水利樞紐工程水閘消能防沖新技術分析

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

研究國內外水利樞紐工程水閘消能防沖普遍存在的問題，結合現有研究成果和相關資料，發現導致水閘消能防沖結構穩定性較差的原因包括地質結構變化、樞紐布置不合理以及消能防沖設施設計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，需要加強新技術、新材料的應用，提高水閘消能防沖結構的抗沖擊能力，解決結構穩定性差問題，減少水流長期沖刷對水閘消能防沖結構的不利影響。

2 工程概況

本文以某地區水利樞紐工程為例，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、農業灌溉以及航運河道提供電能和水資源，同時對下游自然生態環境也能起到一定改善的作用效果。結合前期實地勘察情況，該工程由多個結構共同組成，如泄水閘、電站廠房、擋水壩、河岸連續構筑物等；正常時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。

對該水利樞紐工程水閘運行期和施工導流期進行實時監測，以掌握水利樞紐工程整體運行情況，進一步分析水閘運行期和施工導流期所面臨的消能防沖問題，為后續選擇消能防沖新技術以及針對性制訂技術方案提供參考依據。

3 運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行期間較常出現的情況。由于防沖槽自身結構穩定性較差，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，必然導致防沖槽結構遭到嚴重破壞。上述情況的出現與防沖槽柔軟散體的結構特性有著直接關系，因此，需改善防沖槽結構整體性能，解決防沖槽結構穩定性較差問題，進而達到提高防沖槽的抗沖能力目的。

3.2 倒塌現象在工程下游導墻部位頻繁出現

結合前工程實地勘察資料，發現在水利樞紐工程中，河床和河岸位置被不斷刷，導致該區域導墻部位頻繁出現倒塌問題。在工程水閘上下游區域，水位差較大，尤其在平底板區域更易發生波狀水躍，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墻失穩與倒塌現象最為嚴重，導墻均向泄洪閘的方向倒塌。導墻倒塌現象頻繁出現的原因與水利樞紐工程自身集水面積較大，導墻長期受泄洪沖刷作用有著密切關聯，泄洪沖刷作用所產生的巨大消能壓力超過導墻自身的承受能力，且下流河床部位在水利樞紐工程運行期輔助泄洪，流經的水中存在大量泥沙，最終使工程下游導墻在極強的破壞力沖擊下頻繁出現倒塌現象。

3.3 閘上沖刷

水利樞紐工程河道上游防護工作不到位，致使在泄洪時長時間遭受高強度沖刷作用影響，嚴重破壞了工程中的防滲墻等建筑結構，極易引發一系列安全隱患。因此，需要制定符合實際情況的防護措施，加強對防滲墻等建筑結構的保護，如將護底或防沖建筑合理設置于工程的防滲墻上游，以此削弱高強度沖刷作用對防滲墻等建筑結構的破壞影響[1]。

4 施工導流期水閘消能防沖問題

當水利樞紐工程進入施工導流期，此時河床寬度將出現一定的縮減變化，加快了導流閘段的水流流速，水流能量隨著水流波動加劇而發生無規律性紊亂，加劇消能防沖問題發生的可能性。

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流期水流情況極為復雜的區域，也是高頻率發生嚴重問題的部位，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 縱向圍堰底板基礎受到沖刷作用

一般情況下，縱向圍堰底板基礎周圍均有相應的防護措施，在施工導流期間，也常被作為泄洪閘的邊墩使用，若其底板基礎無任何防護措施，則會在長時間淘刷作用下發生嚴重的破壞問題，進而降低導墻穩定性，提升導墻倒塌的出現概率。

4.3 導流渠道渠底及坡腳受到沖刷與淘刷作用

流動經過的水流受河床束較窄、橫向圍堰阻隔等條件制約，導流渠道受到沖刷，不僅大幅加快渠道內水流流速，水流能量也會發生紊亂，某種程度上增加了旋渦現象出現的概率。若河床地質結構整體相對薄弱，則會使導流渠道渠底及坡腳受到沖刷與淘刷的作用影響。

4.4 出現閘上沖刷情況

通常情況下，在水利樞紐工程的二期施工導流階段，普遍利用已經完成建設的水閘輔助導流，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，且水流能量發生紊亂，可能伴隨閘上沖刷情況出現。

5 水利樞紐工程水閘消能防沖新技術應用

5.1 石籠網技術

在網格結構內部填充適量石塊，即為石籠網。鋼質網兜、生態網格箱體、網格護墊等是組成網格結構的主要構件，其中選用鍍鋅低碳鋼絲作為加工制作鋼質網兜和網格箱體的原材料，該類型材料具有良好的韌性和較高的強度，可以保證填充石塊的網兜向河床拋入時不會發生鋼絲斷裂。通過統計石籠網使用情況得知，長時間使用狀態下的石籠網，出現破損情況的概率較低。石籠網技術的應用優勢主要表現在以下方面。

1）良好的滲透性。石籠網可在使用中充分發揮自身排水性能，在防沖槽表面進行布置時省略排水孔預留環節，也能有效降低因水深變化壓力對其干擾。

2）較好的柔性撓曲性。當位于防沖槽下部的石塊受到水流沖刷而發生位移時，石籠網內部將會形成交錯拉緊的狀態，增強自身對外部變形的適應能力。

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

4）后期維護方便。因需要將隔板網在生態網格箱體的各方向進行加設，確保鋼絲網局部發生破損時不會向四周擴展，施工人員僅需修補破損部分的鋼絲網并重新填滿石塊即可[2]。另外，石籠網技術在防洪堤擋墻護岸與河道護坡的應用中也能達到良好的效果。河道護坡中石籠施工工序如圖1 所示。

圖1 河道護坡中石籠施工工序

5.2 纖維混凝土技術

將適量的纖維物質摻入混凝土中，形成纖維混凝土材料，按照摻入的纖維性質進行劃分，其中金屬纖維混凝土、有機物纖維混凝土。無機物纖維混凝土是現階段工程建設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生滲漏的可能性，極大增強混凝土在水利樞紐工程建設中的綜合性能，為纖維混凝土技術在水利樞紐工程中廣泛應用提供了保障。一般情況下，可根據工程建設需要選擇合適的聚丙烯混凝土形式，如波狀聚丙烯混凝土、網狀聚丙烯混凝土等。該項技術具有成本投入少、加工制作簡單、應用效果顯著等優勢，在工程建設中合理應用有利于提高水閘結構安全系數，強化水閘消能防沖結構穩定性。

在水閘消能防沖結構中應用聚丙烯纖維混凝土時，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行攪拌，無須對原有混凝土的配置比例進行調整，既提升現場施工效率，又節約了施工成本。例如，在消力池斜坡段底板面層部位應用聚丙烯纖維混凝土技術時，需精準計算消力池底板厚度，由于消力池內底部水流的流動速度較快，且水流狀態紊亂，必須保證保護河底的消力池底板足夠堅固，有效減少水流沖刷對河床的負面影響。因此，按照消力池底板處于工作狀態時，受到水流沖擊作用也不會發生被掀起和位移的情況作為應用聚丙烯纖維混凝土技術的基本要求，以此計算消力池底板厚度。計算公式如下：

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

式（1）是基于抗沖要求對消力池底板式始端厚度進行計算的；式（2）是基于抗浮要求對消力池底板式始端厚度進行計算的，可選取二者計算結果最大值作為消力池底板始端厚度，以此為后續聚丙烯纖維混凝土作業開閘提供參考依據，保證聚丙烯纖維混凝土性能在水閘消能防沖結構應用中得到有效發揮[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

應用拋石混凝土技術時，施工人員按照常規施工工藝完成塊石拋填作業后，需要根據既定的坍落度，將強度等級為C15 的混凝土在拋石表面進行灌注，大粒徑塊石將在混凝土自身流動作用下進行隨機填充，最終形成混凝土拋石體。成本投入少、施工技術操作簡單、水泥消耗量少、穩定性較強等是拋石混凝土技術的基本特征。其在水閘消能防沖結構（如防沖槽結構）中的應用能有效提升結構整體穩定性及抗沖能力。在工程的縱向圍堰上下游盤頭以及岸坡護腳部位應用拋石混凝土技術，可達到消能防沖效果。拋石混凝土技術在防沖槽結構中的應用示意如圖3 所示。

圖3 拋石混凝土技術在防沖槽結構中的應用示意圖

6 結語

綜上所述，水利樞紐工程中的水閘具有水位調節、控制流量及汛期輔助泄洪等功能，其中消能防沖是水閘運行期與樞紐施工導流期較常出現的問題，對工程結構整體穩定性具有較大影響。因此，在實際工程建設中，需重視和加強新技術、新材料在水閘消能防沖結構薄弱部位的應用，增強薄弱部位的抗沖能力。同時根據水利樞紐工程水閘的類型及工作特點，制定針對性的消能防沖措施，降低水流沖刷作用對河道的不利影響；做好工程上、下游河岸的防護工作，適當增加護岸的長度與河岸護坡的厚度，以此增強坡腳穩定性，削弱回流淘刷對上、下游保護段兩岸的破壞力，全面提高消能防沖結構的抗沖擊能力。