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,承擔著控制水庫水位和泄洪的任務(wù),其正常運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,投入正常運行,迄今已安全運行5年多。
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、飽和砂土震動液化及壩基滲漏與滲透穩(wěn)定等。閘室持力層主要為粉細砂或含泥粉細砂,其下為全新統(tǒng)下段粉細砂和上更新統(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行泄水閘粉細砂基礎(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)處理沒有到達持力層。
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,標準槽段長度為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
消力池底流消能只能消除出閘水流的一部分能量,出消力池水流紊動現(xiàn)象仍較劇烈,底部流速大,因此還須設(shè)置海漫進一步消減水流剩余能量,使水流均勻擴散,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。
計算可能出現(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,計算結(jié)果為60.3 m??紤]到閘下河床粉細砂抗沖能力極低、閘孔數(shù)量多、水閘運行調(diào)度復(fù)雜,應(yīng)適當留有安全余地,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”)。
經(jīng)計算,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,采取補救措施難度大,溯源沖刷會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)模型驗證了其整體性能優(yōu)良,抗沖能力強。塊體平面設(shè)計成“H”形,單塊長度和寬度都為48 cm,單個凈面積0.1314 m2,腿高14.5 cm,腰高19 cm,兩腿內(nèi)細外粗,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
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)強降雨,10月6日22時最大洪峰過境興隆,洪峰流量達13700 m3/s。2017年漢江秋汛強度大、持續(xù)時間長,為樞紐投入運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。
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
3.2.1 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,有整體性和柔性好、抗沖能力和適應(yīng)變形能力強等優(yōu)點,但缺點也同樣突出,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,可能會導(dǎo)致“多米諾骨牌”效應(yīng),最終造成整個區(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位,進而導(dǎo)致其下的碎石墊層和土工布失去保護,經(jīng)流水不斷沖刷,損毀區(qū)域不斷擴大。
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塊石至原柔性海漫頂面設(shè)計高程。
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
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向外側(cè)擴散充填至原柔性海漫頂面設(shè)計高程。水下不分散混凝土的設(shè)計強度等級為C20,配比時應(yīng)高于設(shè)計強度一個等級。水泥采用普通硅酸鹽水泥,強度等級為42.5或52.5,摻加UWB-Ⅱ絮凝劑,摻量約為水泥用量的2%~3%。
拋石和袋裝砂組合方案施工簡單,工程費用低,后期維護簡單,適應(yīng)變形能力較強,但水下施工應(yīng)嚴格控制施工質(zhì)量,要求拋填準確,滿足設(shè)計布置要求。袋裝砂應(yīng)與水毀部位表面接觸密實,防止砂袋間相互架空,碎石回填料應(yīng)回填密實,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
2018年8 月,柔性海漫修復(fù)完成并投入運行。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)運行一年后的結(jié)構(gòu)斷面和剛修復(fù)完成時的斷面基本吻合,確認該方案修復(fù)效果較好,可以滿足運行要求。
(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,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,費用較低,在工程實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)加強過程控制,加密水下測量,對漏拋區(qū)域及時補拋石。
(3)興隆水利樞紐建筑物基礎(chǔ)為深厚粉細砂層,極易產(chǎn)生沖刷和滲透破壞,運行中應(yīng)加強監(jiān)測,加強水下地形測量,出現(xiàn)問題及時修復(fù),保證工程運行安全。