提高闸坝消能防冲性能方法的探讨

 　摘要：消能防冲是保证建筑物稳定运行的重要前提，文章阐述了泄水闸、冲沙闸、溢流坝、溢洪道、底孔及泄洪洞等出口及下游的消能防冲设施受破坏的原因和改善措施。 

　　关键词：闸坝消能防冲设施；破坏原因；改善措施  

　　　1、消能防冲设施破坏的原因 　 

　　1.1　设计方面 

　　(1)地质勘探实验资料不足，设计上未能发现存在地质问题，因而出现基础不均匀沉陷，或扬压力过高而引进消能工倾斜、倒塌等破坏现象。 

　　(2)坝址选择或枢纽布置不合理，如坝址选择在接近河湾的末端，或泄洪洞的出口正对河岸。前者会产生偏向水流或回流，淘刷护岸及消能工；后者会引起对岸岸坡破坏。也有由于上游河床变化，引起某些闸孔单宽流量变化，致使消能防冲设施遭受冲刷破坏。 

　　(3)未进行水工模型试验或试验资料不足，使设计的消能防冲设施不够合理，水流边界条件及流态不好，使消能防冲设施产生气蚀、磨蚀、振动及基础淘刷等现象，进而引起下游河床的冲淤变化及下游水位的变化，使消能防冲设施不能适应变化的情况而遭受损坏。 

　　(4)软基上的铺盖长度、厚度不够，截渗墙的深度不足或位置不当，以及排水设施效果不好等，使地基发生渗透变形，引起底板沉陷、开裂。甚至消能工破坏。 

　　1.2　施工方面 

　　(1)未按设计要求进行施工，如任意抬高消能工的基础或减少结构尺寸，使水流流态及应力状况发生了变化。当按原设计条件运用时，就会引起消能工破坏。 

　　(2)施工所用材料质量不符合要求，或施工管理不严，造成混凝土质量差、强度低，出现各种裂缝或混凝土与基岩粘结不好等缺陷，致使在泄洪时发生破坏。 

　　(3)竣工前，对各过水部分没有进行表面修整及清理工作(如割除施工用钢筋埋件及清除消力池内的石块等杂物)，在泄洪时容易造成气蚀及磨蚀等现象。 　 

　　2、消能防冲设施的改善措施 　 

　　2.1　岩基的防冲、防淘 

　　(1)当冲刷、淘刷的主要原因是由于下游水深不够，水跃不能发生在消力池内或护坦上时，可以在护坦末端设置一道鼻坎，将水流挑至远处河床(但要防止挑流冲刷影响结构物及岸坡的稳定)。也有采取在护坦下游建造辅助小坝抬高尾水，或增设消力墩等办法处理。 

　　(2)面流消能工坎脚下游河床未作护坦，在不均匀泄水产生的横向水流冲击下引起冲刷、淘刷时，可以在坎脚下游设置与坎台同高的顺流潜水墩，截断横向水流，并对已经破坏的河床基岩采取混凝土封闭处理的措施，以增强消能工的稳定。 

　　(3)挑流消能工如果因下游水垫不足，引起冲刷，危及结构物安全时，除对结构物采取防护措施外，可在下游修建壅水坝以形成必要的水垫，防止发生过大的冲刷。 

　　(4)当挑流消能工挑距不够，因而影响结构物的稳定时，可在溢流面设置隔墙，使少数闸孔开启时水不致因沿坝面扩散，造成出坎单宽流量减小而抛射不远现象，隔墙可自闸墩延伸至挑坎，每孔或每二孔设一道。 

　　(5)如因河床基岩本身节理裂隙发育而抗冲能力不够时，则可根据具体情况，分别采用设置钢筋混凝土防护层或对被水平节理节切割的巨块岩石采用锚筋锚固，并用水泥砂浆嵌缝的措施，以提高抗冲能力。 

　　2.2　软基的防冲、防淘 

　　(1)增设消力池和尾槛由于护坦布置太高或者下游河床过低，使下游水深不能保证下泄水流在护坦上形成水跃，河床受到较大流速冲刷不断下降。使尾水位越来越低，因而破坏海漫时，可在护坦上加浇一层钢筋混凝土防护层，并增设消力池和尾槛，以使水跃发生在护坦上，防止下游海漫和河床的冲刷。 

　　(2)综合改善措施软基的冲、淘破坏，有时是由多种因素所造成，则须采取多种措施改善之。例如当采用面流消能的溢流坝由于护坦布置过高，下游水深小于跃后水深，因此泄洪时经过坎台的水流形成远驱式水跃，而河床的另一侧因布置有电站却产生淹没水跃，这两种流态便在电站一侧产生大片回流；同时过坝水流受电站尾水影响不能横向扩散，造成主流集中，形成单宽流量过大的折冲水流，从而引起海漫冲毁、护坦底下淘空等破坏情况时，首先应增建或延长导水墙，使泄洪与电站尾水分流，然后采用在护坦上加尾槛或将连续式坎台改成差动式坎台的措施，以减弱回流和冲刷；或在护坦末端下设置用冲击钻钻孔建造的连续式钢筋混凝土防冲齿墙，以防止护坦基础淘空而引起护坦沉陷、断裂。 

　　2.3　岸坡的防冲、防淘 

　　(1)增做或延长导水墙，以改善水流扩散情况，减少回流。 

　　(2)修建淘流坝或潜水墩，避免主流冲刷或回流淘刷。 

　　(3)增做或延长混凝土或砌石护岸，以提高岸坡的抗冲能力。 

　　(4)采用三向曲线型的尾部挑坎，使岸侧挑流水舌能沿规定方向抛射，避免冲击对岸岸坡。 

　　(5)导水墙及护岸应建在岩基上，如为软基，则必须设防淘齿墙或采取其它护脚措施，如先抛石笼垫底后抛混凝土四面体护脚、现浇混凝土护脚、以钢筋混凝土预制板做围堰的预填骨料压浆混凝土护脚等。齿墙及护脚都应保证足够的埋藏深度。 

　　2.4　气蚀、磨蚀的预防 

　　气蚀与磨蚀常发生在挑坎、护坦、齿墩与尾槛等部位，除对损坏部分要及时修理外，还应消除气蚀、磨蚀发生的条件。可通过水工模型验定出合适的形状、尺寸，或考虑如下的改善措施。 

　　改善结构布置。如将消力坎等做成流线型，削去棱角；或将矩形差动坎改为梯形差动坎；或将消力池的尾槛由台阶形改成斜面梳齿形，并尽可能不设消力墩，这样即使有砂石等杂物带入消力池，也会被水流冲掉，不致积存在池内引起磨蚀。 

　　2.5　护坦稳定的加固 

　　2.5.1　改善排水系统： 

　　(1)连接横向水管的纵向管道有堵塞时，应考虑增加其数量，并适当加大孔径。 

　　(2)在地下水较高的部位设集水槽，填滤料，埋排水管，将地下水排出。 

　　(3)在未设止水的横缝下游打一排表面排水孔，以排除横缝的动水压力。孔深打人岩基约0.5m，孔距一般2m，孔身方向可斜向下游45°，孔内填入滤料，在使用这种办法时，应注意水流对孔口的冲刷及引起气蚀破坏。 

　　(4)增设排水孔，要深达基岩以下，以减少护坦底板浮托力。排水孔一般设在近下游坝址的束水区，布置成两排。孔身宜倾斜向下游<如有的孔身与铅直线成30°交角)，当高速水流在孔口形成部分低压时，能加速排水孔向外排水，底板下渗透水的浮托力会进一步减少。 

　　2.5.2　改善防渗、止水设施 

　　(1)延长、加厚或增加帷幕灌浆。帷幕的布置可根据基础的地质条件设在闸、坝首，或在闸、坝首与护坦末端同时设置。 

　　(2)有条件的，可加深或增做截水墙，以延长渗径，减少渗透压力。 

　　(3)延长、加厚上游铺盖，或重新翻修提高铺盖质量，增强防渗效果。 

　　(4)在混凝土底板之间的分缝处加设止水(如设塑料止水片或其它止水措施)，以减少由于浮托力和动水压力引起的底板损坏。 

　　2.5.3　提高护坦本身的抗冲、抗扬压力的能力； 

　　(1)在护坦底板上加做钢筋混凝土防护层，新浇防护层与老底板之间要用捕筋连接，以利结合，共同作用。 

　　(2)用足够厚的混凝土底板代替原有的浆砌块石或混凝土预制块底板，以增加稳定性；或增加底板的厚度，并在新老混凝土交接处用插筋连接。 

　　2.5.4　加强护坦底板与基础的连接： 

　　(1)在护坦底板与基础接触面做固结灌浆。灌浆材料根据基础是岩基或软基分别选用水泥或粘土水泥。灌浆压力的选用，应以灌浆时不破坏底板为原则。 

　　(2)用锚筋插入基岩，提高护坦在扬压力作用下的稳定性。锚筋的数量及锚筋长度应通过计算或试验确定，一般锚筋锚入基岩深度为23m，常用直径1625mm的钢筋。有时也可用设有螺帽垫片的锚杆代替锚筋，但需要用机钻开孔。锚固后用环氧砂浆将孔口的封堵抹平。