武都闸坝水毁成因分析及修复方案研究
宋来春，李 桢
（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000；
2.四川水利职业技术学院，成都 610000）
由于闸坝施工质量或者超标洪水的作用，经常会发生水毁现象，严重影响工程的运行安全。王俊等[1]通过理论计算分析海漫段水毁的主要原因，提出整治方案，利用FLUENT 软件对漫水湾闸坝下游海漫段整治前后的闸坝泄流进行三维流场数值模拟，分别得到校核工况下闸坝下游整治前后的泄流流态和压力场等模拟结果。杨万志等[2]通过典型工程的现场勘测和调查，科学地划分了水毁形式及程度，系统地分析了水毁的成因，提出了比较完整的修复修补措施。张元[3]结合了实际的案例研究了水库除险加固及引水工程取水拦河坝水毁修复改造设计方案。蒋建新[4]通过新罗区小型拦河坝水毁工程原因分析和修复经历，介绍了山区小型拦河坝水毁段工程修复设计要点与改造经验。
武都取水枢纽位于四川省江油市武都镇涪江干流灯笼桥处，是武都引水工程一期中重要的组成部分，其控制集雨面积5 814 km2，正常蓄水位572.50 m。取水枢纽坝轴线总长123 m，由左岸进水闸、冲砂闸、泄洪闸、右岸进水闸和右岸非溢流坝段（储门槽）等组成。
1.1 水毁情况
8月11日10 时—8月16日19 时武都水库下泄流量由1 950 m3/s 逐渐加大到3 755 m3/s，8月16日19 时—8月17日24 时，武都水库下泄流量达到4 797 m3/s。8月17日上午6 时，值班人员报告取水枢纽冲砂闸下游左岸挡墙顶部沉陷，发现挡墙背厢出现垮塌，于当日晚21 时开始组织机械对沉陷部位采用泥夹石进行回填，当晚24时，武都水库开始加大出库下泄流量，武都水库下泄洪水流量为5 300 m3/s，次日13 时挡墙垮塌60 余m。为防止受损面积进一步扩大，8月18日13 时武都水库开始削减出库下泄洪水流量至3 500 m3/s。
“8·11”洪水过后，经放水检查发现：取水枢纽1#、2#冲砂闸下游海漫末端（含防冲槽）顺水流方向长25 m、宽40 m 损毁，3#—7#泄洪闸下游海漫末端防冲槽塌陷，末端海漫局部脱空；
5#泄洪闸下游二级护坦（长7 m、宽1.5 m）、7#闸室底板（长4 m、宽10 m）、7#泄洪闸下游二级护坦（长3 m、宽1 m）、4#—7#泄洪闸下游海漫和防冲槽等上述部分混凝土面层冲刷严重，骨料裸露、部分钢筋外露；
取水枢纽下游左岸混凝土挡土墙沉陷坍塌长度约60 m，且坍塌段前后各约10 m 墙后填筑砂卵石塌陷脱空。
1.2 成因分析
根据取水枢纽拦河闸“8.11”水毁情况，结合现场实地检查和了解，闸室底板、护坦和海漫部分混凝土面层所形成的冲蚀损坏，其主要原因是工程运行期间长期受水流冲刷及推移质磨蚀所致；
海漫末端防冲槽和左岸护岸局部挡墙所形成的水毁，其主要原因分析如下。
1.2.1 洪水流量大、持续时间长
2020年8月11日至24日，受持续强降雨影响，涪江上游发生特大洪水，8月11日10 时—8月16日19 时武都水库下泄流量由1 950 m3/s 逐渐加大到3 755 m3/s；
8月16日19 时—8月17日24 时，武都水库下泄流量达到4 797 m3/s，持续时间长达29 h；
8月18日0 时，武都水库加大出库下泄流量，下泄流量达到5 300 m3/s，18日13时武都水库开始削减出库下泄洪水流量至3 500 m3/s，武都水库出库下泄流量5 300 m3/s 持续时间长达12 h。
根据GB 50201—2014《防洪标准》和SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》相关规定，本工程取水枢纽拦河闸消能防冲洪水标准为50年一遇，相应洪水流量为4 000 m3/s。武都水库出库下泄流量4 797 m3/s持续时间长达29 h，下泄流量5 300 m3/s，持续时间长达12 h，洪水流量大、持续时间长是取水枢纽闸室、下游护坦及海漫、防冲槽和左岸挡墙等遭受不同程度损毁的主要原因之一。
某地铁盾构隧道在运营期出现管片衬砌几何形态异常以及变形较大等问题，相关部门针对上述问题对管片衬砌变形较大的区域进行了专项病害整治，获得了该盾构隧道在管片收敛整治过程中的变形特性。
1.2.2 下游河床降低
根据现场实地检查发现，取水枢纽拦河闸下游河床明显降低。根据实测下游河道大断面，经拦河闸下游水位流量关系曲线复核计算可知：设计洪水流量6 060 m3/s时，下游洪水位为574.86 m，较原设计洪水位576.67 m 降低了1.81 m；
校核洪水流量7 660 m3/s 时，下游洪水位为574.86 m，较原校核洪水位577.90 m 降低了3.04 m。
取水枢纽拦河闸下游河床降低，改变了原河道水流条件和增加了上下游水位差，致使海漫末端水流与下游河道水流形成明显跌落，不能平顺连接，造成海漫后河床冲刷严重，并掏蚀防冲槽和海漫基础，这是导致海漫、防冲槽和左岸挡墙等遭受不同程度损毁的主要原因之一。
1.2.3 下游分洪道影响
取水枢纽下游左岸凹岸原为天然的分洪道，现分洪道入口修建了混凝土挡墙，取水枢纽1#、2#冲砂闸下游海漫末端距分洪道挡墙最近距离约120 m，挡墙顶部高程为571.6 m 左右，较主河床高5～6 m，导致中小流量的洪水经挡墙折向后在左岸回旋对左岸挡墙基础进行掏刷；
也改变了原河道水流条件，造成河道水流紊乱，从而加剧了冲砂闸后海漫及左侧挡墙基础掏刷、结构破坏。
1.2.4 武都水库影响
武都水库建成后，对下游武都取水枢纽和河道均产生了一定的影响，初步分析如下：①防洪是武都水库的主要功能之一，洪水调节后，下泄的中等流量持续时间增长，改变了原河道天然洪水过程。②武都水库建成后，水库将拦蓄大量泥沙，下游河道长期处于清水冲刷状态，从而打破了原河道冲淤平衡，是造成取水枢纽拦河闸下游河床下切的原因之一。③本取水枢纽拦河闸距武都水库较近，仅位于武都水库下游约1.3 km 处，武都水库泄洪时其洪水势能对取水枢纽拦河闸上游水流流速产生一定的影响。根据上游实测资料，取水枢纽闸门全开在相同下泄流量的情况下，上游水位武都水库建成后较建成前低0.5～0.8 m，说明武都水库建成后取水枢纽上游水流流速及水能有所加大，对取水枢纽护坦、海漫及下游河床冲刷产生一定影响。
2.1 修复设计原则
武都引水工程取水枢纽是保证灌区旱涝保收和防洪安全的关键性工程，作为灌区的生命工程，其运行状况的好坏直接关系到全灌区的工农业和人民生活用水及经济发展。“8·11”洪水对武都取水枢纽闸室、下游护坦及海漫、防冲槽和左岸挡墙等造成不同程度的损毁，本修复设计原则为针对各建筑物损坏部位进行修复并对其进行消能防冲刷保护，恢复其建筑物功能，确保各建筑物安全运行。同时通过加固河床，提高河床的抗冲刷能力；
通过对河床的清理平整，更加顺应地形和河势要求，平顺水流流态，使水流流态顺畅，减少水流紊乱对工程带来的不利影响。
2.2 修复方案
武都引水工程取水枢纽各建筑物修复方案见表1。
表1 各建筑物修复方案简要表
2.3 修复设计
2.3.1 闸室、护坦修复设计
（1）修复材料的选择。综合目前国内常用的抗冲磨材料，参考类似工程经验，闸室、护坦选择以下修复材料进行比选，各修复材料具体技术参数见表2。
根据表2各修复材料的物理力学性能、黏结性、变形性能、耐久性、耐磨性和施工便利性等方面的综合比选，本工程闸室底板和护坦已磨蚀损坏混凝土修复材料方案采用方案三，即环氧砂浆或环氧混凝土方案。环氧混凝土（砂浆）优点为具有较强的耐磨性、抗冲击性能和抗裂性能，且与基础混凝土有很高的黏结强度，目前已广泛应用于水利建筑物混凝土的修复工程。
表2 各修复材料技术参数对比表
（2）修复设计。闸室底板和护坦混凝土磨损厚度小于3 cm，采用环氧砂浆修复至原设计结构面；
混凝土磨损厚度大于3 cm，小于10 cm，钢筋有所裸露但钢筋磨蚀尚不严重，对露筋部位进行除锈处理，然后采用浇筑环氧混凝土恢复至原设计结构面；
混凝土磨损厚度大于10 cm，重新按照原设计布置钢筋网，并设置插筋，然后采用浇筑环氧混凝土恢复至原设计结构面。
2.3.2 海漫修复设计
（1）修复方案选择。武都水库建成后，水库将上游大量泥沙拦蓄在库内，武都水库取水枢纽拦河闸长期处于清水泄流状态，对建筑物混凝土磨蚀损坏得到很大程度的降低，因此针对海漫修复方案拟定了消力池方案、斜墙防冲方案和垂直防冲方案3 种方案进行比选。
根据3 种方案的工程布置和拟定的建筑物结构尺寸，进行了投资估算，对主要技术经济指标及优缺点进行对比分析后得出：消力池方案工程投资略高，消力池方案优点在于河床水流经消力池有效消能后，对两岸挡墙及下游河床冲刷影响相对较小，有利于河床河势稳定，同时消力池方案施工难度相对较简单，海漫修复设计方案推荐消力池方案。
（2）修复设计。根据海漫水毁情况，结合下游河床冲坑位置及高程，为使消力池底板置于原状砂卵石层，以免基础砂卵石分层碾压填筑而影响施工工期，取水枢纽拦河闸下游二级护坦以后海漫全部拆除，新建钢筋混凝土结构消力池。消力池顺水流方向全长60.0 m，垂直水流方向宽为95～115 m，由平台连接段、斜坡连接段和池身段组成，其中平台连接段长5.0 m，平台高程567.94 m；
斜坡连接段长12.0 m，斜坡坡比1∶4.0；
池身段长41.0 m，池深3.0 m，底板高程564.94 m，末端为消力坎，坎顶宽2.0 m，坎顶高程567.94 m。消力池底板厚2.0 m，为C35 钢筋砼结构，基础置于原状砂卵石层上。消力池末端结合消力坎设置C25 钢筋砼防冲齿墙，齿墙深9.0 m。
2.3.3 下游挡墙修复设计
根据左岸下游护岸挡墙水毁情况，结合分洪道进口固化挡墙拆除和疏浚情况，同时考虑到水流回流淘刷的特点，拆除了原坍塌部分及以后挡墙，采用仰斜式挡土墙进行改建，改建后挡墙轴线适当外移，使得左岸出流更加平顺。拆除分洪道进口河床地面以上固化挡墙，改建后挡墙伸入分洪道，挡墙上游与左岸现存的挡墙顺接，下游与分洪道左侧岸坡顺接，改建挡墙的长度为236 m。
2.3.4 下游河床修复设计
根据水下地形物探成果，海漫下游主河床冲刷下切严重，形成15 m 的深坑，对泄洪水流流态影响较大，目前海漫末端水流与下游河道水流形成明显跌落，不能平顺连接，从而加剧海漫后河床冲刷，并掏蚀防冲槽和海漫基础，造成海漫、防冲槽和左岸挡墙等遭受不同程度损毁。
本次修复针对消力池下游主河床深坑采用砂和级配块碎石分层回填规整清理，回填分层共计5 层，每层厚约3.0 m，每层粒径自下而上逐级变大，依次为第①层（底层）采用粒径小于5 cm 砂回填；
第②层采用最大粒径8 cm级配连续块碎石回填；
第③层采用最大粒径30 cm 级配连续块碎石回填；
第④层采用最大粒径50 cm 级配连续块碎石回填；
第⑤层（面层）采用粒径50～80 cm 大块石（含砼拆除料）进行回填护面，以提高河床的抗冲刷能力；
此外，在深坑第三层和第四层回填周边与原地面接触层采用第②层回填料（最大粒径8 cm 级配连续块碎石）回填，厚度不小于3.0 m。河床清理规整范围为至下游桩号0+304 m，上游与消力池末端的格宾石笼顶面衔接，下游采用约1∶50 顺坡与天然河床顺接。
本文对武都闸坝水毁成因进行了详细的分析，并针对闸坝和护坦的水毁情况，提出了相应的修复措施和工程设计，设计成果可为类似工程提供参考。
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