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        泄水閘新型柔性海漫水毀修復(fù)方案比選分析

        2021-06-02 00:49:00超,吳錚,馮陽(yáng)
        大壩與安全 2021年1期
        關(guān)鍵詞:泄水閘海漫粉細(xì)砂

        王 超,吳 錚,馮 陽(yáng)

        (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(xiàn)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(jí)。該樞紐主要功能是枯水期抬高庫(kù)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(kāi)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(kù)水位和泄洪的任務(wù),其正常運(yùn)行對(duì)樞紐安全有至關(guān)重要的影響。泄水閘為Ⅰ級(jí)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(kāi)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(wèn)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(méi)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(zhǎng)29 m。消力池下游接長(zhǎng)20 m、厚50 cm的水平混凝土海漫,再接長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)下游河床的沖刷。興隆泄水閘下游海漫長(zhǎng)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(zhǎng)度控制工況為閘門(mén)開(kāi)度e=1.5 m時(shí),計(jì)算結(jié)果為60.3 m??紤]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(zhǎng)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(jiǎn)稱(chēng)“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(guò)21 m,由于沖刷深度大、發(fā)展過(guò)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(jí)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(jiǎn)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(zhǎng)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(lái),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(guò)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(zhǎng),為樞紐投入運(yùn)行以來(lái)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(duì)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(cè)量。

        3.1 水下測(cè)量結(jié)果

        水下測(cè)量發(fā)現(xiàn)泄水閘31~33號(hào)閘孔對(duì)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(kāi)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(lèi)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(duì)柔性海漫的損壞

        在對(duì)損毀區(qū)域進(jìn)行水下探摸及水下攝像過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(jí)為C20,配比時(shí)應(yīng)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度一個(gè)等級(jí)。水泥采用普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級(jí)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(jiǎn)單,工程費(fèi)用低,后期維護(hù)簡(jiǎn)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(mǎn)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(duì)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(lái)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(wèn)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(duì)比修復(fù)完成后與2019年汛后水下地形測(cè)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(mǎn)足運(yùn)行要求。

        6 結(jié)語(yǔ)

        (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(cè)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(duì)同類(lèi)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(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程控制,加密水下測(cè)量,對(duì)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(cè),加強(qiáng)水下地形測(cè)量,出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修復(fù),保證工程運(yùn)行安全。

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