薛萍萍，鮮凡凡，韓斐

(江蘇省石港抽水站江管理，江蘇淮安，211624)

引言

山區(qū)水利工程的修建主要是用于導(dǎo)洪以及灌溉。由于山區(qū)中河道水源源頭較短、水流湍急，在降水作用下水位將會驟漲驟降，洪峰階段歷時(shí)短、流量大、流速快，并具有較大的破壞性等特性，因此山區(qū)中的水利工程在水位調(diào)節(jié)、流量控制以及排洪等方面具有重要的作用[1]。山區(qū)水利工程的水閘設(shè)施與其它區(qū)域的相比，在同等級別情況下過閘流量較大、水閘結(jié)構(gòu)安全系數(shù)下降程度更大，因此，山區(qū)水利工程水閘的消能防沖對于工程整體結(jié)構(gòu)的安全性而言極為重要[2]。目前，山區(qū)水利工程水閘在運(yùn)行期間消能防沖方面具有較多的問題，并且關(guān)系此方面問題的研究往往僅是處于實(shí)驗(yàn)分析階段，并未就具體問題進(jìn)行實(shí)際的調(diào)查研究。隨著水利工程技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新型材料、技術(shù)被逐漸應(yīng)用于水閘消能防沖相關(guān)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位[3]。本文將根據(jù)實(shí)際工程案例，分析纖維混凝土應(yīng)用在閘底板與池底板、石籠網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在拋石防沖槽與圍堰護(hù)坡、拋石混凝土應(yīng)用在防沖槽以及導(dǎo)流明渠護(hù)腳中的效果，并為水利樞紐工程水閘消能防沖中存在的問題提出應(yīng)對措施。

1 工程概況

1.1 工程情況分析

某水利工程是一座Ⅱ等大(2)型水利工程，主要具有防洪、供水作用，并兼顧生產(chǎn)生活供電、航運(yùn)河道、農(nóng)業(yè)灌溉以及改善下游自然生態(tài)等作用。工程有效控制流域面積為2.66×104km2。本工程由泄水閘、電站廠房、航運(yùn)船閘、魚類洄游通道、擋水壩以及河岸連續(xù)建筑物等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本工程的正常蓄水位為40m，總庫容為3.7×108m3，其中防洪庫容為2.7×108m3。工程的總裝機(jī)容量為100MW。工程布局及工程段河道平面圖如圖1所示。

圖1 工程布局及工程段河道平面

本工程設(shè)計(jì)可抵御百年一遇洪水(P=1%)，水庫的設(shè)計(jì)洪水位47.5m；校核設(shè)計(jì)可抵御千年一遇洪水(P=0.1%)，水庫的校核設(shè)計(jì)洪水位47.5m。其中工程中消能放沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可抵御五十年一遇洪水(P=2%)。水庫大壩中部設(shè)置有18孔泄水閘道，下游為底流消能。

本工程所在地區(qū)流域河道彎曲較多且狹窄，河道最寬處為300m～400m，下游800m處河道原始寬度為200m，經(jīng)過工程改造后擴(kuò)寬至280m。工程所在流域的河床覆蓋層為10m～28m厚的粗砂層，壩址基巖為花崗巖層，并且?guī)r性較為單一，具有完整性。

綜上所述，本工程具有泄洪量大、水頭高、河道彎曲狹窄、河道通航情況復(fù)雜、河床基軟且厚、下游河道易受到?jīng)_刷等特點(diǎn)。

1.2 調(diào)度運(yùn)行及水文條件

按照本工程的設(shè)計(jì)要求，泄水閘調(diào)度運(yùn)行的主要原則以及操作步驟為：來水量不大于工程的滿發(fā)電流量以及下游生態(tài)用水流量時(shí)(Qp≤1362m3/s)，泄洪閘將關(guān)閉，水庫水位將達(dá)到正常蓄水位值，即38m，工程正常運(yùn)行；當(dāng)工程處于機(jī)組停發(fā)流量時(shí)(1362m3/s12930m3/s)，工程將開啟防洪模式，并依據(jù)洪峰水量實(shí)施分級泄洪，以保障工程的安全。各級洪水流量水位參數(shù)如表1所示。

表1 各級洪水流量水位參數(shù)

按照本工程的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)確定泄水閘的排洪狀態(tài)時(shí)使用現(xiàn)狀河床的泄水閘下游河道水位及流量之間的關(guān)系[4]。分析泄水閘消能防沖效果時(shí)使用預(yù)測河床下切2m的下游河道水位及流量之間的關(guān)系。工程下游河道水位(Zt)及流量(Q)之間的關(guān)系如圖2所示

圖2 工程下游河道水位(Zt)及流量(Q)關(guān)系曲線

2 運(yùn)行期消能防沖中存在的問題分析

2.1 水流對下游防沖槽的沖刷

防沖槽受到?jīng)_刷是目前此類水利工程中極為常見的現(xiàn)象，防沖槽結(jié)構(gòu)為柔性散體，穩(wěn)定性較弱，并且本工程下游河道單寬流量較大、水頭、弗勞德值水閘消能情況均較低，流量中具有的較大能量透過流動被傳輸?shù)较掠?，造成防沖槽受到?jīng)_擊，沖刷形成的破壞力將嚴(yán)重超出河床本身的承受能力，于是防沖槽在不斷的沖刷中遭到破壞[5]。可見，在防沖槽自身柔性散體的特性下，只有不斷地增強(qiáng)防沖槽結(jié)構(gòu)的整體性能才能提升其防沖水平。

2.2 工程下游導(dǎo)墻發(fā)生失穩(wěn)、坍塌

通過查閱相關(guān)的資料可知，在一些水利工程的泄洪閘和橡膠壩之間的導(dǎo)墻通常會出現(xiàn)倒塌的現(xiàn)象，并且主要出現(xiàn)在泄洪閘海漫段及拋石防沖槽段，導(dǎo)墻倒塌方向?yàn)橄蛐购殚l方向[6]。分析原因，主要是由于這些出現(xiàn)問題的水利工程具有較大的集水面積，在長時(shí)間的泄洪沖刷作用下導(dǎo)墻受到的巨大的消能壓力，并且橡膠壩的水閘通常還用于泄洪，流經(jīng)的水中含有大量的泥沙，因此具有極強(qiáng)的破壞能力。

2.3 閘上沖刷

由于山區(qū)河道上游防護(hù)情況較差，在進(jìn)行泄洪的過程中需要經(jīng)受長時(shí)間高強(qiáng)度的沖刷，導(dǎo)致水利工程中防滲墻等建筑的安全保護(hù)無法得到有效的應(yīng)用，因此，對上述情況可在防滲墻的上游設(shè)置相應(yīng)的護(hù)底或防沖建筑。

3 導(dǎo)流期消能防沖中存在的問題分析

除了上面提到的水利工程在運(yùn)行期間出現(xiàn)的問題外，在進(jìn)行施工導(dǎo)流階段，基于河床寬度的驟減，將形成渠道或?qū)Я鏖l段的水流流動速度增大，水流的波動情況加劇，水流能量發(fā)生紊亂，進(jìn)而引起消能防沖問題的發(fā)生。

3.1 縱向圍堰上下游盤頭淘刷

在前期施工導(dǎo)流階段，縱向圍堰的上下游盤頭區(qū)域是水流情況最為復(fù)雜的區(qū)域，因此此區(qū)域也是施工導(dǎo)流階段極易出現(xiàn)嚴(yán)重問題的部位。根據(jù)相關(guān)研究資料顯示在一些水利工程中普遍出現(xiàn)縱向圍堰上下游盤頭淘刷問題[7]。

3.2 縱向圍堰底板基礎(chǔ)沖刷

縱向圍堰底板基礎(chǔ)主要構(gòu)筑在覆蓋層上，而結(jié)構(gòu)周圍實(shí)施有效的防護(hù)措施尤為重要，在前期的施工導(dǎo)流中，縱向圍堰還被作為泄洪閘的邊墩，在底板無防護(hù)的情況下，經(jīng)過不斷的淘刷作用下將會發(fā)生嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致墻體失穩(wěn)發(fā)生倒塌。

3.3 導(dǎo)流渠道渠底沖刷及坡腳淘刷

在前期的施工導(dǎo)流中，在河床束較窄以及橫向圍堰阻擋的情況下，流經(jīng)的水流將向?qū)Я髑罌_刷，造成渠內(nèi)水流流速增加、水流紊亂，嚴(yán)重時(shí)還將形成漩渦，當(dāng)河床地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為薄弱時(shí)就會造成渠底沖刷或坡腳淘刷。

3.4 閘上沖刷

水利工程中在二期施工導(dǎo)流階段通常是利用前期建設(shè)完畢的水閘進(jìn)行導(dǎo)流，在河床束窄或橫向圍堰的影響下，前期的泄洪閘上游縱橫圍堰中的水流速度將會增加，水流發(fā)生混亂，甚至出現(xiàn)閘上沖刷。

4 新技術(shù)在消能防沖方面的應(yīng)用分析

4.1 纖維混凝土技術(shù)

顧名思義，纖維混凝土是由纖維物質(zhì)與混凝土進(jìn)行結(jié)合形成的一種材料，依據(jù)摻入的纖維性質(zhì)不同，可分為金屬纖維混凝土、無機(jī)物纖維混凝土以及有機(jī)物纖維混凝土。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，主要以鋼纖維混凝土(金屬混凝土)及聚丙烯纖維混凝土(有機(jī)物混凝土)為主。聚丙烯纖維混凝土是目前較為新式的一種混凝土增強(qiáng)材料，通過在混凝土中加入聚丙烯纖維可有效地增強(qiáng)混凝土的抗裂、防沖、抗摩擦以及防滲漏等特性，聚丙烯纖維混凝土主要有波狀、網(wǎng)狀以及束狀三種形式，且制作工藝較為簡單，造假低廉，在實(shí)際施工中具有較高的應(yīng)用價(jià)值[7]。

根據(jù)資料顯示，聚丙烯纖維混凝土被廣泛應(yīng)用于消能防沖結(jié)構(gòu)中，如閘底板、消力池斜坡段底板面層部位以及鋪蓋等區(qū)域，此外，聚丙烯纖維混凝土還可以應(yīng)用到護(hù)坦及海漫段的結(jié)構(gòu)施工中。在進(jìn)行聚丙烯纖維施工前無需改變原有混凝土的配比比例，僅需在進(jìn)行攪拌時(shí)投入聚丙烯纖維及骨料，混凝土在進(jìn)行攪拌過程中應(yīng)不斷地向內(nèi)加水，并適當(dāng)延長60s以上[8]。

4.2 石籠網(wǎng)技術(shù)

石籠網(wǎng)即可在其內(nèi)部填充石塊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，主要由鋼制網(wǎng)兜、生態(tài)網(wǎng)格箱體及網(wǎng)格護(hù)墊等構(gòu)成，其中鋼制網(wǎng)兜與網(wǎng)箱均由鍍鋅低碳鋼絲制作，具有韌性好、強(qiáng)度高的特性，在網(wǎng)兜中填充石塊拋入河床過程中鋼絲不會發(fā)生斷裂。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，石籠網(wǎng)在使用過程中破損率極低，加之石籠網(wǎng)材料韌性較好，沉入河床后可以更好地貼合水底地形，整體將達(dá)到一定的強(qiáng)度，不易被水流沖擊移位[9]。石籠網(wǎng)具有柔性撓曲性好、滲透性好、造價(jià)低、施工速度快、較高的填堵的成功率以及維護(hù)簡便等特性被廣泛應(yīng)用于防洪堤擋墻護(hù)岸和河道護(hù)坡中。

4.3 拋石混凝土技術(shù)

拋石混凝土的技術(shù)原理與混凝土灌砌塊石施工較為相似，在進(jìn)行常規(guī)塊石填充后在拋石表面使用坍落度≥16的C15混凝土，利用其自身高流動性灌注至塊石之間的縫隙，以此形成混凝土拋石體[10]。在實(shí)際施工中，拋石混凝土具有材料用量少、溫度變化小、便于施工、工程造價(jià)低、施工后穩(wěn)定性以及抗剪性強(qiáng)等特性。拋石混凝土通常應(yīng)用在防沖槽塊石外、沖槽下部原河床砂礫卵石的膠接施工，從而有效地強(qiáng)化防沖槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及防沖能力。

5 水閘消能防沖新技術(shù)工程應(yīng)用分析

本工程閘室下游為消力池、護(hù)坦段、海漫段以及拋石防沖槽等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，而其上游則是由拋石防沖槽、護(hù)底、防滲墻以及鋪蓋等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。工程中鋪蓋、閘底板與消力池斜坡段面層均使用聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行施工，從而極大地提升了結(jié)構(gòu)的抗裂、防沖、抗摩擦以及防滲漏等特性，結(jié)合山區(qū)水利工程河道較強(qiáng)的沖刷性，因此在本項(xiàng)目閘上防滲墻上游構(gòu)建護(hù)坡以及拋石防沖槽具有重要的作用與意義。本工程施工中，除了縱向圍堰上下游盤頭采用拋石混凝土技術(shù)外，綜合各方面的因素后決定，在拋石防沖槽表面不用石籠網(wǎng)或拋石混凝土技術(shù)進(jìn)行施工，可根據(jù)在施工導(dǎo)流以及運(yùn)行階段的實(shí)際情況，在部分區(qū)域出現(xiàn)消能防沖問題后采取增設(shè)石籠網(wǎng)或拋石混凝土方式進(jìn)行解決。本工程中深厚覆蓋層基礎(chǔ)上水閘消能防沖結(jié)構(gòu)實(shí)施方案如圖3所示。

圖3 深厚覆蓋層基礎(chǔ)上水閘消能防沖結(jié)構(gòu)實(shí)施方案

6 結(jié)語

在水利工程施工中閘底板與消力池底板表面使用纖維混凝土技術(shù)后，結(jié)構(gòu)溫裂情況顯著減少，并且工程運(yùn)行期間的磨損情況也得到明顯的緩解。水利工程中新技術(shù)的應(yīng)用可有效解決拋石防沖槽等薄弱部位的消能防沖問題，并且有效避免大范圍沖坑的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也能得到有效的提升。通過將新技術(shù)在本工程中實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)運(yùn)用效果顯著。