河床下切导致水闸下游消能不足的整治方案探讨_曹龙江.pdf

四 川 水 利 河床下切导致水闸下游消能不足的整治方案探讨曹龙江（四川省水利规划研究院，成都，）【摘 要】近年来，水利水电工程的拦河水闸下游常发生因河道下切导致原有消能设施消能不足的危险情况。这些情况多由于河道砂石无序开采导致河床形态变迁，特别是河道整体下切所致。比如青衣江上的毛滩、城东电站，大渡河上的沙湾电站。这些工程水闸挡水水头不高，一般 以内，消能方式多为底流消能，常采用消力池与原状下游河道形成平顺水力衔接，若下游河道发生整体下切，深度一般达到 的数量级，就会出现消能不足的表象，消能设施下游常发生淘刷破坏，危及消能建筑物安全，从而影响主体拦河水闸安全。工程出现此类险情后一般需进行整治，措施也不尽相同，文章以青衣江上的毛滩、城东电站为例，对这类消能不足整治措施进行了初步探讨。【关键词】水闸 消能不足 河床下切 采砂 整治方案 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）毛滩电站整治方案 基基本本情情况况毛滩电站拦河闸上、下游水头差，河床式厂房，布置在左岸，厂后接长尾水渠。右岸泄洪冲沙闸共 孔，每孔净宽，闸坝轴线总长，下游采用底流消能。冲沙闸共 孔，下游设有两级消力池，第一级消力池长，第二级消力池长，泄洪闸设一级消力池，消力池长。消力池后均设置框格梁内填混凝土板海漫。整个河床为深厚砂卵石覆盖层。年底毛滩水电站投产发电，至 年汛末，冲沙泄洪闸下游海漫结构发生沉陷、破坏、冲失，消力池下游河床冲坑深度，严重危及消力池安全。运行期间采用的临时保护措施均被冲毁。经分析，该工程消能设施破坏为河道砂石开采导致下游河道整体下切约，加大了上下游水头差，从而导致现有消力池消能不足。整整治治方方案案毛滩电站对此开展整治专题研究，提出了 个方案：（）消力池加垂直防冲单墙方案；（）桩墙结合框格式地下连续墙方案；（）二道坝方案；（）长护坦方案。方案具体内容如下。消消力力池池加加垂垂直直防防冲冲单单墙墙方方案案河床由于下切较为严重，海漫、末端齿墙及防冲槽破坏严重，在泄洪冲砂闸消力池末端形成跌水，水位落差近，采用新增底流消能防冲措施即消力池来消除河床下切新增加的能量。即在现有泄洪冲沙闸消力池末端增加一级消力池，因原框格梁海漫大部分已被破坏，将框格梁海漫拆除。紧靠消力池末端齿墙下游设置钢筋混凝土防冲墙。设计时考虑以下要点：河床可能继续下切，底流消能计算预留适当水头差，并按二级消力池计算；消力池末端防冲墙深度根据砂卵石河床冲刷深度计算后确定，并进行墙体结构计算。该方案设计示意见图。图 消力池加垂直防冲单墙方案设计示意 桩桩墙墙结结合合框框格格式式连连续续墙墙方方案案 四 川 水 利该方案思路为不考虑消除上下游多余水头差，任由下游冲坑发展至稳定深度，在现有消力池尾部采用钢筋混凝土结构对消力池结构及地基进行整体保护。桩墙结合框格式地下连续墙是承重、挡土和防冲于一体的空间结构，主要是下游垂直桩墙承受水平水压力和土压力，由水平厚板承受垂直方向的水压力、土压力和结构自重，厚板相当于群桩基础的承台。在厚板下设置两排大口径灌注桩，用于承受主要的垂直荷载，下游排各桩之间用地下垂直墙连接起来防冲、挡土，并在厚板底部设置肋梁以增加结构总体刚度，形成空间受力结构，以满足保护上游地基的设计要求。具体布置为，拆除原海漫后，在泄洪冲砂闸消力池末端顺水流向布置两排灌注桩，顺水流方向桩间距，桩直径 ，桩深，下游排桩桩间设置钢筋混凝土连续防冲墙，墙宽 ，墙深。两排桩之间用钢筋混凝土加强肋梁连接，梁高 ，梁宽 ，灌注桩垂直水流方向间距。两排桩顶部用钢筋混凝土顶板连接并形成平面结构布满消力池下游，顶板厚度为 。设计时考虑以下要点：连续防冲墙下游因冲刷形成较深、趋于稳定的冲坑（毛滩电站估算为），即桩墙结构下游侧为 高临空面；选取垂直水流向 宽度（包含两列桩范围桩墙板结构、地基）建模进行空间有限元结构计算。该方案设计示意见图，桩墙结构有限元模型见图。图 桩墙结合框格式连续墙方案设计示意（顺水流向剖面）图 桩墙结构有限元模型 二二道道坝坝方方案案由于下游河床下切严重，在闸下游约 处修建二道坝，二道坝以上修建护坦。通过修建二道坝雍高闸址下游水位，使得出消力池后的水位衔接恢复至原始状态顺畅衔接。下游修筑二道坝能有效控制海漫下游河床砂卵石流失和雍高下游水位。长长护护坦坦方方案案即在消力池下游河床回填土石，恢复原始河床地形，并设置混凝土护坦保护河床。整整治治方方案案选选择择在初步比选阶段，方案 由于二道坝下游依然存在消能问题，上游需要土石回填，护坦工程量也较大；方案 也存在土石回填较大，料源困难，混凝土护坦保护范围较大、难以确定等问题，定性否定了。方案 和方案 主要优缺点对比如表，在经过较详细的比较后，毛滩电站整治选择了方案，即消力池加垂直防冲单墙方案。曹龙江：河床下切导致水闸下游消能不足的整治方案探讨 表 方案 和方案 主要优缺点对比方案优点缺点方案 主动消能、消能效果好，现状地形条件水流衔接较好，消能后对下游冲刷减轻；保护范围距挡水闸较远，总布置格局较为安全；水力计算、施工技术常规、成熟；投资略小若河床进一步下切，消能可能不足，消能适应性略差；单墙受厚度限制稳定性较差，河床下切、冲坑较深时墙体深度受限方案 方案布置紧凑，以垂直防冲强支护为直接目的，地下网格墙整体抗冲稳定性较好；若河床进一步下切，防冲深度足够时，适应性较强距闸坝较近，跌水能量集中，不考虑消能，对下游冲刷程度大，布置格局偏危险，一旦出现险情，抗洪抢险形式更为紧迫；桩墙结合施工技术要求较高；冲坑深度不易估算 城东电站 基基本本情情况况城东电站为河床式电站，从左至右依次布置河床式厂房、孔冲沙闸、孔泄洪闸，冲沙泄洪闸孔口宽度，上下游水头差 左右。泄洪闸为底流式消能，设有一级消力池；冲沙闸部分为方便推移质出库，下游采用斜坡式护坦形成急流衔接，护坦末端齿槽置于基岩上。枢纽地质情况：上部为厚约 砂卵石覆盖层，下部为泥岩，整个拦河闸建基面置于泥岩上，消力池置于砂卵石上，消力池尾部齿槽置于泥岩上，消力池下游设有 厚混凝土板海漫。电站于 年建成运行，根据 年、年实测水下地形图，海漫下游河床高程大范围下降约，靠近海漫，部分位置出现低于海漫顶面约 深坑，最深点距海漫末端约，大部分海漫齿槽出现底部淘刷悬空，两次水下地形图变化已经趋缓。冲刷原因分析主要有闸坝下游砂卵石开采使下游河床高程降低，以及闸门运行中存在集中开启部分闸孔等方面因素。整整治治方方案案城东电站冲沙泄洪闸下游海漫为混凝土板，厚，长度，一旦垮塌将会影响消力池安全，从而影响主体拦河闸安全。工程已运行约 年，为保证工程不在险情中运行，电站采取了工程措施进行整治。针对该工程水闸建基于基岩上，海漫下游砂卵石覆盖层较薄，下游河床经过几次水下地形测量，冲刷有趋于稳定迹象等情况分析，从减小投资、方便施工，达到提高工程安全度目的等方面考虑，城东电站选择了以保护加固为主的整治措施，在水平、垂直方向保护方案中进行了比较，具体如下。方方案案 （护护坦坦末末端端下下游游设设钢钢筋筋混混凝凝土土灌灌注注桩桩方方案案）为了防止冲坑继续向上游扩大掏刷护坦基础，该方案采用 钢筋混凝土灌注桩在护坦末端下游形成一堵钢筋混凝土连续墙，来抵挡水流对护坦基础的掏刷，起到保护消力池作用。该方案是先将下游河道水位降至低于海漫顶面，采用混合料在护坦末端回填一 宽的施工平台，平台顶高程同海漫，在施工平台上游端布设灌注桩，桩径 ，灌注桩孔距为 。根据二维平面有限元分析，确定合理的桩底深度。当钢筋混凝土连续墙形成后在海漫尾部钻孔采用细石混凝土对下部的掏刷空腔进行回填。在冲坑底部一定范围内铺设一层混凝土四面体来抵抗水流对河床的掏刷。方案设计如图 所示。图 护坦末端下游设钢筋混凝土灌注桩方案设计 方方案案 （护护坦坦末末端端设设膜膜袋袋混混凝凝土土固固脚脚方方案案）为了防止护坦下游冲坑继续加深和扩大采用一定厚度 膜袋混凝土对护坦下游河床冲坑进行硬化封闭。该方案是先将下游河道水位降低，采用混合料在海漫末端回填一顶宽 坡比 的土石回填体，在回填体表面铺设膜袋混凝土，局部拆除海漫下游端混凝土，膜袋混凝土上游端固定于海漫新浇筑混凝土中。在冲坑底部一定范围内铺设一层混凝土四面体来抵抗水流对河床的掏刷。方案设计如图 所示。图 护坦末端设膜袋混凝土固脚方案设计 方方案案 （护护坦坦内内设设钢钢筋筋混混凝凝土土灌灌注注桩桩方方案案）该方案是先将下游河道水位降低，利用海漫做为施工平台。在距离海漫末端 上游位置布设灌注桩，施工时先局部拆除灌注桩顶部海漫混凝土（若钻机可直接在海漫混凝土上钻孔可不拆除），灌注桩施工至顶时用新浇筑混凝土将海 四 川 水 利漫、桩连结为整体。灌注桩孔距为 ，桩径。在冲坑底部一定范围内铺设一层混凝土四面体来抵抗水流对河床的掏刷。方案设计如图 所示。图 护坦内设钢筋混凝土灌注桩方案设计 整整治治方方案案选选择择 个方案主要优缺点对比见表。经过对 个方案综合分析后，城东电站采用方案（护坦内设钢筋混凝土灌注桩方案）进行了垂直方向保护加固整治。表 个方案优缺点对比方案优点缺点方案 钢筋混凝土连续墙抗冲性能较好能抵抗高速水流冲刷，防止冲坑继续向上游扩大掏刷海漫基础，可避免大型机械在护坦上施工作业安全风险该方案需采用混合料在海漫末端回填一 宽的施工平台，所需混合料方量较大，在下游河床取料会降低河床高度，对加剧下游冲刷有一定影响方案 膜袋混凝土可在一定程度上保护海漫基础，方案较为简单，投资最少需拆除海漫下游端混凝土，在拆除混凝土时有可能海漫下游端会发生断裂，膜袋混凝土施工时需要潜水员配合，回填体发生沉降时膜袋混凝土可能会发生断裂，处理效果存在耐久性、可靠性不足等问题方案 不需要取料回填施工平台，对下游河床无影响，工程造价适中对已有海漫人为形成破坏，由于护坦尾部齿槽部分已悬空，施工需分段进行，灌注桩以后的护坦尾部存在垮塌可能 河床下切导致水闸下游消能不足的整治方案探讨毛滩和城东电站运行后水闸下游消能不足主要原因大致相同，均为闸坝下游砂卵石开采使河床高程下切，从而加大了上下游水头差，导致消能不充分，也有闸门运行方式与下游河势变迁不适应的因素。大渡河上的沙湾电站也存在类似问题并进行了整治，整治方案也属于上述方案之一。这类问题的整治措施大致分为水平方向和垂直方向两大类，整治的理论依据、侧重点有所不同。水平方向可以采用增设消力池消除多余水头差或护坦延长保护范围，垂直方向主要有桩、墙等强支护方案，桩墙方案可以是单一立面结构，也可以是空间组合结构，也可以将水平与垂直方案结合考虑。选择方案时需要考虑工程的地质条件、水毁程度、险情发展趋势、对主体工程的危害风险大小、临时整治措施的效果等多方面因素，当然对于投资、施工难易程度、工期也是应该兼顾的。如果地质条件较好、险情发展趋于稳定采用城东电站这类垂直保护加固措施是可以优先考虑的，对于毛滩电站这类覆盖层为主的，破坏发展可能历时较短、风险较高的工程采用多级消力池的方案是较为成熟、稳妥的。方案设计时还需要考虑河床的持续变化，留有富余度。对于闸门运行方式与下游河势变迁不适应的问题，多由于工程初始设计时提出过相关运行方式，对于冲沙闸优先开启取水防沙有要求，但根据闸坝下游出现的冲刷情况，结合上游库区的淤积程度、形态分析，进行适当的闸门运行方式调整是必要的，毛滩电站对此专门进行了水工模型试验，提出了适应现状的闸门调整运行方式。结语水闸下游消能不足的整治方案较多，可以采用临时性的，也可以采用较为永久性的，本文主要列举了后一类方案，也不尽全面。对于水闸工程运行一段时间后，下游河床多少都会有一些冲刷，除了对河床水下地形进行跟踪监测外，查明下游水位流量关系曲线是否改变也是决定采用何种整治措施的重要因素，毛滩电站因河床下切导致下游水位较初始设计下降了 左右，多次采用临时措施均不理想，最终采用了较为彻底的整治方案。如果仅有河床的局部冲刷，下游水位并未下降，则消力池上、下游水位衔接依然是较为平顺的，此时整治措施就可以相对简单。最后需要指出的是，加强在已有工程影响范围采砂的安全评估和许可监管，才是减少此类工程病害的重要手段。参 考 文 献蒋万江，李东福桩墙结合框格式地连墙在水工建筑物中的应用低碳世界，（）：丛蔼森，杨晓东，田 彬深基坑防渗体的设计施工与应用北京：知识产权出版社，王友春浅析软基闸坝消能设施下游河床冲坑成因分析及治理措施长江技术经济，（）：作者简介：曹龙江（），男，汉，四川富顺人，高级工程师，大学本科，学士，主要从事水利水电工程水工设计工作。：