泄水閘新型柔性海漫水毀修復方案比選分析

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，是南水北調中線一期漢江中下游四項治理工程之一，也是漢江干流規劃中的最下游一級。該樞紐主要功能是枯水期抬高庫區水位，改善兩岸灌區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，其正常運行對樞紐安全有至關重要的影響。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。

1 樞紐地質條件及泄水閘水下結構

1.1 樞紐地質條件

壩區主要工程地質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，其下為全新統下段粉細砂和上更新統砂礫（卵）石層，結構較松散，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，砂礫石下伏荊河鎮組含泥砂巖和泥晶灰巖。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%，基礎處理沒有到達持力層。

1.2 泄水閘水下結構

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，采用現澆鋼筋混凝土地下連續墻形式。連續墻厚度為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 水下結構示意圖Fig.1 Diagram of underwater structure

2 柔性海漫結構設計

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象仍較劇烈，底部流速大，因此還須設置海漫進一步消減水流剩余能量，使水流均勻擴散，調整流速分布，使水流接近天然流態，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。

2.1 海漫模型設計

計算可能出現的多種最不利水位、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，計算結果為60.3 m。考慮到閘下河床粉細砂抗沖能力極低、閘孔數量多、水閘運行調度復雜，應適當留有安全余地，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，采用兩種結構型式。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厚鋼筋混凝土結構，表面布置一層直徑16 mm的鋼筋網，頂部高程28 m，這部分海漫為剛性常規結構（以下簡稱“剛性海漫”）。

2.2 柔性海漫構造型式

經計算，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、容易保證質量，又施工簡便，且水力學模型驗證了其整體性能優良，抗沖能力強。塊體平面設計成“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，兩腿內細外粗，拼裝后相鄰塊體能相互嵌套。

圖2 柔性海漫預制構件圖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，截至2017年9月，汛期最大流量（3408 m3/s）出現在2016年7月。2017年9月下旬后，漢江流域多次出現持續強降雨，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。

3.1 水下測量結果

水下測量發現泄水閘31～33號閘孔對應范圍內下游柔性海漫出現一處鍋形塌陷凹坑，外邊緣直徑約50 m，柔性海漫塌陷最大深度約7 m。后經水下電視檢查探摸，發現該部位混凝土柔性海漫已部分出現損毀，有海漫預制塊被損壞并脫開連接，導致其保護下的土工網、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 水毀原因分析

3.2.1 新型柔性海漫構造缺陷

興隆樞紐采用新型“H”形塊體嵌套式混凝土柔性海漫設計，有整體性和柔性好、抗沖能力和適應變形能力強等優點，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，可能會導致“多米諾骨牌”效應，最終造成整個區域的塊體全部損毀。

3.2.2 拖網打漁對柔性海漫的損壞

在對損毀區域進行水下探摸及水下攝像過程中，發現該區域有纏繞的漁網及鋼管。經了解，泄水閘下游柔性海漫范圍內一直存在較猖獗的拖網打漁現象，漁船拖網可能卡在柔性海漫塊體的縫隙處，然后在拖拽漁網的過程中將塊體損壞錯位，進而導致其下的碎石墊層和土工布失去保護，經流水不斷沖刷，損毀區域不斷擴大。

4 修復方案比較

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計高程。

圖4 拋石和袋裝砂組合方案修復示意圖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始，利用水下不分散混凝土自流平的特點向外側擴散充填至原柔性海漫頂面設計高程。水下不分散混凝土的設計強度等級為C20，配比時應高于設計強度一個等級。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%。

4.3 方案分析比選

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，適應變形能力較強，但水下施工應嚴格控制施工質量，要求拋填準確，滿足設計布置要求。袋裝砂應與水毀部位表面接觸密實，防止砂袋間相互架空，碎石回填料應回填密實，拋填的防沖塊石應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，但施工工藝相對復雜，工程費用較高，混凝土塊體量大，柔性海漫適應周邊的變形能力將來可能較差。

兩個方案都能修復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，修復區域未出現明顯異常。對比修復完成后與2019年汛后水下地形測量結果，發現運行一年后的結構斷面和剛修復完成時的斷面基本吻合，確認該方案修復效果較好，可以滿足運行要求。

6 結語

（1）興隆泄水閘采用的新型海漫塊體結構整體性和柔性好，抗沖能力和適應變形能力強，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。

圖6 柔性海漫修復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有一定的借鑒作用。但存在漏拋及拋石不均勻等現象，因此在施工過程中，應加強過程控制，加密水下測量，對漏拋區域及時補拋石。

（3）興隆水利樞紐建筑物基礎為深厚粉細砂層，極易產生沖刷和滲透破壞，運行中應加強監測，加強水下地形測量，出現問題及時修復，保證工程運行安全。