泄水闸新型柔性海漫水毁修复方案比选分析

王 超，吴 铮，冯 阳

（湖北省汉江兴隆水利枢纽管理局，湖北潜江，433126）

兴隆水利枢纽位于汉江下游，是南水北调中线一期汉江中下游四项治理工程之一，也是汉江干流规划中的最下游一级。该枢纽主要功能是枯水期抬高库区水位，改善两岸灌区的引水条件和汉江通航条件，由泄水闸、船闸、电站三大主体建筑物组成，其中泄水闸为低水头开敞式平底闸，共有56孔。泄水闸作为兴隆枢纽的主要泄洪建筑物，承担着控制水库水位和泄洪的任务，其正常运行对枢纽安全有至关重要的影响。泄水闸为Ⅰ级建筑物，最大下泄流量约15000 m3/s，挡水最大水头7.15 m。2013年4月1日，泄水闸开始下闸蓄水，投入正常运行，迄今已安全运行5年多。

1 枢纽地质条件及泄水闸水下结构

1.1 枢纽地质条件

坝区主要工程地质问题为地基承载力较低、河床地表土壤抗冲刷能力小、饱和砂土震动液化及坝基渗漏与渗透稳定等。闸室持力层主要为粉细砂或含泥粉细砂，其下为全新统下段粉细砂和上更新统砂砾（卵）石层，结构较松散，抗冲刷能力较差。

泄水闸闸基上部为深厚粉细砂层，厚约20 m，下部为深厚砂砾石层，厚约30 m，砂砾石下伏荆河镇组含泥砂岩和泥晶灰岩。为提高粉细砂层抗地震液化能力、减小闸基沉降等，采用水泥土搅拌法进行泄水闸粉细砂基础处理，水泥搅拌桩呈格栅布置，桩径0.6 m，地基处理深度为12 m，面积置换率为20%，基础处理没有到达持力层。

1.2 泄水闸水下结构

泄水闸下游采用底流消能。消力池上游以1∶4斜坡与闸室底板连接，池底高程27.5 m，池深1.0 m，池长29 m。消力池下游接长20 m、厚50 cm的水平混凝土海漫，再接长50 m、厚50 cm、坡比1∶20的柔性混凝土海漫，海漫末端接抛石防冲槽，防冲槽顶高程25.5 m，抛石厚度3 m，防冲槽下游以1∶3逆坡与河床地形衔接。在水平混凝土海漫和柔性混凝土海漫之间布置有下游水下防淘墙，采用现浇钢筋混凝土地下连续墙形式。连续墙厚度为60 cm，标准槽段长度为7 m，防淘墙的底面高程为黄海高程15 m。

图1 水下结构示意图Fig.1 Diagram of underwater structure

2 柔性海漫结构设计

消力池底流消能只能消除出闸水流的一部分能量，出消力池水流紊动现象仍较剧烈，底部流速大，因此还须设置海漫进一步消减水流剩余能量，使水流均匀扩散，调整流速分布，使水流接近天然流态，减轻对下游河床的冲刷。兴隆泄水闸下游海漫长度为70 m，其中，上游20 m为刚性混凝土海漫，下游50 m为柔性混凝土海漫。

2.1 海漫模型设计

计算可能出现的多种最不利水位、流量组合情况可得，海漫长度控制工况为闸门开度e=1.5 m时，计算结果为60.3 m。考虑到闸下河床粉细砂抗冲能力极低、闸孔数量多、水闸运行调度复杂，应适当留有安全余地，取海漫长度为70 m。按不同抗冲要求与作用，将海漫分为前后两部分，采用两种结构型式。模型试验表明，出消力池水流紊乱，底部流速大，且有横向回流。因此，海漫前20 m的作用重在抗冲，采用50 cm厚钢筋混凝土结构，表面布置一层直径16 mm的钢筋网，顶部高程28 m，这部分海漫为刚性常规结构（以下简称“刚性海漫”）。

2.2 柔性海漫构造型式

经计算，海漫一旦冲毁，河床冲刷深度将超过21 m，由于冲刷深度大、发展过程快，采取补救措施难度大，溯源冲刷会很快直接危及泄水闸安全，因此必须采用一种可靠度高的海漫型式。

常用的海漫型式有堆石、干砌石和格宾海漫。兴隆枢纽采用一种嵌套式混凝土柔性海漫，嵌套的混凝土块体强度等级为C20，采用干硬性混凝土挤压成型，既工效高、容易保证质量，又施工简便，且水力学模型验证了其整体性能优良，抗冲能力强。块体平面设计成“H”形，单块长度和宽度都为48 cm，单个净面积0.1314 m2，腿高14.5 cm，腰高19 cm，两腿内细外粗，拼装后相邻块体能相互嵌套。

图2 柔性海漫预制构件图Fig.2 Prefabricated components of the flexible apron

3 柔性海漫水毁情况

兴隆水利枢纽自2013年4月1日下闸蓄水以来，截至2017年9月，汛期最大流量（3408 m3/s）出现在2016年7月。2017年9月下旬后，汉江流域多次出现持续强降雨，10月6日22时最大洪峰过境兴隆，洪峰流量达13700 m3/s。2017年汉江秋汛强度大、持续时间长，为枢纽投入运行以来最大及首次漫滩洪水。枢纽主体建筑所在河床为深厚粉细砂层，抗冲能力极低，因此管理单位对海漫冲刷情况极为重视，汛后立即组织了一次枢纽全域水下测量。

3.1 水下测量结果

水下测量发现泄水闸31～33号闸孔对应范围内下游柔性海漫出现一处锅形塌陷凹坑，外边缘直径约50 m，柔性海漫塌陷最大深度约7 m。后经水下电视检查探摸，发现该部位混凝土柔性海漫已部分出现损毁，有海漫预制块被损坏并脱开连接，导致其保护下的土工网、碎石垫层及土工布裸露和破损，局部河床粉细砂外露。

图3 泄水闸下游柔性海漫损毁示意图Fig.3 Damage of flexible apron downstream of the sluice

3.2 水毁原因分析

3.2.1 新型柔性海漫构造缺陷

兴隆枢纽采用新型“H”形块体嵌套式混凝土柔性海漫设计，有整体性和柔性好、抗冲能力和适应变形能力强等优点，但缺点也同样突出，所有块体嵌套成型，若有1块块体损坏，则将影响与其相邻的4块块体，以此类推，可能会导致“多米诺骨牌”效应，最终造成整个区域的块体全部损毁。

3.2.2 拖网打渔对柔性海漫的损坏

在对损毁区域进行水下探摸及水下摄像过程中，发现该区域有缠绕的渔网及钢管。经了解，泄水闸下游柔性海漫范围内一直存在较猖獗的拖网打渔现象，渔船拖网可能卡在柔性海漫块体的缝隙处，然后在拖拽渔网的过程中将块体损坏错位，进而导致其下的碎石垫层和土工布失去保护，经流水不断冲刷，损毁区域不断扩大。

4 修复方案比较

4.1 抛石和袋装砂组合方案

在凹坑底部及周边回填袋装砂。底部回填袋装砂至23.00 m高程左右，周边回填袋装砂不少于2层，然后在袋装砂中间水平的位置抛填0.5 m厚的碎石过渡层，在碎石层上再抛填防冲保护块石至原柔性海漫顶面设计高程。

图4 抛石和袋装砂组合方案修复示意图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（加絮凝剂）方案从凹坑最底部开始，利用水下不分散混凝土自流平的特点向外侧扩散充填至原柔性海漫顶面设计高程。水下不分散混凝土的设计强度等级为C20，配比时应高于设计强度一个等级。水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5，掺加UWB-Ⅱ絮凝剂，掺量约为水泥用量的2%～3%。

4.3 方案分析比选

抛石和袋装砂组合方案施工简单，工程费用低，后期维护简单，适应变形能力较强，但水下施工应严格控制施工质量，要求抛填准确，满足设计布置要求。袋装砂应与水毁部位表面接触密实，防止砂袋间相互架空，碎石回填料应回填密实，抛填的防冲块石应与周边完好的柔性海漫妥善衔接，保证下部粉细砂不被流水带出。

由于加了絮凝剂的水下不分散混凝土与塌陷凹坑周边的柔性海漫结合良好，因此水下不分散混凝土方案封闭效果较好，顶面平整，保证了泄流条件，但施工工艺相对复杂，工程费用较高，混凝土块体量大，柔性海漫适应周边的变形能力将来可能较差。

两个方案都能修复水毁的泄水闸下游柔性海漫，鉴于兴隆泄水闸下游河床为深厚粉细砂层，工程防冲安全问题十分突出，且为水下施工，综合比较后采取抛石和袋装砂组合方案。

图5 灌注水下不分散混凝土方案修复示意图Fig.5 Scheme of pouring underwater anti-washout concrete

5 处理效果

2018年8 月，柔性海漫修复完成并投入运行。截至2019年汛后，最大下泄流量为7250 m3/s，修复区域未出现明显异常。对比修复完成后与2019年汛后水下地形测量结果，发现运行一年后的结构断面和刚修复完成时的断面基本吻合，确认该方案修复效果较好，可以满足运行要求。

6 结语

（1）兴隆泄水闸采用的新型海漫块体结构整体性和柔性好，抗冲能力和适应变形能力强，制作工效高，施工速度快。但由于其是嵌套式装配，相互之间依存度很高，存在“多米诺骨牌”效应。

图6 柔性海漫修复后与运行后测量典型断面比较图Fig.6 Comparison between the typical section of flexible apron after restoration and after operation

（2）抛石和袋装砂组合方案施工速度快，费用较低，在工程实践中取得了良好效果，对同类型柔性海漫水下修复有一定的借鉴作用。但存在漏抛及抛石不均匀等现象，因此在施工过程中，应加强过程控制，加密水下测量，对漏抛区域及时补抛石。

（3）兴隆水利枢纽建筑物基础为深厚粉细砂层，极易产生冲刷和渗透破坏，运行中应加强监测，加强水下地形测量，出现问题及时修复，保证工程运行安全。