新疆某水電站攔河閘下游護(hù)坦修復(fù)方案設(shè)計(jì)綜述

李 梅，禹作利

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津市水利工程公司，天津 300222)

1 工程概況

新疆某水電站由攔河閘、引水渠道、隧洞、壓力前池、壓力鋼管、廠房、泄水槽及尾水渠等主要建筑物組成。攔河閘由擋水壩、引水閘和泄洪沖沙閘組成。河槽部位布置水閘，兩岸灘地為砂礫石壩。泄水建筑物布置在主河床段，由左至右依次為4孔(4#-7#)泄洪沖沙閘(左側(cè)兩孔布置沖沙廊道，右側(cè)兩孔為開(kāi)敞式并設(shè)溢流板排漂、排冰)和8孔(8#-15#)泄洪閘。正常蓄水位為1933.5m，設(shè)計(jì)洪水位1933.50m，校核洪水位為1935.08m。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為1960m3/s，校核洪水洪峰流量為2950m3/s。

閘室下游護(hù)坦根據(jù)原河床地形分為深淺護(hù)坦兩部分。4#-8#孔下游，為深護(hù)坦形式；9#-15#孔下游為淺護(hù)坦形式。深護(hù)坦和淺護(hù)坦均采用1m厚C20F300W6混凝土。

2 破壞情況及原因

根據(jù)攔河閘實(shí)際運(yùn)行情況，6#-8#閘護(hù)坦破壞比較嚴(yán)重，13#閘護(hù)坦有輕微破壞，其他閘孔護(hù)坦基本無(wú)破壞。

由于該水電站總體布置方案基本采用了壩+泄洪排沙閘+電站引水閘的布置，且將首部工程全部布置在河道中，人為加大過(guò)閘的單寬流量，提高了過(guò)閘夾砂水流的勢(shì)能，造成攔河閘下游防沖系統(tǒng)沖掏破壞的問(wèn)題。

3 護(hù)坦修復(fù)設(shè)計(jì)原則

該水電站攔河閘下游護(hù)坦修復(fù)方案的基本原則：保持原狀，加強(qiáng)觀測(cè)，減少維修，防止隱患。根據(jù)以上原則進(jìn)行該水電站工程修復(fù)方案設(shè)計(jì)。

4 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)方案

4.1 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)方案初擬

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，參考了一些已建類(lèi)似工程所做的修復(fù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，列出了以下4種修復(fù)設(shè)計(jì)方案：

1)普通混凝土+表層貼輝綠巖鑄石板

輝綠巖鑄石板具有結(jié)構(gòu)緊密，吸水率小，抗壓強(qiáng)度高，耐磨性能好的特點(diǎn)，屬于脆性材料，硬度較高。三門(mén)峽水利樞紐工程曾于1971-1973年用輝綠巖鑄石板作為抗沖耐磨材料對(duì)排沙底孔進(jìn)行了全面襯砌。施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理，清除基面上松動(dòng)顆粒，使表面外露新鮮骨料，后用高壓水清除表面沙粒、粉塵，澆筑C2825F300W6一級(jí)配混凝土，再涂抹3cm厚M30砂漿找平，最后將6cm厚的輝綠巖鑄石板(50cm×50cm)黏結(jié)到表面。

2)普通混凝土+表層固定鋼軌

鋼軌有良好的抗沖擊和抗磨損能力。協(xié)合拉引水樞紐工程曾在護(hù)坦部位采用了鋼軌護(hù)面作為抗磨材料，證明其抗磨效果好。施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理，為使新舊混凝土能很好的結(jié)合，在混凝土表面設(shè)置φ20插筋，間、排距1m，鋼筋埋入一期混凝土內(nèi)的長(zhǎng)度為80cm，露出一期混凝土的長(zhǎng)度為15cm，清除基面上松動(dòng)顆粒，使表面外露新鮮骨料，后用高壓水清除表面沙粒、粉塵，后澆筑C2825F300W6二級(jí)配混凝土至原設(shè)計(jì)高程，將鋼軌(43kg/m)固定，鋼軌并排排列，不留空隙。

3)普通混凝土+廢舊輪胎護(hù)面

輪胎具有高彈性和良好的耐磨性能，是柔性材料，對(duì)沖砸的卵石既有緩沖作用，又可大大緩和卵石的沖擊力，且廢舊輪胎材料易得又經(jīng)濟(jì)，是理想的防護(hù)材料和防沖抗磨材料。新疆協(xié)合拉引水樞紐工程在護(hù)坦部位采用了廢舊輪胎作為抗沖磨材料，運(yùn)行結(jié)果證明此方案具備經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠，施工簡(jiǎn)便，維修成本低等優(yōu)點(diǎn)。其施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理，為使新舊混凝土能很好的結(jié)合，在混凝土表面設(shè)置φ20插筋，間、排距1m，鋼筋埋入一期混凝土內(nèi)的長(zhǎng)度為80cm，露出一期混凝土的長(zhǎng)度為15cm，清除基面上松動(dòng)顆粒，使表面外露新鮮骨料，后用高壓水清除表面沙粒、粉塵，后澆筑C2825F300W6二級(jí)配混凝土至原設(shè)計(jì)高程并找平，然后按設(shè)計(jì)位置鉆孔，鉆孔深度為280mm，間距200mm，錨栓用環(huán)氧樹(shù)脂固結(jié)，再鋪設(shè)輪胎(750 mm×200mm)，固定輪胎用錨栓(錨栓直徑d=16mm，長(zhǎng)度L=300mm)加50×50mm2、厚5mm的平墊片和彈簧墊片，然后放雙螺帽擰緊即可，螺栓露出不易超過(guò)2扣，以免頂壞上面覆蓋的輪胎。安裝輪胎時(shí)要一排一排，從低處向高處逐排安裝。

4)高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土

高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土具有施工工藝非常簡(jiǎn)單，易于大面積施工，施工進(jìn)度快，而且經(jīng)濟(jì)，易于再次修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)混凝土破壞面積較大時(shí)，可考慮此修復(fù)設(shè)計(jì)方案。其施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理，清除表面的泥漿和松動(dòng)顆粒等，使表面外露新鮮骨料，后用高壓水或高壓風(fēng)清除表面沙粒、粉塵。再對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理，如鋼筋面積明顯減小或被沖斷，應(yīng)補(bǔ)焊同直徑的鋼筋(即φ16鋼筋，鋼筋單邊焊接長(zhǎng)度≥20cm)。然后在處理面布置φ20插筋，間、排距1m，插筋伸入混凝土內(nèi)的長(zhǎng)度≥80cm，插筋與原護(hù)坦鋼筋網(wǎng)焊接(鋼筋單邊焊接長(zhǎng)度≥20cm)。最后在處理面涂抹界面膠，澆注C45抗沖磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纖維網(wǎng)，并具有抗凍防滲性能)至設(shè)計(jì)高程。

4.2 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)方案比選

1)普通混凝土+表層貼輝綠巖鑄石板方案：

輝綠巖鑄石板本身硬度很高，但其質(zhì)地較脆，沖擊韌性較差，易被大塊推移質(zhì)砸破。且鑄石板的砌筑難以機(jī)械化施工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，另外板間接縫是一個(gè)薄弱部位，黏接工藝要求較高，質(zhì)量不易保證，一旦局部施工質(zhì)量控制不好，容易發(fā)生逐塊掀掉，甚至發(fā)展至成片破壞。使用壽命一般為1-3年。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦，其費(fèi)用約為7.38萬(wàn)元。

2)普通混凝土+表層固定鋼軌方案：

表層固定鋼軌，此方案一次性投入較高，需要使用大量鋼材，施工難度大。但使用壽命較長(zhǎng)。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦，其費(fèi)用約為54.82萬(wàn)元。

3)普通混凝土+廢舊輪胎護(hù)面方案：

廢舊輪胎，廢舊輪胎錨固相當(dāng)重要，要求較為嚴(yán)格，亦存在被水沖走、輪胎磨損和輪胎老化問(wèn)題，每個(gè)汛期須及時(shí)檢查，并對(duì)沖走的空隙進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)協(xié)合拉引水樞紐工程的使用情況來(lái)看，輪胎防沖抗磨使用壽命在5年以上。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦，其費(fèi)用約為12.34萬(wàn)元。

4)高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案：

高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土，在多泥沙河流上的水利工程中應(yīng)用較多?？梢赃M(jìn)行大面積機(jī)械化施工，施工工藝成熟，施工速度較快。從類(lèi)似已建工程如三門(mén)峽水利樞紐工程、小浪底水利樞紐工程和萬(wàn)家寨水利樞紐工程等運(yùn)行情況來(lái)看，其抗沖磨效果較好，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦，其費(fèi)用約為1.88萬(wàn)元。

通過(guò)以上分析可知，上述4種方案技術(shù)上均可行，但表層固定鋼軌、廢舊輪胎護(hù)面和輝綠巖鑄石板三種方案的施工工藝均復(fù)雜，難以機(jī)械化施工，施工進(jìn)度較慢；高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案施工工藝成熟，對(duì)于成片破壞的護(hù)坦，可以進(jìn)行機(jī)械化施工，施工進(jìn)度較快。從經(jīng)濟(jì)分析來(lái)看，表層固定鋼軌造價(jià)最高，廢舊輪胎護(hù)面方案次之，輝綠巖鑄石板方案造價(jià)較低，高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案造價(jià)最低。綜合分析，對(duì)于下游護(hù)坦推薦使用高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案進(jìn)行修復(fù)。

4.3 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)

1)對(duì)于4#-8。#閘室下游護(hù)坦，先對(duì)樁號(hào)下0+002.50(6#-7#后移)-下0+012.50護(hù)坦鑿除約20cm，樁號(hào)下0+012.50-下0+018.00進(jìn)行鑿毛處理，清除表面的泥漿和松動(dòng)顆粒等，使表面外露新鮮骨料，后用高壓水或高壓風(fēng)清除表面沙粒、粉塵。再對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理，如鋼筋面積明顯減小或被沖斷，應(yīng)補(bǔ)焊同直徑的鋼筋(即φ16鋼筋，鋼筋單邊焊接長(zhǎng)度≥20cm)。然后在處理面布置φ20插筋，間、排距1m，插筋伸入混凝土內(nèi)的長(zhǎng)度≥80cm，插筋與原護(hù)坦鋼筋網(wǎng)焊接(鋼筋單邊焊接長(zhǎng)度≥20cm)。最后在處理面涂抹界面膠，澆注C45抗沖磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纖維網(wǎng)，并具有抗凍防滲性能)至設(shè)計(jì)高程(樁號(hào)下0+018.00高程增加10cm)，使護(hù)坦坡度變?yōu)?:7.1。

對(duì)于9#-15#閘室下游護(hù)坦，先對(duì)樁號(hào)下0+002.50-下0+012.50護(hù)坦鑿除約20cm，清除表面的泥漿和松動(dòng)顆粒等，使表面外露新鮮骨料，后用高壓水或高壓風(fēng)清除表面沙粒、粉塵。再對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理，如鋼筋面積明顯減小或被沖斷，應(yīng)補(bǔ)焊同直徑的鋼筋(即φ16鋼筋，鋼筋單邊焊接長(zhǎng)度≥20cm)。然后在處理面布置φ20插筋，間、排距1m，插筋伸入混凝土內(nèi)的長(zhǎng)度≥80cm，插筋與原護(hù)坦鋼筋網(wǎng)焊接(鋼筋單邊焊接長(zhǎng)度≥20cm)。最后在處理面涂抹界面膠，澆注C45抗沖磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纖維網(wǎng)，并具有抗凍防滲性能)至原設(shè)計(jì)高程。

5 底流式消能防沖的水力計(jì)算

5.1 水力計(jì)算有關(guān)理論

在設(shè)計(jì)底流式消能工以前，必須判別水流銜接狀態(tài)，即水躍的有關(guān)計(jì)算。

1)收縮水深hc：

收縮水深hc的基本計(jì)算公式：

(1)

式中：E0為以下游河床為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭；q為收縮斷面處的單寬流量；g為重力加速度；φ為流速系數(shù)，對(duì)于低曲線型實(shí)用堰溢流，一般取0.90-0.95[1]。

根據(jù)所采用的消能工形式，應(yīng)用相應(yīng)的水躍共軛水深計(jì)算公式。當(dāng)采用矩形平底消能工時(shí)，則

(2)

3)消能池深S的計(jì)算

對(duì)于矩形斷面平底消能池，其池深S計(jì)算公式為：

(3)

式中：σ為安全系數(shù)，可取1.05-1.10；Δz為消能池出口水面落差，由下式計(jì)算

(4)

式中：b為消能池寬度；φ′為消能池出流的流速系數(shù)，一般取0.95[1]。

4)消能池長(zhǎng)度Lk的計(jì)算

Lk=(0.7-0.8)Lj

(5)

式中：Lj為自由水躍的躍長(zhǎng)，按下式計(jì)算：

(6)

5.2 消能池計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 消能池的計(jì)算結(jié)果表

本次修復(fù)設(shè)計(jì)的消能池滿足要求。

6 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇

水流中沖磨介質(zhì)以懸移質(zhì)為主的工程，可根據(jù)最大流速和多年平均含沙量按下表選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)，并進(jìn)行抗沖磨強(qiáng)度優(yōu)選試驗(yàn)[2]。

表2 抗懸移質(zhì)磨蝕混凝土的強(qiáng)度等級(jí)

注1：排沙建筑物均應(yīng)按含沙量>2kg/m3選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

注2：當(dāng)過(guò)流中推移質(zhì)含量>2kg/m3時(shí)，宜選用較表中提高1-2個(gè)等級(jí)的混凝土(以5MPa為1個(gè)等級(jí))。

注3：如建筑物投入運(yùn)行前齡期>90d，可用90d強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)等級(jí)強(qiáng)度。

注4：如σ和流速不一致時(shí)，按等級(jí)偏高一級(jí)確定。

經(jīng)計(jì)算可知，護(hù)坦處最大流速<15m/s，水流空化數(shù)>1.5，且含沙量>2kg/m3，故偏安全考慮，護(hù)坦處選擇強(qiáng)度等級(jí)為C45的混凝土。

7 結(jié) 語(yǔ)

攔河閘樞紐的運(yùn)行安全及使用壽命與調(diào)度運(yùn)行密切相關(guān)，為保證攔河閘安全運(yùn)行，盡量延長(zhǎng)各建筑物的使用壽命，特別是閘底板及上游鋪蓋、下游護(hù)坦防沖耐磨的使用年限，該水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度必須嚴(yán)格按照水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度、水庫(kù)防洪調(diào)度和泥沙沖淤運(yùn)行原則進(jìn)行。