武都閘壩水毀成因分析及修復(fù)方案研究

宋來春，李 楨

（1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430000；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610000）

由于閘壩施工質(zhì)量或者超標(biāo)洪水的作用，經(jīng)常會(huì)發(fā)生水毀現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程的運(yùn)行安全。王俊等[1]通過理論計(jì)算分析海漫段水毀的主要原因，提出整治方案，利用FLUENT 軟件對(duì)漫水灣閘壩下游海漫段整治前后的閘壩泄流進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，分別得到校核工況下閘壩下游整治前后的泄流流態(tài)和壓力場(chǎng)等模擬結(jié)果。楊萬(wàn)志等[2]通過典型工程的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和調(diào)查，科學(xué)地劃分了水毀形式及程度，系統(tǒng)地分析了水毀的成因，提出了比較完整的修復(fù)修補(bǔ)措施。張?jiān)猍3]結(jié)合了實(shí)際的案例研究了水庫(kù)除險(xiǎn)加固及引水工程取水?dāng)r河壩水毀修復(fù)改造設(shè)計(jì)方案。蔣建新[4]通過新羅區(qū)小型攔河壩水毀工程原因分析和修復(fù)經(jīng)歷，介紹了山區(qū)小型攔河壩水毀段工程修復(fù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與改造經(jīng)驗(yàn)。

武都取水樞紐位于四川省江油市武都鎮(zhèn)涪江干流燈籠橋處，是武都引水工程一期中重要的組成部分，其控制集雨面積5 814 km2，正常蓄水位572.50 m。取水樞紐壩軸線總長(zhǎng)123 m，由左岸進(jìn)水閘、沖砂閘、泄洪閘、右岸進(jìn)水閘和右岸非溢流壩段（儲(chǔ)門槽）等組成。

1 水毀情況與成因分析

1.1 水毀情況

8月11日10 時(shí)—8月16日19 時(shí)武都水庫(kù)下泄流量由1 950 m3/s 逐漸加大到3 755 m3/s，8月16日19 時(shí)—8月17日24 時(shí)，武都水庫(kù)下泄流量達(dá)到4 797 m3/s。8月17日上午6 時(shí)，值班人員報(bào)告取水樞紐沖砂閘下游左岸擋墻頂部沉陷，發(fā)現(xiàn)擋墻背廂出現(xiàn)垮塌，于當(dāng)日晚21 時(shí)開始組織機(jī)械對(duì)沉陷部位采用泥夾石進(jìn)行回填，當(dāng)晚24時(shí)，武都水庫(kù)開始加大出庫(kù)下泄流量，武都水庫(kù)下泄洪水流量為5 300 m3/s，次日13 時(shí)擋墻垮塌60 余m。為防止受損面積進(jìn)一步擴(kuò)大，8月18日13 時(shí)武都水庫(kù)開始削減出庫(kù)下泄洪水流量至3 500 m3/s。

“8·11”洪水過后，經(jīng)放水檢查發(fā)現(xiàn)：取水樞紐1#、2#沖砂閘下游海漫末端（含防沖槽）順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)25 m、寬40 m 損毀，3#—7#泄洪閘下游海漫末端防沖槽塌陷，末端海漫局部脫空；5#泄洪閘下游二級(jí)護(hù)坦（長(zhǎng)7 m、寬1.5 m）、7#閘室底板（長(zhǎng)4 m、寬10 m）、7#泄洪閘下游二級(jí)護(hù)坦（長(zhǎng)3 m、寬1 m）、4#—7#泄洪閘下游海漫和防沖槽等上述部分混凝土面層沖刷嚴(yán)重，骨料裸露、部分鋼筋外露；取水樞紐下游左岸混凝土擋土墻沉陷坍塌長(zhǎng)度約60 m，且坍塌段前后各約10 m 墻后填筑砂卵石塌陷脫空。

1.2 成因分析

根據(jù)取水樞紐攔河閘“8.11”水毀情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢查和了解，閘室底板、護(hù)坦和海漫部分混凝土面層所形成的沖蝕損壞，其主要原因是工程運(yùn)行期間長(zhǎng)期受水流沖刷及推移質(zhì)磨蝕所致；海漫末端防沖槽和左岸護(hù)岸局部擋墻所形成的水毀，其主要原因分析如下。

1.2.1 洪水流量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

2020年8月11日至24日，受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，涪江上游發(fā)生特大洪水，8月11日10 時(shí)—8月16日19 時(shí)武都水庫(kù)下泄流量由1 950 m3/s 逐漸加大到3 755 m3/s；8月16日19 時(shí)—8月17日24 時(shí)，武都水庫(kù)下泄流量達(dá)到4 797 m3/s，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)29 h；8月18日0 時(shí)，武都水庫(kù)加大出庫(kù)下泄流量，下泄流量達(dá)到5 300 m3/s，18日13時(shí)武都水庫(kù)開始削減出庫(kù)下泄洪水流量至3 500 m3/s，武都水庫(kù)出庫(kù)下泄流量5 300 m3/s 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12 h。

根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和SL 252—2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，本工程取水樞紐攔河閘消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪水流量為4 000 m3/s。武都水庫(kù)出庫(kù)下泄流量4 797 m3/s持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)29 h，下泄流量5 300 m3/s，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12 h，洪水流量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是取水樞紐閘室、下游護(hù)坦及海漫、防沖槽和左岸擋墻等遭受不同程度損毀的主要原因之一。

某地鐵盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)管片襯砌幾何形態(tài)異常以及變形較大等問題，相關(guān)部門針對(duì)上述問題對(duì)管片襯砌變形較大的區(qū)域進(jìn)行了專項(xiàng)病害整治，獲得了該盾構(gòu)隧道在管片收斂整治過程中的變形特性。

1.2.2 下游河床降低

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢查發(fā)現(xiàn)，取水樞紐攔河閘下游河床明顯降低。根據(jù)實(shí)測(cè)下游河道大斷面，經(jīng)攔河閘下游水位流量關(guān)系曲線復(fù)核計(jì)算可知：設(shè)計(jì)洪水流量6 060 m3/s時(shí)，下游洪水位為574.86 m，較原設(shè)計(jì)洪水位576.67 m 降低了1.81 m；校核洪水流量7 660 m3/s 時(shí)，下游洪水位為574.86 m，較原校核洪水位577.90 m 降低了3.04 m。

取水樞紐攔河閘下游河床降低，改變了原河道水流條件和增加了上下游水位差，致使海漫末端水流與下游河道水流形成明顯跌落，不能平順連接，造成海漫后河床沖刷嚴(yán)重，并掏蝕防沖槽和海漫基礎(chǔ)，這是導(dǎo)致海漫、防沖槽和左岸擋墻等遭受不同程度損毀的主要原因之一。

1.2.3 下游分洪道影響

取水樞紐下游左岸凹岸原為天然的分洪道，現(xiàn)分洪道入口修建了混凝土擋墻，取水樞紐1#、2#沖砂閘下游海漫末端距分洪道擋墻最近距離約120 m，擋墻頂部高程為571.6 m 左右，較主河床高5～6 m，導(dǎo)致中小流量的洪水經(jīng)擋墻折向后在左岸回旋對(duì)左岸擋墻基礎(chǔ)進(jìn)行掏刷；也改變了原河道水流條件，造成河道水流紊亂，從而加劇了沖砂閘后海漫及左側(cè)擋墻基礎(chǔ)掏刷、結(jié)構(gòu)破壞。

1.2.4 武都水庫(kù)影響

武都水庫(kù)建成后，對(duì)下游武都取水樞紐和河道均產(chǎn)生了一定的影響，初步分析如下：①防洪是武都水庫(kù)的主要功能之一，洪水調(diào)節(jié)后，下泄的中等流量持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，改變了原河道天然洪水過程。②武都水庫(kù)建成后，水庫(kù)將攔蓄大量泥沙，下游河道長(zhǎng)期處于清水沖刷狀態(tài)，從而打破了原河道沖淤平衡，是造成取水樞紐攔河閘下游河床下切的原因之一。③本取水樞紐攔河閘距武都水庫(kù)較近，僅位于武都水庫(kù)下游約1.3 km 處，武都水庫(kù)泄洪時(shí)其洪水勢(shì)能對(duì)取水樞紐攔河閘上游水流流速產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)上游實(shí)測(cè)資料，取水樞紐閘門全開在相同下泄流量的情況下，上游水位武都水庫(kù)建成后較建成前低0.5～0.8 m，說明武都水庫(kù)建成后取水樞紐上游水流流速及水能有所加大，對(duì)取水樞紐護(hù)坦、海漫及下游河床沖刷產(chǎn)生一定影響。

2 修復(fù)設(shè)計(jì)研究

2.1 修復(fù)設(shè)計(jì)原則

武都引水工程取水樞紐是保證灌區(qū)旱澇保收和防洪安全的關(guān)鍵性工程，作為灌區(qū)的生命工程，其運(yùn)行狀況的好壞直接關(guān)系到全灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)和人民生活用水及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。“8·11”洪水對(duì)武都取水樞紐閘室、下游護(hù)坦及海漫、防沖槽和左岸擋墻等造成不同程度的損毀，本修復(fù)設(shè)計(jì)原則為針對(duì)各建筑物損壞部位進(jìn)行修復(fù)并對(duì)其進(jìn)行消能防沖刷保護(hù)，恢復(fù)其建筑物功能，確保各建筑物安全運(yùn)行。同時(shí)通過加固河床，提高河床的抗沖刷能力；通過對(duì)河床的清理平整，更加順應(yīng)地形和河勢(shì)要求，平順?biāo)髁鲬B(tài)，使水流流態(tài)順暢，減少水流紊亂對(duì)工程帶來的不利影響。

2.2 修復(fù)方案

武都引水工程取水樞紐各建筑物修復(fù)方案見表1。

表1 各建筑物修復(fù)方案簡(jiǎn)要表

2.3 修復(fù)設(shè)計(jì)

2.3.1 閘室、護(hù)坦修復(fù)設(shè)計(jì)

（1）修復(fù)材料的選擇。綜合目前國(guó)內(nèi)常用的抗沖磨材料，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，閘室、護(hù)坦選擇以下修復(fù)材料進(jìn)行比選，各修復(fù)材料具體技術(shù)參數(shù)見表2。

根據(jù)表2各修復(fù)材料的物理力學(xué)性能、黏結(jié)性、變形性能、耐久性、耐磨性和施工便利性等方面的綜合比選，本工程閘室底板和護(hù)坦已磨蝕損壞混凝土修復(fù)材料方案采用方案三，即環(huán)氧砂漿或環(huán)氧混凝土方案。環(huán)氧混凝土（砂漿）優(yōu)點(diǎn)為具有較強(qiáng)的耐磨性、抗沖擊性能和抗裂性能，且與基礎(chǔ)混凝土有很高的黏結(jié)強(qiáng)度，目前已廣泛應(yīng)用于水利建筑物混凝土的修復(fù)工程。

表2 各修復(fù)材料技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

（2）修復(fù)設(shè)計(jì)。閘室底板和護(hù)坦混凝土磨損厚度小于3 cm，采用環(huán)氧砂漿修復(fù)至原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面；混凝土磨損厚度大于3 cm，小于10 cm，鋼筋有所裸露但鋼筋磨蝕尚不嚴(yán)重，對(duì)露筋部位進(jìn)行除銹處理，然后采用澆筑環(huán)氧混凝土恢復(fù)至原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面；混凝土磨損厚度大于10 cm，重新按照原設(shè)計(jì)布置鋼筋網(wǎng)，并設(shè)置插筋，然后采用澆筑環(huán)氧混凝土恢復(fù)至原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面。

2.3.2 海漫修復(fù)設(shè)計(jì)

（1）修復(fù)方案選擇。武都水庫(kù)建成后，水庫(kù)將上游大量泥沙攔蓄在庫(kù)內(nèi)，武都水庫(kù)取水樞紐攔河閘長(zhǎng)期處于清水泄流狀態(tài)，對(duì)建筑物混凝土磨蝕損壞得到很大程度的降低，因此針對(duì)海漫修復(fù)方案擬定了消力池方案、斜墻防沖方案和垂直防沖方案3 種方案進(jìn)行比選。

根據(jù)3 種方案的工程布置和擬定的建筑物結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行了投資估算，對(duì)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析后得出：消力池方案工程投資略高，消力池方案優(yōu)點(diǎn)在于河床水流經(jīng)消力池有效消能后，對(duì)兩岸擋墻及下游河床沖刷影響相對(duì)較小，有利于河床河勢(shì)穩(wěn)定，同時(shí)消力池方案施工難度相對(duì)較簡(jiǎn)單，海漫修復(fù)設(shè)計(jì)方案推薦消力池方案。

（2）修復(fù)設(shè)計(jì)。根據(jù)海漫水毀情況，結(jié)合下游河床沖坑位置及高程，為使消力池底板置于原狀砂卵石層，以免基礎(chǔ)砂卵石分層碾壓填筑而影響施工工期，取水樞紐攔河閘下游二級(jí)護(hù)坦以后海漫全部拆除，新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)消力池。消力池順?biāo)鞣较蛉L(zhǎng)60.0 m，垂直水流方向?qū)挒?5～115 m，由平臺(tái)連接段、斜坡連接段和池身段組成，其中平臺(tái)連接段長(zhǎng)5.0 m，平臺(tái)高程567.94 m；斜坡連接段長(zhǎng)12.0 m，斜坡坡比1∶4.0；池身段長(zhǎng)41.0 m，池深3.0 m，底板高程564.94 m，末端為消力坎，坎頂寬2.0 m，坎頂高程567.94 m。消力池底板厚2.0 m，為C35 鋼筋砼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)置于原狀砂卵石層上。消力池末端結(jié)合消力坎設(shè)置C25 鋼筋砼防沖齒墻，齒墻深9.0 m。

2.3.3 下游擋墻修復(fù)設(shè)計(jì)

根據(jù)左岸下游護(hù)岸擋墻水毀情況，結(jié)合分洪道進(jìn)口固化擋墻拆除和疏浚情況，同時(shí)考慮到水流回流淘刷的特點(diǎn)，拆除了原坍塌部分及以后擋墻，采用仰斜式擋土墻進(jìn)行改建，改建后擋墻軸線適當(dāng)外移，使得左岸出流更加平順。拆除分洪道進(jìn)口河床地面以上固化擋墻，改建后擋墻伸入分洪道，擋墻上游與左岸現(xiàn)存的擋墻順接，下游與分洪道左側(cè)岸坡順接，改建擋墻的長(zhǎng)度為236 m。

2.3.4 下游河床修復(fù)設(shè)計(jì)

根據(jù)水下地形物探成果，海漫下游主河床沖刷下切嚴(yán)重，形成15 m 的深坑，對(duì)泄洪水流流態(tài)影響較大，目前海漫末端水流與下游河道水流形成明顯跌落，不能平順連接，從而加劇海漫后河床沖刷，并掏蝕防沖槽和海漫基礎(chǔ)，造成海漫、防沖槽和左岸擋墻等遭受不同程度損毀。

本次修復(fù)針對(duì)消力池下游主河床深坑采用砂和級(jí)配塊碎石分層回填規(guī)整清理，回填分層共計(jì)5 層，每層厚約3.0 m，每層粒徑自下而上逐級(jí)變大，依次為第①層（底層）采用粒徑小于5 cm 砂回填；第②層采用最大粒徑8 cm級(jí)配連續(xù)塊碎石回填；第③層采用最大粒徑30 cm 級(jí)配連續(xù)塊碎石回填；第④層采用最大粒徑50 cm 級(jí)配連續(xù)塊碎石回填；第⑤層（面層）采用粒徑50～80 cm 大塊石（含砼拆除料）進(jìn)行回填護(hù)面，以提高河床的抗沖刷能力；此外，在深坑第三層和第四層回填周邊與原地面接觸層采用第②層回填料（最大粒徑8 cm 級(jí)配連續(xù)塊碎石）回填，厚度不小于3.0 m。河床清理規(guī)整范圍為至下游樁號(hào)0+304 m，上游與消力池末端的格賓石籠頂面銜接，下游采用約1∶50 順坡與天然河床順接。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)武都閘壩水毀成因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并針對(duì)閘壩和護(hù)坦的水毀情況，提出了相應(yīng)的修復(fù)措施和工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果可為類似工程提供參考。