北溪水闸南港干砌海漫局部冲刷破坏成因分析与处理

陈振炉

（福建省九龙江北溪水资源调配中心，福建 漳州 363107）

1 工程概况

九龙江北溪水闸工程位于福建省漳州市角美台商投资区郭洲头，1972 年动工兴建，1980 年建成通水。北溪水闸枢纽由南港拦河闸、南港船闸、北港拦河闸、北港船闸和左、中、右干渠进水闸组成。南港拦河闸总宽度200 m，共设15 孔泄水闸和一座船闸；北港拦河闸总宽度293 m，共设25 孔泄水闸；闸孔净宽均为10.0 m。

北溪水闸枢纽原按3 级建筑物设计、施工，2001 年北溪水闸枢纽进行安全鉴定与评审，确认该闸安全类别为三类水闸，需进行全面除险加固。2002 年除险加固设计确定本工程等别为I等，属大（I）型工程，主要建筑物级别为1 级，次要建筑物为3 级。北溪水闸枢纽南港闸除险加固工程于2003 年10 月开工，2004 年4 月完工。2018 年7 月，北溪水闸水下地形定期检查测量成果中发现南港闸后启孔12～15 号闸下游干砌条石海漫段出现2 处冲坑，冲坑于2019 年5 月处理完工。

2 干砌条石海漫及下游冲刷破坏情况

在发现干砌条石海漫出现冲坑后，为了进一步核实冲坑情况，复测了冲坑区域水下地形图，并组织了2次水下人工摸查，确认冲坑存在。后采用PowerRay 水下无人机进行水下拍摄，确认干砌条石海漫破坏情形。1 号冲坑中心距离消力池末端34 m，离船闸闸室左侧墙36 m, 位于下游斜坡段干砌条石海漫处，冲坑面积约245 m2，冲坑最深处高程-5.4 m、深度约1.98 m。2 号冲坑发生在南港船闸泄水孔旁边干砌条石海漫段与防冲槽交界处，冲坑面积约47 m2，冲坑最深处高程-4.48 m、深度0.48 m。从冲坑的大小及分布来看，干砌石海漫属局部破坏。

1、2 号冲坑下游防冲槽也发生局部沉降，实测最低点高程2012 年-4.32 m、2018 年-4.59 m 比设计高程-4.0 沉降了0.59 m。防冲槽下游河床近年也形成冲刷坑，3 号冲坑2017 形成时，-5.0 高程线范围约7.3 m×16.5 m（顺水流方向），最低点高程-5.48 m，2018 年-5.0 高程线范围约20.7 m×23.5 m，最低点高程-6.92 m。4 号冲坑2012 年形成时-5.0 高程线范围约33.3 m×19.2 m（顺水流方向），最低点高程-5.68 m；2018 年-5.0高程线范围约37.3 m×21.7m，冲坑最低点高程-5.99 m，冲刷范围和深度呈加大趋势。见图1。

图1 南港水闸冲坑平面示意图

3 南港闸下游冲刷成因分析

3.1 南港水闸后启孔消能工程概述

消力池段全长31.0 m，消力池底板采用C20 混凝土，闸室底板与消力池底板采用1∶4 坡度连接，斜坡段C20 混凝土底板厚1.30 m、斜坡段长度7.00 m（其中水平段1.0 m），斜坡段后消力池C20 混凝土底板厚1.30～0.90 m、池长23.0 m、消力池底板面高程-3.50 m，消力池后为C20 混凝土消力槛，消力坎高0.5 m。

海漫段全长48.0 m，海漫段前段为水平，高程-3.0 m，长度24.0 m，采用厚55 cm 浆砌条石铺砌、后半段长度24.0 m 为斜坡段，采用厚55 cm 干砌条石铺砌，斜坡段采用坡比1∶24 与下游防冲槽连接。

防冲槽段全长21.0 m，防冲槽河床面高程-4.0 m，防冲槽底高程-6.5 m，与海漫段采用1：3 斜坡连接，干砌条石厚55 cm，防冲槽采用抛填块石防冲，与下游河床采用1∶3 反坡连接。见图2。

图2 1 号冲坑处理断面图

3.2 闸下游河床下切情况

下游河床由于种种原因下切较为严重，根据南港闸下游310 m 处实测大断面成果分析，南港闸下河段2012～2018 年下切1.0 m。水下河床的变化受诸多因素影响，主要原因：早期南港疏浚以及过量采砂导致南港河床日益下切，上游流域内多座水电站等拦蓄水工程建成后，上游来砂量减少，加之近20 年流域较少发生大洪水，泥砂下泄较少，河床泥砂没有得到补充。河床下切河道过水断面加大对排洪有益，但在正常运行期间，河床下切造成闸下水位下降，水闸落差加大，对闸下游消能防冲工程不利。

3.3 闸下游低潮水位变化情况

南港闸处于感潮区，每日两次潮落，下游水位受潮水位变化影响。闸下游河道的水位特性较为复杂，它除受远洋海潮涨落、水闸泄水大小影响外，还受闸下河道变化的影响，据与南港闸下低潮位相关关系密切的下游石码潮位站1980～2018 年年最低潮位资料来看，年最低潮位呈逐年下降的趋势，年最低潮位从1980 年的-0.60 m 降 至2006 年1 月 的-2.12 m、2018 年的-2.70 m，而同期的厦门站年最低潮位（基本能反映外海潮汐特性）却基本上没有什么变化，这说明了南港闸下低潮水位的高低变化主要是河道采砂、河道下切引起的。南港闸原设计采用最低潮水位-0.24 m，2002年加固设计采用最低实测潮水位-1.59 m，2018 年7 月实测低潮位-2.10 m，低潮水位呈下降趋势，其变化趋势与石码潮位站一致。南港闸最大落差发生在闸下低潮水位时，低潮水位下降，则水闸落差加大，当潮水位低于设计采用值时，将影响工程的安全运行。

3.4 工程地质条件

海漫地基均为粗砂或蛎壳淤泥质中砂，存在渗透变形、沉降与不均匀沉降问题。防冲槽地基均为粗砂或蛎壳淤泥质中砂，存在抗冲刷稳定性差等主要工程地质问题。

3.5 消能防冲复核

后启孔消能方式为底流式消能，对冲坑所在13 号孔进行消能防冲复核计算。消能计算采用《水闸设计规范》（SL 265-2016）附录B 中规定进行。见表1 和表2。

表1 13 号闸孔过闸流量计算成果表

表2 13 号闸孔消能防冲复核成果表

复核计算结果：在上游水位4.5 m，下游-2.10 m 工况，闸门开度为1.5 m 时，消力池长度不够，远驱水跃溢出消力池，最大长度为27.13 m，超过消力池水平长度23 m，需要海漫长度为52.11 m，超过实际长度48 m。

综上述，南港闸除险加固后已运行15 年，由于多种原因下游河床持续下切，低潮水位降低，实测闸下最低潮水位-2.10 m，比加固设计的-1.59 m 降低了0.51 m。经消能防冲计算复核表明，下游低潮水位、闸孔开度较大时产生远驱式水跃，由于后启孔海漫长度不足，河床抗冲能力弱，在干砌海漫及下游河床发生冲刷破坏。分析及计算结果与干砌海漫、防冲槽及未端河床的实际冲刷情形吻合。

4 冲坑除险处理

为遏制冲坑发展，改善下游水流条件，提高水闸、船闸下游海漫段抗冲刷能力，保障水闸运行安全，对南港下游干砌条石海漫段等冲刷坑进行处理。

1）基坑底部清理：在低潮位时，采用船上长臂挖掘机对基坑底部进行清理。1 号坑清理深度为0.5～1.0 m，上游侧清理至浆砌条石海漫下缘，下游清理至抛石防冲槽上缘，右岸清理至2 号坑边缘，清理宽度33.5 m。2 号坑上游侧清理至浆砌条石海漫下缘，下游清理至抛石防冲槽上缘，右岸清理至船闸边墙混凝土护脚外缘，清理宽度15.3～16.8 m。

2）基坑清理后，水下抛填砂石垫层，潜水员配合整 平，1 号 坑 填 至-3.85 ～-4.85 m 高 程，2 号 坑 填至-3.70～-4.70 m 高程。

3）铺设两层350 g/m2的土工布，上面抛填15 cm砂石反滤料进行镇压。

4）浇筑模袋混凝土，采用C25 模袋混凝土护面，1号坑混凝土厚度为70 cm，2 号坑混凝土厚度为50 cm。膜袋采用矩形型机织膜袋，材料为丙纶，在工厂进行整片制作。1 号冲坑模袋由7 个尺寸4 m×24 m、1 个2 m×24 m 和1 个3.5 m×24 m 的隔离体组成。2 号冲坑模袋由3 个尺寸4 m×24 m 和1 个尺寸（3.3～4.8）m×24 m 的隔离体组成，每个隔离体之间互不相通，相邻模袋之间底层设置30～50 cm 的搭接。模袋铺设完成后，及时进行混凝土的灌注，混凝土采用泵送商品混凝土。

5）海漫冲坑下游抛石防冲槽段新增抛石厚1 m。3、4 号冲坑抛填块石至-4.5 m 高程。石材采用本地产花岗岩，石质坚硬，块石粒径大于0.5 m，重量大于50 kg，抛填时大小搭配。

5 存在问题及建议

1）南港船闸泄水孔位于干砌海漫与防冲槽交界处，共2 孔，尺寸均为1.5 m×1.5 m，闸室底高程-2.0 m，若船闸在下游低潮位情况下泄水，对海漫及防冲槽的流态产生不利影响或直至产生冲刷。虽然南港船闸近15 年来通航量很少，基本处于停航状态，偶尔通航也是在下游高潮水位时才能通行，正常情况下不会发生低潮位泄水的情况，但要预防和禁止低潮位船闸泄水。

2）闸下低潮水位的变化主要是河道采砂、闸下河道变深引起的，应持续通过有效途径加强河道的保护，严禁在库区及闸下游河道采砂，以利于控制低潮位逐年下降的趋势。此外，由于较低的潮水位一般处在非汛期，上游来水量小，潮位变化快，则在遇到最低潮水位时，应通过水闸调度运行措施，避免闸下游消能防冲工程冲刷破坏事件发生。