水利枢纽工程水闸消能防冲新技术探究

薛萍萍，鲜凡凡，韩斐

(江苏省石港抽水站江管理，江苏淮安，211624)

引言

山区水利工程的修建主要是用于导洪以及灌溉。由于山区中河道水源源头较短、水流湍急，在降水作用下水位将会骤涨骤降，洪峰阶段历时短、流量大、流速快，并具有较大的破坏性等特性，因此山区中的水利工程在水位调节、流量控制以及排洪等方面具有重要的作用[1]。山区水利工程的水闸设施与其它区域的相比，在同等级别情况下过闸流量较大、水闸结构安全系数下降程度更大，因此，山区水利工程水闸的消能防冲对于工程整体结构的安全性而言极为重要[2]。目前，山区水利工程水闸在运行期间消能防冲方面具有较多的问题，并且关系此方面问题的研究往往仅是处于实验分析阶段，并未就具体问题进行实际的调查研究。随着水利工程技术的不断发展，一些新型材料、技术被逐渐应用于水闸消能防冲相关结构中的薄弱部位[3]。本文将根据实际工程案例，分析纤维混凝土应用在闸底板与池底板、石笼网技术应用在抛石防冲槽与围堰护坡、抛石混凝土应用在防冲槽以及导流明渠护脚中的效果，并为水利枢纽工程水闸消能防冲中存在的问题提出应对措施。

1 工程概况

1.1 工程情况分析

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，并兼顾生产生活供电、航运河道、农业灌溉以及改善下游自然生态等作用。工程有效控制流域面积为2.66×104km2。本工程由泄水闸、电站厂房、航运船闸、鱼类洄游通道、挡水坝以及河岸连续建筑物等结构构成。本工程的正常蓄水位为40m，总库容为3.7×108m3，其中防洪库容为2.7×108m3。工程的总装机容量为100MW。工程布局及工程段河道平面图如图1所示。

图1 工程布局及工程段河道平面

本工程设计可抵御百年一遇洪水(P=1%)，水库的设计洪水位47.5m；校核设计可抵御千年一遇洪水(P=0.1%)，水库的校核设计洪水位47.5m。其中工程中消能放冲结构设计可抵御五十年一遇洪水(P=2%)。水库大坝中部设置有18孔泄水闸道，下游为底流消能。

本工程所在地区流域河道弯曲较多且狭窄，河道最宽处为300m～400m，下游800m处河道原始宽度为200m，经过工程改造后扩宽至280m。工程所在流域的河床覆盖层为10m～28m厚的粗砂层，坝址基岩为花岗岩层，并且岩性较为单一，具有完整性。

综上所述，本工程具有泄洪量大、水头高、河道弯曲狭窄、河道通航情况复杂、河床基软且厚、下游河道易受到冲刷等特点。

1.2 调度运行及水文条件

按照本工程的设计要求，泄水闸调度运行的主要原则以及操作步骤为：来水量不大于工程的满发电流量以及下游生态用水流量时(Qp≤1362m3/s)，泄洪闸将关闭，水库水位将达到正常蓄水位值，即38m，工程正常运行；当工程处于机组停发流量时(1362m3/s12930m3/s)，工程将开启防洪模式，并依据洪峰水量实施分级泄洪，以保障工程的安全。各级洪水流量水位参数如表1所示。

表1 各级洪水流量水位参数

按照本工程的设计要求，当确定泄水闸的排洪状态时使用现状河床的泄水闸下游河道水位及流量之间的关系[4]。分析泄水闸消能防冲效果时使用预测河床下切2m的下游河道水位及流量之间的关系。工程下游河道水位(Zt)及流量(Q)之间的关系如图2所示

图2 工程下游河道水位(Zt)及流量(Q)关系曲线

2 运行期消能防冲中存在的问题分析

2.1 水流对下游防冲槽的冲刷

防冲槽受到冲刷是目前此类水利工程中极为常见的现象，防冲槽结构为柔性散体，稳定性较弱，并且本工程下游河道单宽流量较大、水头、弗劳德值水闸消能情况均较低，流量中具有的较大能量透过流动被传输到下游，造成防冲槽受到冲击，冲刷形成的破坏力将严重超出河床本身的承受能力，于是防冲槽在不断的冲刷中遭到破坏[5]。可见，在防冲槽自身柔性散体的特性下，只有不断地增强防冲槽结构的整体性能才能提升其防冲水平。

2.2 工程下游导墙发生失稳、坍塌

通过查阅相关的资料可知，在一些水利工程的泄洪闸和橡胶坝之间的导墙通常会出现倒塌的现象，并且主要出现在泄洪闸海漫段及抛石防冲槽段，导墙倒塌方向为向泄洪闸方向[6]。分析原因，主要是由于这些出现问题的水利工程具有较大的集水面积，在长时间的泄洪冲刷作用下导墙受到的巨大的消能压力，并且橡胶坝的水闸通常还用于泄洪，流经的水中含有大量的泥沙，因此具有极强的破坏能力。

2.3 闸上冲刷

由于山区河道上游防护情况较差，在进行泄洪的过程中需要经受长时间高强度的冲刷，导致水利工程中防渗墙等建筑的安全保护无法得到有效的应用，因此，对上述情况可在防渗墙的上游设置相应的护底或防冲建筑。

3 导流期消能防冲中存在的问题分析

除了上面提到的水利工程在运行期间出现的问题外，在进行施工导流阶段，基于河床宽度的骤减，将形成渠道或导流闸段的水流流动速度增大，水流的波动情况加剧，水流能量发生紊乱，进而引起消能防冲问题的发生。

3.1 纵向围堰上下游盘头淘刷

在前期施工导流阶段，纵向围堰的上下游盘头区域是水流情况最为复杂的区域，因此此区域也是施工导流阶段极易出现严重问题的部位。根据相关研究资料显示在一些水利工程中普遍出现纵向围堰上下游盘头淘刷问题[7]。

3.2 纵向围堰底板基础冲刷

纵向围堰底板基础主要构筑在覆盖层上，而结构周围实施有效的防护措施尤为重要，在前期的施工导流中，纵向围堰还被作为泄洪闸的边墩，在底板无防护的情况下，经过不断的淘刷作用下将会发生严重的破坏，导致墙体失稳发生倒塌。

3.3 导流渠道渠底冲刷及坡脚淘刷

在前期的施工导流中，在河床束较窄以及横向围堰阻挡的情况下，流经的水流将向导流渠道冲刷，造成渠内水流流速增加、水流紊乱，严重时还将形成漩涡，当河床地质结构较为薄弱时就会造成渠底冲刷或坡脚淘刷。

3.4 闸上冲刷

水利工程中在二期施工导流阶段通常是利用前期建设完毕的水闸进行导流，在河床束窄或横向围堰的影响下，前期的泄洪闸上游纵横围堰中的水流速度将会增加，水流发生混乱，甚至出现闸上冲刷。

4 新技术在消能防冲方面的应用分析

4.1 纤维混凝土技术

顾名思义，纤维混凝土是由纤维物质与混凝土进行结合形成的一种材料，依据掺入的纤维性质不同，可分为金属纤维混凝土、无机物纤维混凝土以及有机物纤维混凝土。在实际的工程应用中，主要以钢纤维混凝土(金属混凝土)及聚丙烯纤维混凝土(有机物混凝土)为主。聚丙烯纤维混凝土是目前较为新式的一种混凝土增强材料，通过在混凝土中加入聚丙烯纤维可有效地增强混凝土的抗裂、防冲、抗摩擦以及防渗漏等特性，聚丙烯纤维混凝土主要有波状、网状以及束状三种形式，且制作工艺较为简单，造假低廉，在实际施工中具有较高的应用价值[7]。

根据资料显示，聚丙烯纤维混凝土被广泛应用于消能防冲结构中，如闸底板、消力池斜坡段底板面层部位以及铺盖等区域，此外，聚丙烯纤维混凝土还可以应用到护坦及海漫段的结构施工中。在进行聚丙烯纤维施工前无需改变原有混凝土的配比比例，仅需在进行搅拌时投入聚丙烯纤维及骨料，混凝土在进行搅拌过程中应不断地向内加水，并适当延长60s以上[8]。

4.2 石笼网技术

石笼网即可在其内部填充石块的网格结构，主要由钢制网兜、生态网格箱体及网格护垫等构成，其中钢制网兜与网箱均由镀锌低碳钢丝制作，具有韧性好、强度高的特性，在网兜中填充石块抛入河床过程中钢丝不会发生断裂。根据相关数据显示，石笼网在使用过程中破损率极低，加之石笼网材料韧性较好，沉入河床后可以更好地贴合水底地形，整体将达到一定的强度，不易被水流冲击移位[9]。石笼网具有柔性挠曲性好、渗透性好、造价低、施工速度快、较高的填堵的成功率以及维护简便等特性被广泛应用于防洪堤挡墙护岸和河道护坡中。

4.3 抛石混凝土技术

抛石混凝土的技术原理与混凝土灌砌块石施工较为相似，在进行常规块石填充后在抛石表面使用坍落度≥16的C15混凝土，利用其自身高流动性灌注至块石之间的缝隙，以此形成混凝土抛石体[10]。在实际施工中，抛石混凝土具有材料用量少、温度变化小、便于施工、工程造价低、施工后稳定性以及抗剪性强等特性。抛石混凝土通常应用在防冲槽块石外、冲槽下部原河床砂砾卵石的胶接施工，从而有效地强化防冲槽结构的稳定性以及防冲能力。

5 水闸消能防冲新技术工程应用分析

本工程闸室下游为消力池、护坦段、海漫段以及抛石防冲槽等结构构成，而其上游则是由抛石防冲槽、护底、防渗墙以及铺盖等结构构成。工程中铺盖、闸底板与消力池斜坡段面层均使用聚丙烯纤维混凝土进行施工，从而极大地提升了结构的抗裂、防冲、抗摩擦以及防渗漏等特性，结合山区水利工程河道较强的冲刷性，因此在本项目闸上防渗墙上游构建护坡以及抛石防冲槽具有重要的作用与意义。本工程施工中，除了纵向围堰上下游盘头采用抛石混凝土技术外，综合各方面的因素后决定，在抛石防冲槽表面不用石笼网或抛石混凝土技术进行施工，可根据在施工导流以及运行阶段的实际情况，在部分区域出现消能防冲问题后采取增设石笼网或抛石混凝土方式进行解决。本工程中深厚覆盖层基础上水闸消能防冲结构实施方案如图3所示。

图3 深厚覆盖层基础上水闸消能防冲结构实施方案

6 结语

在水利工程施工中闸底板与消力池底板表面使用纤维混凝土技术后，结构温裂情况显著减少，并且工程运行期间的磨损情况也得到明显的缓解。水利工程中新技术的应用可有效解决抛石防冲槽等薄弱部位的消能防冲问题，并且有效避免大范围冲坑的出现，结构的稳定性也能得到有效的提升。通过将新技术在本工程中实际应用后发现运用效果显著。