水利枢纽工程水闸消能防冲新技术分析

徐黎，李江，顾春锋，徐智

（南通市新江海河闸管理所，江苏 南通 226001）

1 引言

研究国内外水利枢纽工程水闸消能防冲普遍存在的问题，结合现有研究成果和相关资料，发现导致水闸消能防冲结构稳定性较差的原因包括地质结构变化、枢纽布置不合理以及消能防冲设施设计不符合水闸消能防冲要求等。为有效解决水闸消能防冲方面存在的问题，需要加强新技术、新材料的应用，提高水闸消能防冲结构的抗冲击能力，解决结构稳定性差问题，减少水流长期冲刷对水闸消能防冲结构的不利影响。

2 工程概况

本文以某地区水利枢纽工程为例，该工程初期修建的功能定位主要是防洪与供水，并为周边居民生活、农业灌溉以及航运河道提供电能和水资源，同时对下游自然生态环境也能起到一定改善的作用效果。结合前期实地勘察情况，该工程由多个结构共同组成，如泄水闸、电站厂房、挡水坝、河岸连续构筑物等；正常时间段的蓄水位不超过40 m，总库容约为3.8×108m3，防洪库容则是约为2.8×108m3。

对该水利枢纽工程水闸运行期和施工导流期进行实时监测，以掌握水利枢纽工程整体运行情况，进一步分析水闸运行期和施工导流期所面临的消能防冲问题，为后续选择消能防冲新技术以及针对性制订技术方案提供参考依据。

3 运行期水闸消能防冲问题

3.1 下游防冲槽长期受水流冲刷

防冲槽被水流长期冲刷是水利枢纽工程运行期间较常出现的情况。由于防冲槽自身结构稳定性较差，且该工程下游河道存在单宽流量大、水闸消能较弱等问题，流量中较大的能量在流动作用下向工程下游河道传输，使防冲槽受大能量水流的冲击，其在长期冲刷过程中形成的破坏力一旦超出河床原有冲击力的承受范围，必然导致防冲槽结构遭到严重破坏。上述情况的出现与防冲槽柔软散体的结构特性有着直接关系，因此，需改善防冲槽结构整体性能，解决防冲槽结构稳定性较差问题，进而达到提高防冲槽的抗冲能力目的。

3.2 倒塌现象在工程下游导墙部位频繁出现

结合前工程实地勘察资料，发现在水利枢纽工程中，河床和河岸位置被不断刷，导致该区域导墙部位频繁出现倒塌问题。在工程水闸上下游区域，水位差较大，尤其在平底板区域更易发生波状水跃，因此在急流情况下，工程的泄洪闸海漫段及抛石防冲槽段的导墙失稳与倒塌现象最为严重，导墙均向泄洪闸的方向倒塌。导墙倒塌现象频繁出现的原因与水利枢纽工程自身集水面积较大，导墙长期受泄洪冲刷作用有着密切关联，泄洪冲刷作用所产生的巨大消能压力超过导墙自身的承受能力，且下流河床部位在水利枢纽工程运行期辅助泄洪，流经的水中存在大量泥沙，最终使工程下游导墙在极强的破坏力冲击下频繁出现倒塌现象。

3.3 闸上冲刷

水利枢纽工程河道上游防护工作不到位，致使在泄洪时长时间遭受高强度冲刷作用影响，严重破坏了工程中的防渗墙等建筑结构，极易引发一系列安全隐患。因此，需要制定符合实际情况的防护措施，加强对防渗墙等建筑结构的保护，如将护底或防冲建筑合理设置于工程的防渗墙上游，以此削弱高强度冲刷作用对防渗墙等建筑结构的破坏影响[1]。

4 施工导流期水闸消能防冲问题

当水利枢纽工程进入施工导流期，此时河床宽度将出现一定的缩减变化，加快了导流闸段的水流流速，水流能量随着水流波动加剧而发生无规律性紊乱，加剧消能防冲问题发生的可能性。

4.1 纵向围堰上下游盘头淘刷

纵向围堰上下游盘头是水利枢纽工程施工导流期水流情况极为复杂的区域，也是高频率发生严重问题的部位，其中纵向围堰上下游盘头淘刷是该阶段水利枢纽工程中较常见的问题。

4.2 纵向围堰底板基础受到冲刷作用

一般情况下，纵向围堰底板基础周围均有相应的防护措施，在施工导流期间，也常被作为泄洪闸的边墩使用，若其底板基础无任何防护措施，则会在长时间淘刷作用下发生严重的破坏问题，进而降低导墙稳定性，提升导墙倒塌的出现概率。

4.3 导流渠道渠底及坡脚受到冲刷与淘刷作用

流动经过的水流受河床束较窄、横向围堰阻隔等条件制约，导流渠道受到冲刷，不仅大幅加快渠道内水流流速，水流能量也会发生紊乱，某种程度上增加了旋涡现象出现的概率。若河床地质结构整体相对薄弱，则会使导流渠道渠底及坡脚受到冲刷与淘刷的作用影响。

4.4 出现闸上冲刷情况

通常情况下，在水利枢纽工程的二期施工导流阶段，普遍利用已经完成建设的水闸辅助导流，加上水流受河床束较窄、横向围堰阻隔等条件制约，加快了泄洪闸上游纵横围堰中水流的流速，且水流能量发生紊乱，可能伴随闸上冲刷情况出现。

5 水利枢纽工程水闸消能防冲新技术应用

5.1 石笼网技术

在网格结构内部填充适量石块，即为石笼网。钢质网兜、生态网格箱体、网格护垫等是组成网格结构的主要构件，其中选用镀锌低碳钢丝作为加工制作钢质网兜和网格箱体的原材料，该类型材料具有良好的韧性和较高的强度，可以保证填充石块的网兜向河床抛入时不会发生钢丝断裂。通过统计石笼网使用情况得知，长时间使用状态下的石笼网，出现破损情况的概率较低。石笼网技术的应用优势主要表现在以下方面。

1）良好的渗透性。石笼网可在使用中充分发挥自身排水性能，在防冲槽表面进行布置时省略排水孔预留环节，也能有效降低因水深变化压力对其干扰。

2）较好的柔性挠曲性。当位于防冲槽下部的石块受到水流冲刷而发生位移时，石笼网内部将会形成交错拉紧的状态，增强自身对外部变形的适应能力。

3）成本投入少。石块、鹅卵石等是石笼网主要使用的填充材料，该类型填充材料较常见，为交通运输能力较差地区的水利枢纽工程施工提供了极大便利，有效节约了施工成本。

4）后期维护方便。因需要将隔板网在生态网格箱体的各方向进行加设，确保钢丝网局部发生破损时不会向四周扩展，施工人员仅需修补破损部分的钢丝网并重新填满石块即可[2]。另外，石笼网技术在防洪堤挡墙护岸与河道护坡的应用中也能达到良好的效果。河道护坡中石笼施工工序如图1 所示。

图1 河道护坡中石笼施工工序

5.2 纤维混凝土技术

将适量的纤维物质掺入混凝土中，形成纤维混凝土材料，按照掺入的纤维性质进行划分，其中金属纤维混凝土、有机物纤维混凝土。无机物纤维混凝土是现阶段工程建设中较常用的纤维混凝土材料。在水利枢纽工程中，金属纤维混凝土与有机物纤维混凝土的使用率较高，如钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土等。后者作为一种全新的混凝土性能增强材料，在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维，不仅能提升混凝土的抗裂性及防冲能力，也能有效降低使用过程中发生渗漏的可能性，极大增强混凝土在水利枢纽工程建设中的综合性能，为纤维混凝土技术在水利枢纽工程中广泛应用提供了保障。一般情况下，可根据工程建设需要选择合适的聚丙烯混凝土形式，如波状聚丙烯混凝土、网状聚丙烯混凝土等。该项技术具有成本投入少、加工制作简单、应用效果显著等优势，在工程建设中合理应用有利于提高水闸结构安全系数，强化水闸消能防冲结构稳定性。

在水闸消能防冲结构中应用聚丙烯纤维混凝土时，主要集中在水闸底板、消力池斜坡段底板面层等部位，施工前仅需将一定量的聚丙烯纤维掺入混凝土中并进行搅拌，无须对原有混凝土的配置比例进行调整，既提升现场施工效率，又节约了施工成本。例如，在消力池斜坡段底板面层部位应用聚丙烯纤维混凝土技术时，需精准计算消力池底板厚度，由于消力池内底部水流的流动速度较快，且水流状态紊乱，必须保证保护河底的消力池底板足够坚固，有效减少水流冲刷对河床的负面影响。因此，按照消力池底板处于工作状态时，受到水流冲击作用也不会发生被掀起和位移的情况作为应用聚丙烯纤维混凝土技术的基本要求，以此计算消力池底板厚度。计算公式如下：

式中，t 为消力池底板始端厚度，m；k1为消力池底板计算系数；q为确定池深时的过闸单宽流量，m3/（s·m）；ΔH 为相应单宽流量的上下游水位差，m；k2为消力池底板安全系数；U 为底板底面受到的扬压力，kPa；γ 为水的重度，kN/m3；hd为池内水深，m；Pm为底板上的脉动压力，kPa；γb为池底板的饱和重度，kN/m3。

式（1）是基于抗冲要求对消力池底板式始端厚度进行计算的；式（2）是基于抗浮要求对消力池底板式始端厚度进行计算的，可选取二者计算结果最大值作为消力池底板始端厚度，以此为后续聚丙烯纤维混凝土作业开闸提供参考依据，保证聚丙烯纤维混凝土性能在水闸消能防冲结构应用中得到有效发挥[3]。纤维混凝土铺盖如图2 所示。

图2 纤维混凝土铺盖（单位：mm）

5.3 抛石混凝土技术

应用抛石混凝土技术时，施工人员按照常规施工工艺完成块石抛填作业后，需要根据既定的坍落度，将强度等级为C15 的混凝土在抛石表面进行灌注，大粒径块石将在混凝土自身流动作用下进行随机填充，最终形成混凝土抛石体。成本投入少、施工技术操作简单、水泥消耗量少、稳定性较强等是抛石混凝土技术的基本特征。其在水闸消能防冲结构（如防冲槽结构）中的应用能有效提升结构整体稳定性及抗冲能力。在工程的纵向围堰上下游盘头以及岸坡护脚部位应用抛石混凝土技术，可达到消能防冲效果。抛石混凝土技术在防冲槽结构中的应用示意如图3 所示。

图3 抛石混凝土技术在防冲槽结构中的应用示意图

6 结语

综上所述，水利枢纽工程中的水闸具有水位调节、控制流量及汛期辅助泄洪等功能，其中消能防冲是水闸运行期与枢纽施工导流期较常出现的问题，对工程结构整体稳定性具有较大影响。因此，在实际工程建设中，需重视和加强新技术、新材料在水闸消能防冲结构薄弱部位的应用，增强薄弱部位的抗冲能力。同时根据水利枢纽工程水闸的类型及工作特点，制定针对性的消能防冲措施，降低水流冲刷作用对河道的不利影响；做好工程上、下游河岸的防护工作，适当增加护岸的长度与河岸护坡的厚度，以此增强坡脚稳定性，削弱回流淘刷对上、下游保护段两岸的破坏力，全面提高消能防冲结构的抗冲击能力。