應(yīng)用中得到有效發(fā)揮[3]。纖維混凝土鋪蓋如圖2 所示。

圖2 纖維混凝土鋪蓋（單位：mm）

5.3 拋石混凝土技術(shù)

應(yīng)用拋石混凝土技術(shù)時(shí)，施工人員按照常規(guī)施工工藝完成塊石拋填作業(yè)后，需要根據(jù)既定的坍落度，將強(qiáng)度等級(jí)為C15 的混凝土在拋石表面進(jìn)行灌注，大粒徑塊石將在混凝土自身流動(dòng)作用下進(jìn)行隨機(jī)填充，最終形成混凝土拋石體。成本投入少、施工技術(shù)操作簡單、水泥消耗量少、穩(wěn)定性較強(qiáng)等是拋石混凝土技術(shù)的基本特征。其在水閘消能防沖結(jié)構(gòu)（如防沖槽結(jié)構(gòu)）中的應(yīng)用能有效提升結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及抗沖能力。在工程的縱向圍堰上下游盤頭以及岸坡護(hù)腳部位應(yīng)用拋石混凝土技術(shù)，可達(dá)到消能防沖效果。拋石混凝土技術(shù)在防沖槽結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用示意如圖3 所示。

圖3 拋石混凝土技術(shù)在防沖槽結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用示意圖

6 結(jié)語

綜上所述，水利樞紐工程中的水閘具有水位調(diào)節(jié)、控制流量及汛期輔助泄洪等功能，其中消能防沖是水閘運(yùn)行期與樞紐施工導(dǎo)流期較常出現(xiàn)的問題，對(duì)工程結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性具有較大影響。因此，在實(shí)際工程建設(shè)中，需重視和加強(qiáng)新技術(shù)、新材料在水閘消能防沖結(jié)構(gòu)薄弱部位的應(yīng)用，增強(qiáng)薄弱部位的抗沖能力。同時(shí)根據(jù)水利樞紐工程水閘的類型及工作特點(diǎn)，制定針對(duì)性的消能防沖措施，降低水流沖刷作用對(duì)河道的不利影響；做好工程上、下游河岸的防護(hù)工作，適當(dāng)增加護(hù)岸的長度與河岸護(hù)坡的厚度，以此增強(qiáng)坡腳穩(wěn)定性，削弱回流淘刷對(duì)上、下游保護(hù)段兩岸的破壞力，全面提高消能防沖結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。