那吉航运枢纽大坝消力池损毁成因和抢修方案分析

黄宁　吴信　陆远文

摘要：文章分析了那吉航运枢纽消力池淘蚀、海漫损毁的原因，并提出了针对性的抢修加固方案。方案应用结果表明，抢修工程效果良好，具有一定代表性，经过一个汛期的运行，没有发现异常。该抢修方案可为类似工程提供借鉴。

关键词：消力池;海漫;水跃;闸门开启

中图分类号：U617.9+1

0 引言

那吉水电站为低水头径流式电站，溢流坝坝基为E2n2-3泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩夹粉砂质泥岩、泥岩的弱风化岩层，抗冲刷性较差。本文从河床下切水位下降、地形地质条件、超标洪水等方面分析了那吉航运枢纽拦河坝消力池被淘空、海漫损毁的原因，提出了修复设计方案，以期为其他类似工程提供有益的借鉴。

1 概述

那吉航运枢纽位于广西右江百色市境内，是百色水库的反调节水库，是以航运为主、结合发电、兼顾其他效益的水资源综合利用工程。水库正常蓄水位为115.0 m，总库容为1.83亿 m3，电站装机容量为66 MW，船闸通航标准为2×1 000 吨级顶推船队。工程等别为三等工程，主要建筑物级别为3级，次要建筑物等级为4级。拦河坝设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇。枢纽由拦河闸坝、电站、船闸、枢纽对外交通桥等建筑物组成。工程于2008年建成投入使用。

溢流坝段最大坝高为27.5 m，采用WES低堰，堰顶高程为104.0 m，共布置10孔溢流坝，孔口尺寸为16 m×11.6 m。溢流坝工作门为弧形门，由液压启闭机启闭。在坝下游右岸3个溢流孔和左岸7个溢流孔之间布置有一道纵向导墙（施工期纵向围堰）。溢流坝采用底流消能，在坝下布置消力池，消能设计洪水标准为30年一遇（Q=3 680 m3/s）。根据模型试验优化成果，消力池采用无尾坎式，底板顶高程为99.00 m，池长29 m，宽184 m。消力池设有两排消力墩，按品字型布置，排距为2.0 m，墩高为1.5 m。消力池后布置护坦，右岸3个溢流孔作为二期施工导流使用，采用混凝土护坦，长度为114 m，在其下游再设长度为140 m的C25混凝土护底;左岸7个溢流孔采用混凝土护坦，长度为56 m，在其末端设置防冲槽，槽内抛填块石[1]。

溢流坝段建基面高程为94.00 m。坝基主要为E2n2-3泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩夹粉砂质泥岩、泥岩的弱风化岩层，下部除存在煤薄层、煤线或炭质条纹层外，无其他软弱层分布。地基岩土体强度高，能满足基础对地基承载力的要求，但抗冲刷性较差[2]。

2 大坝消力池损毁情况

那吉水电站为径流式电站，只有日调节性能。自工程投入使用以来，几乎每年均开闸泄洪，2015年曾经出现超过50年一遇的超标洪水（最大出库流量达Q=4 177 m3/s）。由于受下游鱼梁水库回水影响，消力池、海漫常年被淹，致使未能及时掌握消力池和海漫的变化情况。直到2019年对大坝下游进行了水下检查和水下测量，才发现溢流坝左岸7孔泄洪闸消力池被淘空、海漫严重损毁：消力池尾部被淘空，最大淘空深度为2～4 m;海漫混凝土块大部分脱落、移位，出现多处面积为100～200 m2、深为4～5 m的冲刷坑;靠近下游纵向导墙侧的3孔泄洪闸混凝土海漫大部分被洪水冲走，沿纵向导墙形成宽20～30 m、深3～5.8 m的冲刷槽;下游纵向导墙基础大部分被淘空，混凝土浇筑分层处错位开裂，有一道明显裂缝。根据水下检查和水下测量成果判断，那吉航运枢纽下游左7孔溢流闸的消力池被淘空，海漫大部分已经损毁，严重威胁到大坝的安全，迫切需要抢修。

3 原因分析

根据对工程现状运行条件和设计资料进行分析，那吉航运枢纽下游消力池被淘空、海漫严重损毁的主要原因有以下几点：

（1）河床下切水位下降，形成远驱式水跃。那吉枢纽大坝区下游河道近年受过度采砂等影响，河床下切较多，在小流量工况时，下游水位下降明显。坝下水位流量关系设计值与电站实测记录值对比如表1所示。

从表1可以看到，在溢流坝下泄≤1 000 m3/s流量时，坝下水位比原设计下降了0.33～1.67 m，致使消力池水头差增加，下游水深变浅，消力池的运行条件发生不利变化。

另外，根据设计的运行方案，大坝下泄流量≤1 300 m3/s时，要求大坝左7孔溢流闸门均匀开启，逐步提升。但在大坝实际运行时，通常先开启中间6#、7#闸孔，起始提升高度为0.5 m，来水量约>200 m3/s，再对称开启5#、8#溢流闸，并按0.5～1.0 m一档，逐级提升闸门，由此造成溢流坝下泄的单宽流量明显大于设计值，能量集中，加剧河床冲刷。

经验算，在上述两种因素作用下，下泄流量Q<1 000 m3/s时，消力池下游形成远驱式水跃，坝下存在急流段，河床受到高速水流冲刷，是致使消力池被淘空、海漫损毁的主要原因之一。

（2）软岩地基，抗冲刷能力差。消力池、海漫下伏基岩为第三系始新統那读组的泥岩、粉砂质泥岩，强度低，抗冲刷能力弱，且由于覆盖层较厚，部分海漫体放置在砂卵石层上，土石层容易发生变形，使得海漫分块间形成错位，溢流坝下泄的高速水流从缝隙穿过，将砂卵石带走，使海漫变形加大。在翻滚水流作用下，海漫变位、脱落、失效，失去保护的地基直接受到高速水流冲刷，很快形成冲刷坑（槽），海漫损毁范围逐步扩大，从而淘空消力池。

（3）受下游河道地形影响。在距离消力池下游约200 m的那吉大桥的左岸桥墩上下游约20 m范围地形较高（高程约为101.5 m），为交通桥施工时硬化的场地，占据了左岸小半个河床，对水流形成明显阻碍，导致水流往河道中间汇集，全部从下游纵向导墙与硬化场地之间的狭窄通道下泄，致使流速增大，加剧河床冲刷。在水流长期作用下，下游纵向导墙附近海漫体全部被冲走，最终沿纵向导墙形成了一道深达5～10 m、宽约20 m的冲刷槽。

（4）超标洪水影响。那吉航道枢纽大坝消力池的设计洪水标准为 30年一遇（Q=3 680 m3/s）。2015-09-12那吉航运枢纽出现超标洪水（入库Qmax=3 957 m3/s，出库Qmax=4 177 m3/s。上下游水位差达1.83 m），出库流量大于50年一遇洪水（Q=3 750 m3/s）。在超标洪水作用下，河道受到严重冲刷，导致消力池淘空，海漫损毁。

4 抢修方案

本工程在大流量工况时大坝上、下游水位基本持平，不是消力池的控制工况，故在修复设计时主要根据实测的水位流量关系，对50年一遇以下的各级洪水进行消能防冲复核。同时结合电站实际运行情况优化闸门开启方案，按“先中间后两侧，对称开启，逐渐提升”的原则，先开启中间两孔闸门，闸门起始开启高度取0.25 m，在下游水位逐渐抬高后再增加每级开启高度。电站发电按较不利组合考虑，发电流量分别取Q=600 m3/s、400 m3/s、200 m3/s。闸门开度及相应消能计算成果如表2～4所示[3]。

从表2看，在电站基本满发（发电流量Q=600 m3/s）工况下，按优化后的闸门开启方式，消力池均为淹没式水跃，计算要求的消力池长为25 m，原消力池长度能满足要求。但当遇到电站检修等工况（电站发电流量Q=400 m3/s、Q=200 m3/s，如表3、表4所示），下泄较小流量时，大坝下游出现远驱式水跃，坝下存在急流段，需增加消力池及海漫的长度。

由于消力池被淘空，海漫几乎全损毁，已不能保证安全度汛，急需在汛期前完成加固。在缺乏模型试验资料，难以估算远驱式水跃出现位置的情况下，为确保大坝枢纽安全，经研究后将消力池再延长15 m，并在消力池后修建55 m长的混凝土海漫。结合现有消力池下游河床的冲刷情况，同时为使消力池出口段获得较大的水深，減少急流段长度，新建消力池和海漫纵向均设置缓坡。具体加固设计方案如图1所示[3]。

根据工程区的施工条件，拟定了两个技改方案进行比选，即：围堰施工方案和水下施工方案。考虑到围堰施工方案可有效消除工程安全隐患，施工质量有保障，施工进度可控，且工程投资相差不大，推荐采用。加固工程于2019年12月开始进场施工，2020年4月初基本施工完成，目前经过一个汛期的运行，没有发现异常。

5 结语

近年由于受河道采砂等因素影响，较多河流的梯级水库下游出现河道下切、水位下降现象，大坝消力池的运行条件发生了改变。当消力池、海漫出现不良流态，特别是出现远驱式水跃时，应及时采取处理措施，以免危害到建筑物安全。低水头闸坝水头较小，下泄能量不大，消能设施一般比较简单，对河道的防护范围较小，但由于河道水流边界条件多，流态复杂，难以准确计算分析洪水对河床的影响。因此，在软基岩上设计低水头闸坝消能设施时，应留有适当的富余，以确保工程能安全运行。另外，大坝消能功能的设计应结合闸门的操作规程，选取合理、可行的开启方案，计算时按最不利组合考虑。

参考文献

[1]广西交通设计集团有限公司，广西水利电力勘测设计研究院.广西右江航运建设那吉航运枢纽工程初步设计[R].南宁：2003.

[2]广西交通设计集团有限公司，广西水利电力勘测设计研究院.广西右江航运建设那吉航运枢纽工程施工图设计[R].南宁：2005.

[3]广西交通设计集团有限公司.那吉枢纽下游水下结构技改（抢修）[R].南宁：2020.

作者简介：

黄 宁（1988—），工程师，主要从事港口工程设计工作;

吴 信（1967—），教授级高级工程师，主要从事港口工程设计工作;

陆远文（1978—），高级工程师，主要从事水利水电和港口工程设计工作。