新疆某水电站拦河闸下游护坦修复方案设计综述

李 梅，禹作利

(1.中水北方勘测设计研究院有限责任公司，天津 300222；2.天津市水利工程公司，天津 300222)

1 工程概况

新疆某水电站由拦河闸、引水渠道、隧洞、压力前池、压力钢管、厂房、泄水槽及尾水渠等主要建筑物组成。拦河闸由挡水坝、引水闸和泄洪冲沙闸组成。河槽部位布置水闸，两岸滩地为砂砾石坝。泄水建筑物布置在主河床段，由左至右依次为4孔(4#-7#)泄洪冲沙闸(左侧两孔布置冲沙廊道，右侧两孔为开敞式并设溢流板排漂、排冰)和8孔(8#-15#)泄洪闸。正常蓄水位为1933.5m，设计洪水位1933.50m，校核洪水位为1935.08m。设计洪水洪峰流量为1960m3/s，校核洪水洪峰流量为2950m3/s。

闸室下游护坦根据原河床地形分为深浅护坦两部分。4#-8#孔下游，为深护坦形式；9#-15#孔下游为浅护坦形式。深护坦和浅护坦均采用1m厚C20F300W6混凝土。

2 破坏情况及原因

根据拦河闸实际运行情况，6#-8#闸护坦破坏比较严重，13#闸护坦有轻微破坏，其他闸孔护坦基本无破坏。

由于该水电站总体布置方案基本采用了坝+泄洪排沙闸+电站引水闸的布置，且将首部工程全部布置在河道中，人为加大过闸的单宽流量，提高了过闸夹砂水流的势能，造成拦河闸下游防冲系统冲掏破坏的问题。

3 护坦修复设计原则

该水电站拦河闸下游护坦修复方案的基本原则：保持原状，加强观测，减少维修，防止隐患。根据以上原则进行该水电站工程修复方案设计。

4 护坦部位修复设计方案

4.1 护坦部位修复设计方案初拟

根据本工程的特点，参考了一些已建类似工程所做的修复设计经验，列出了以下4种修复设计方案：

1)普通混凝土+表层贴辉绿岩铸石板

辉绿岩铸石板具有结构紧密，吸水率小，抗压强度高，耐磨性能好的特点，属于脆性材料，硬度较高。三门峡水利枢纽工程曾于1971-1973年用辉绿岩铸石板作为抗冲耐磨材料对排沙底孔进行了全面衬砌。施工方法为先对混凝土基础表面进行凿毛处理，清除基面上松动颗粒，使表面外露新鲜骨料，后用高压水清除表面沙粒、粉尘，浇筑C2825F300W6一级配混凝土，再涂抹3cm厚M30砂浆找平，最后将6cm厚的辉绿岩铸石板(50cm×50cm)黏结到表面。

2)普通混凝土+表层固定钢轨

钢轨有良好的抗冲击和抗磨损能力。协合拉引水枢纽工程曾在护坦部位采用了钢轨护面作为抗磨材料，证明其抗磨效果好。施工方法为先对混凝土基础表面进行凿毛处理，为使新旧混凝土能很好的结合，在混凝土表面设置φ20插筋，间、排距1m，钢筋埋入一期混凝土内的长度为80cm，露出一期混凝土的长度为15cm，清除基面上松动颗粒，使表面外露新鲜骨料，后用高压水清除表面沙粒、粉尘，后浇筑C2825F300W6二级配混凝土至原设计高程，将钢轨(43kg/m)固定，钢轨并排排列，不留空隙。

3)普通混凝土+废旧轮胎护面

轮胎具有高弹性和良好的耐磨性能，是柔性材料，对冲砸的卵石既有缓冲作用，又可大大缓和卵石的冲击力，且废旧轮胎材料易得又经济，是理想的防护材料和防冲抗磨材料。新疆协合拉引水枢纽工程在护坦部位采用了废旧轮胎作为抗冲磨材料，运行结果证明此方案具备经济、实用、可靠，施工简便，维修成本低等优点。其施工方法为先对混凝土基础表面进行凿毛处理，为使新旧混凝土能很好的结合，在混凝土表面设置φ20插筋，间、排距1m，钢筋埋入一期混凝土内的长度为80cm，露出一期混凝土的长度为15cm，清除基面上松动颗粒，使表面外露新鲜骨料，后用高压水清除表面沙粒、粉尘，后浇筑C2825F300W6二级配混凝土至原设计高程并找平，然后按设计位置钻孔，钻孔深度为280mm，间距200mm，锚栓用环氧树脂固结，再铺设轮胎(750 mm×200mm)，固定轮胎用锚栓(锚栓直径d=16mm，长度L=300mm)加50×50mm2、厚5mm的平垫片和弹簧垫片，然后放双螺帽拧紧即可，螺栓露出不易超过2扣，以免顶坏上面覆盖的轮胎。安装轮胎时要一排一排，从低处向高处逐排安装。

4)高标号抗冲磨混凝土

高标号抗冲磨混凝土具有施工工艺非常简单，易于大面积施工，施工进度快，而且经济，易于再次修复等优点。当混凝土破坏面积较大时，可考虑此修复设计方案。其施工方法为先对混凝土基础表面进行凿毛处理，清除表面的泥浆和松动颗粒等，使表面外露新鲜骨料，后用高压水或高压风清除表面沙粒、粉尘。再对钢筋进行除锈处理，如钢筋面积明显减小或被冲断，应补焊同直径的钢筋(即φ16钢筋，钢筋单边焊接长度≥20cm)。然后在处理面布置φ20插筋，间、排距1m，插筋伸入混凝土内的长度≥80cm，插筋与原护坦钢筋网焊接(钢筋单边焊接长度≥20cm)。最后在处理面涂抹界面胶，浇注C45抗冲磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纤维网，并具有抗冻防渗性能)至设计高程。

4.2 护坦部位修复设计方案比选

1)普通混凝土+表层贴辉绿岩铸石板方案：

辉绿岩铸石板本身硬度很高，但其质地较脆，冲击韧性较差，易被大块推移质砸破。且铸石板的砌筑难以机械化施工，费时费力，另外板间接缝是一个薄弱部位，黏接工艺要求较高，质量不易保证，一旦局部施工质量控制不好，容易发生逐块掀掉，甚至发展至成片破坏。使用寿命一般为1-3年。修复一块面积为8.65m×11m的护坦，其费用约为7.38万元。

2)普通混凝土+表层固定钢轨方案：

表层固定钢轨，此方案一次性投入较高，需要使用大量钢材，施工难度大。但使用寿命较长。修复一块面积为8.65m×11m的护坦，其费用约为54.82万元。

3)普通混凝土+废旧轮胎护面方案：

废旧轮胎，废旧轮胎锚固相当重要，要求较为严格，亦存在被水冲走、轮胎磨损和轮胎老化问题，每个汛期须及时检查，并对冲走的空隙进行修补。根据协合拉引水枢纽工程的使用情况来看，轮胎防冲抗磨使用寿命在5年以上。修复一块面积为8.65m×11m的护坦，其费用约为12.34万元。

4)高标号抗冲磨混凝土方案：

高标号抗冲磨混凝土，在多泥沙河流上的水利工程中应用较多。可以进行大面积机械化施工，施工工艺成熟，施工速度较快。从类似已建工程如三门峡水利枢纽工程、小浪底水利枢纽工程和万家寨水利枢纽工程等运行情况来看，其抗冲磨效果较好，使用寿命相对较长。修复一块面积为8.65m×11m的护坦，其费用约为1.88万元。

通过以上分析可知，上述4种方案技术上均可行，但表层固定钢轨、废旧轮胎护面和辉绿岩铸石板三种方案的施工工艺均复杂，难以机械化施工，施工进度较慢；高标号抗冲磨混凝土方案施工工艺成熟，对于成片破坏的护坦，可以进行机械化施工，施工进度较快。从经济分析来看，表层固定钢轨造价最高，废旧轮胎护面方案次之，辉绿岩铸石板方案造价较低，高标号抗冲磨混凝土方案造价最低。综合分析，对于下游护坦推荐使用高标号抗冲磨混凝土方案进行修复。

4.3 护坦部位修复设计

1)对于4#-8。#闸室下游护坦，先对桩号下0+002.50(6#-7#后移)-下0+012.50护坦凿除约20cm，桩号下0+012.50-下0+018.00进行凿毛处理，清除表面的泥浆和松动颗粒等，使表面外露新鲜骨料，后用高压水或高压风清除表面沙粒、粉尘。再对钢筋进行除锈处理，如钢筋面积明显减小或被冲断，应补焊同直径的钢筋(即φ16钢筋，钢筋单边焊接长度≥20cm)。然后在处理面布置φ20插筋，间、排距1m，插筋伸入混凝土内的长度≥80cm，插筋与原护坦钢筋网焊接(钢筋单边焊接长度≥20cm)。最后在处理面涂抹界面胶，浇注C45抗冲磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纤维网，并具有抗冻防渗性能)至设计高程(桩号下0+018.00高程增加10cm)，使护坦坡度变为1:7.1。

对于9#-15#闸室下游护坦，先对桩号下0+002.50-下0+012.50护坦凿除约20cm，清除表面的泥浆和松动颗粒等，使表面外露新鲜骨料，后用高压水或高压风清除表面沙粒、粉尘。再对钢筋进行除锈处理，如钢筋面积明显减小或被冲断，应补焊同直径的钢筋(即φ16钢筋，钢筋单边焊接长度≥20cm)。然后在处理面布置φ20插筋，间、排距1m，插筋伸入混凝土内的长度≥80cm，插筋与原护坦钢筋网焊接(钢筋单边焊接长度≥20cm)。最后在处理面涂抹界面胶，浇注C45抗冲磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纤维网，并具有抗冻防渗性能)至原设计高程。

5 底流式消能防冲的水力计算

5.1 水力计算有关理论

在设计底流式消能工以前，必须判别水流衔接状态，即水跃的有关计算。

1)收缩水深hc：

收缩水深hc的基本计算公式：

(1)

式中：E0为以下游河床为基准面的泄水建筑物上游总水头；q为收缩断面处的单宽流量；g为重力加速度；φ为流速系数，对于低曲线型实用堰溢流，一般取0.90-0.95[1]。

根据所采用的消能工形式，应用相应的水跃共轭水深计算公式。当采用矩形平底消能工时，则

(2)

3)消能池深S的计算

对于矩形断面平底消能池，其池深S计算公式为：

(3)

式中：σ为安全系数，可取1.05-1.10；Δz为消能池出口水面落差，由下式计算

(4)

式中：b为消能池宽度；φ′为消能池出流的流速系数，一般取0.95[1]。

4)消能池长度Lk的计算

Lk=(0.7-0.8)Lj

(5)

式中：Lj为自由水跃的跃长，按下式计算：

(6)

5.2 消能池计算结果

计算结果见表1。

表1 消能池的计算结果表

本次修复设计的消能池满足要求。

6 混凝土强度等级的选择

水流中冲磨介质以悬移质为主的工程，可根据最大流速和多年平均含沙量按下表选择混凝土强度等级，并进行抗冲磨强度优选试验[2]。

表2 抗悬移质磨蚀混凝土的强度等级

注1：排沙建筑物均应按含沙量>2kg/m3选择混凝土强度等级。

注2：当过流中推移质含量>2kg/m3时，宜选用较表中提高1-2个等级的混凝土(以5MPa为1个等级)。

注3：如建筑物投入运行前龄期>90d，可用90d强度作为设计等级强度。

注4：如σ和流速不一致时，按等级偏高一级确定。

经计算可知，护坦处最大流速<15m/s，水流空化数>1.5，且含沙量>2kg/m3，故偏安全考虑，护坦处选择强度等级为C45的混凝土。

7 结 语

拦河闸枢纽的运行安全及使用寿命与调度运行密切相关，为保证拦河闸安全运行，尽量延长各建筑物的使用寿命，特别是闸底板及上游铺盖、下游护坦防冲耐磨的使用年限，该水库运行调度必须严格按照水库运行调度、水库防洪调度和泥沙冲淤运行原则进行。