第三节　闸坝工程的水力破坏及其实例

§3.Hydraulic destruction of sluice-dams and practical examples

作为水工建筑物主要类型的闸坝工程，其破坏或失事主要来源于水。从我国1981年统计241座大型水库1000宗事故来看，地下水渗流问题占30%～40%（因土坝多），属于地表水泄流问题的占19%（冲刷占11.2%，空蚀占3%，闸门失控4.8%）。如果只统计分析闸坝泄流工程而不计土坝，则地表水问题必将升级。据海河流域大中型水闸发生事故70余次的分析[6]，运用控制不当的占50%，其他是养护和观测方面的事故。当然也不应排除设计施工遗留下来的问题。总之闸坝工程由于设计施工或运用管理的不当，在水位高和泄洪流量大的不良水力条件下会遭到冲刷破坏，对于透水地基上的闸坝，还会遭到渗流冲蚀破坏。

闸坝泄流冲刷破坏的部位，首先是护坦下游不加防护的河床被冲刷成坑，当冲坑太近太深时将危及建筑物和侧岸的安全。至于建筑物本身，则容易在受冲击力最大的消能工[如图1-1（a）中的消力墩、槛、齿等处]发生破坏或空蚀；对于消力池的水跃消能，由于泄流时水跃首部在斜坡上的波动冲击以及地下水的扬压力作用，池底前坡面常是破坏的薄弱环节，如图1-1（a）和图1-1（b）所示；无论是平原水闸还是山区岩基上的高坝溢洪道，都将容易在这些类似的部位发生破坏。除直接冲刷破坏外，还会由于高蓄水位的水推力大，造成坝的变形，使坝底前沿脱开岩基发生漏水，增大坝底扬压力，如图1-1（c）所示。若射流直接进入河床，如图1-1（d）所示的挑流或自由跌流情况，岩基河床也将被冲成深坑，距鼻坎太近也属不利。

下面将举一些国内外有关闸、坝、溢洪道及闸门等的典型破坏实例并加以分析，这些将会在设计施工和运行管理维修等方面起到好的参考作用。

一、水闸的破坏实例

印度的灌溉工程发展较好，在19世纪末和20世纪初建造了不少堰闸，但有些遭到了破坏。如Khanki堰1895年失事，Narora堰1985年失事，Islam堰和Deoha闸1929年失事。这些失败的教训促进了设计方法的发展，研究后得出的结论有两点[2]：一是地下轮廓设计不合理，必须在透水地基上的闸坝底板两端打板桩或增设垂直防渗；二是对水跃消能和河床冲刷设计不同，必须考虑水跃冲低消力池中尾水面部分与其下底板的扬压力失去平衡以及下游河床刷深后使尾水位降低的危险性。正是基于这些失败的教训，莱思（E.W.Lane，1934）提出了垂直渗径胜于水平渗径的加权计算法；柯斯拉（A.N.Khosla，1936）提出了地下轮廓设计的计算方法[2]。同时，印度灌溉总局还提出了水跃消能的设计方法，并指出应依靠模型试验定量解决。

我国也发生过一些水闸破坏事故，除由于地下水渗流失事破坏的水闸实例可参见文献[5]第285～288页的统计资料外，由于地表水冲刷破坏的水闸也不少。如黄河花园口泄洪闸，闸宽208.16m，18孔，每孔净宽10m，1961年运用时曾经过最大泄洪流量6300m3/s、最大水头差3.5m的考验。但在1962年泄洪时，由于集中开放第15、16、17孔而造成了严重冲刷破坏；消力池破坏，下部冲深达18.7m，池后沉排护底段中部冲深14.5m，宽度170m，全部消能防冲工程损坏63%。上游防冲槽也冲深达5m以上，最后该闸报废。又如广东芦苞闸，建成后泄洪时，两侧6孔关闭。只留带有低滚水坝的中孔23m过水，流量720m3/s，在闸后冲成26.75m的深潭；此后又在1942年7月19日被日本侵略军炸毁第1、2、3、6孔的闸门链条，强使闸门下坠关闭，只留中孔及第4、5孔集中泄洪，导致冲毁护坦，淘空闸基深达4～5m，使中部各闸墩发生偏倾沉陷，破坏严重，不得不进行重建。

像这样不对称地集中开启闸门、运行管理不当造成破坏事故的水闸还有不少，如废黄河上的杨庄闸，岳城水库下游香水河与民有渠平交的泄水闸，漳卫新河上的辛集闸和庆云闸[18]等。

虽然不是集中开闸放水，但其他方面考虑不周也会遭到破坏。如高良涧进水闸[19]，1952年建成，1954年大水后全面加固，消力池底板由0.3m加厚为0.5m，池前斜坡加厚为0.6m，经过一段时间的正常运行，于1958年开闸放水时，8孔闸门基本上是齐步提升，放水时上游洪泽湖水位12.66m，下游灌溉总渠水位7.70m。在提升闸门过程中发现平台上小坎挑起的水舌突然消失（图9-11），于是立即关闸检查，发现平台小坎全部被冲走，反滤排水也全部冲毁，消力池斜坡段冲毁2/3，断裂线参差不齐，破坏严重。对此问题专门进行了模型试验和计算分析，详见运行管理专章。

关于沿海挡潮闸的破坏，虽也有冲刷，但更存在普遍淤积以及时冲时淤的问题，这主要决定于河口入海处的闸址位置和河流来水量的控制是否恰当。江苏省[4]沿海有相距不远的两座挡潮闸，即六垛南北两闸，南闸下游冲刷严重，已冲至闸室附近，成为一座“险闸”；北闸下游则淤积严重，现已完全堵塞，成为一座“废闸”。河北省[6]的海河闸也是有冲有淤，1962年泄洪流量2040m3/s时，干砌块石也被淘空深1～2m，随后用石笼及水下混凝土修补，但后来入海流量减少，却又淤积严重，下游河道已淤3000万m3，河底高程由-6.40m淤高到-0.20m，闸下河段每年清淤挖泥50万m3，但年淤积量是250万m3，以致现在泄洪流量相同情况下比1959年的闸上水位抬高1m。

根据江苏省的经验[4]，挡潮闸距离海口宜控制在1km内。因为20世纪50年代建造的几座挡潮闸，距海口有10多km，闸下淤积均很严重，挖泥清淤后两年就又淤回原状；而新海连市燕尾闸建在紧靠海口处，闸下几乎就没有淤积。此外，对于普遍淤积的闸还可采取调度河水或其他水源定期冲淤以及纳潮水冲淤等措施。

二、溢流坝的破坏实例

较高的混凝土溢流坝虽然建筑在岩基上，但若设计施工或运行不当，泄洪时也会遭到破坏，现举例如下。

1.苏联某高96m的重力溢流坝护坦被冲毁的实例（Γ.C.1955-5）[7]

当坝顶闸门全开、单宽流量31.3m2/s时，消力池护坦被冲坏1/3，冲成的碎块被急流带至下游，有500t的碎块冲到尾槛后面，并有最大的一块重1300t被掀起侧卧着。经过调查研究，先是认为下游左部围堰未拆除所造成的不同流态（左部是淹没水跃）和横向漩涡所致；后来又发现是底板扬压力大，若结合溢流波动压力计算，考虑掺气影响，用流速v=25m/s（按水头差计算应为40m/s）代入沙瓦廉斯基公式，波动压力水头h'=0.3，加上扬压力一并考虑，就需要混凝土护坦厚度10m左右。由于厚度不够，护坦先被掀起，继而被急流冲走。另一原因是施工工序不妥，水库充满水后，在100m的水头下浇筑的混凝土护坦与基岩面接合不好。至于左部围堰未拆除也使破碎块在池中旋滚冲撞的时间延长，加剧了破坏程度。最后该工程修复时采用了排水孔两排，孔距2.5m，深入混凝土以下14m，并增厚护坦，加了锚筋。

2.美国加州北部皮特6号及7号两座混凝土重力式溢流坝下游平底消力池中趾墩和消力墩的破坏实例（SAF型消能工）

两座坝高分别为56m及70m，其消能布置相同，都是大量的钢筋混凝土做成，而且部分加了钢板衬砌，趾墩和消力墩各边的棱角还有角钢包固并用锚栓焊牢[8]。经过4年运行之后，于1970年初检查发现7号坝的10个消力墩中的6个几乎全部毁坏，并堆积在溢流坝下游河槽里，幸存的4个消力墩也遭到了严重的空蚀（或冲损）破坏，以致不能修复；趾墩上的大部钢板被撕去，有几个严重损坏，趾墩之间的陡槽底板也有损坏；尾槛尚好，只有一处钢筋暴露；在趾墩下游，高出趾墩顶面的两侧导墙上都有蚀损坑，直径1m左右，深达0.3～0.9m。主要原因是消能效果太高所引起的冲刷及空蚀。6号坝有类似的破坏，程度稍轻，有4个消力墩不见了，在趾墩的下游护坦上只有2～3个空蚀洞，尾槛下游冲刷程度较7号坝为烈，冲坑深3.7m，而且损坏集中在左侧，消力池右侧堆积有大小卵石和沉积一些岩块，这种原因是泄流时经常开左边一个闸门造成右侧回溜所致。这两座坝的损坏可以证明，一般钢筋混凝土加以轻型钢板衬砌不能适应需要，材料和工艺必须与所在部位的水冲击能量相适应。后来修复时采用了5cm厚钢板封套护固新建的消力墩。

我国的混凝土溢流坝像上述破坏的严重事例尚少，但是岩基河床遭到严重冲刷的不少。例如西津水电站溢流坝为跌坎或面流消能，1961年放水后，由于运用开闸方式不当，下游岩基河床冲刷逐年加深，1970年发现溢流鼻坎处岩基淘空（该处横向流速在模型中测定达8.3m/s），1977年测定下游河床最大冲深8m。经过模型试验研究，提出开闸方式并采取工程措施后得以控制。又如丹江口水电站为溢流坝挑流鼻坎消能，由于断层破碎带充填物性质不同，在相同泄流情况下冲深悬殊，右起1～2号孔下游断层F'100内充填物为糜梭岩和角砾岩，属柱状物破碎带，冲刷范围较小，深达11～17m；4～7号孔充填物同上，但胶结坚实，只沿断层F'204、F'77各冲出一条沟槽，深1.4～6.5m；8～12号孔对着F'16断层破碎带，充填软弱糜梭岩和黏土岩，遇水易崩解，抗冲性差，在正对着9～10号孔下游冲深19.7～24m。此种冲刷实例很多。

三、溢洪道或溢洪闸的破坏实例

这里首先举海南省松涛水库的溢洪道挑流鼻坎下游冲刷加固实例。该溢洪道堰顶为5孔闸，总宽68.8m，末端挑流鼻坎高程177.80m，左岸花岗岩完整，出口30m范围内挖低到高程176.00m，然后又渐升至179.00m；右岸第2孔下游有顺向断层宽2～5m，节理破碎，经过多次排洪，断层被淘刷成4～6m深的沟槽，距鼻坎130m处断层冲刷达17m，出口水流偏向右岸（闸门经常开左边4孔），更增加断层被冲空的危险以致怕影响工程安全，因而在1969年进行加固。在鼻坎下游80m内的断层冲沟底部浇筑一层0.3m厚的钢筋混凝土作为封闭处理，并把左岸100m内的底部高程降至175m使水流均匀。经过处理后，1978年最大排洪达3600m3/s，断层冲刷没有加深，出口偏流现象也有改善。

其次，举鹤地水库第一溢洪道的三级消力池陡槽底板破坏实例。该溢洪道上端的平底堰顶高程35.20m，以每孔宽10m的5孔闸门控制，陡槽下游为三级消力池水跃消能，坦末高程16.00m，最大设计泄洪流量1500m3/s，正常运用放水泄流量700m3/s。在1964年放水泄流量500m3/s时，消力池中水流有回溜，左导水墙曾冲毁10m长入池盘旋；12月放水泄流量100～200m3/s时发生了严重事故，第三级消力池陡坡底板翻起，除最后边一块外，其他4块各为10m×12m×1m的混凝土板均被掀起，遂即关闸。经过分析，破坏原因为扬压力和水跃的双重作用。测得的水跃脉动压力为时均压力的13%，陡坡底流速约9m/s，而且水跃后水深处有排水孔出口及底板块的接缝会将跃后水深压力倒灌给跃前底板下，更助长了侧岸地下水对该底板的扬压力，再加上左侧山坡地下水较高，因而左侧底板破坏严重。后来加固修复并重新布置底部排水管。

类似上述溢洪道消力池破坏的事故很多，如青岛崂山水库5孔泄洪闸，1985年泄洪流量仅565m3/s，陡槽末端与消力池相接处底板就被冲毁，并将其下花岗岩冲深5m左右。又如江苏横山水库5孔溢洪闸，1973年只放水泄流量45m3/s，陡坡与消力池底衔接处就被冲成约1m的深坑，176m2的混凝土被冲毁；1977年开两孔泄流30m3/s，陡坡平台200m2的混凝土被掀起冲毁。

国外也有类似上述溢洪道消力池底板的破坏实例。如墨西哥的玛尔巴索（Malpaso）坝的陡槽溢洪道[9]，上端为3孔泄洪闸，下端为长100m、宽50m和深26m的消力池，水头差118m。消力池底板是用混凝土板块12m×12m×2m衬护，并以3m圆钢筋锚定，伸缩缝充填沥青。从1967年运转到1969年，泄流量未超过2500m3/s，发现充填缝的沥青被冲走一些。到1970年泄流量3000m3/s时（设计流量6000m3/s），发现陡槽尾端许多块底板被冲走，锚筋被拉断，岩基也严重损坏，为了验证此720t重的混凝土块被掀起冲走而进行了模型试验，改变底板、水深、水头和流量4个参数研究结果，证明破坏原因是紊流引起的强烈脉动使底板与岩基脱开，水体由施工缝流进底板下形成一层薄膜传递为扬压力所致。若底板下设排水就不会破坏；而且当底板接缝完全封闭，则抗扬压力将显著增加，但增大流量时，仍发生破坏，几乎与失事时的流量相同。

四、闸门水击振动破坏实例

闸门振动破坏，仍以鹤地水库第一溢洪道上端堰顶溢洪闸门的破坏为例。该闸门上边有胸墙，顺水流方向的胸墙底沿宽度厚为1m，为了按照模型试验增大流量系数的要求，将胸墙底沿向上游延伸1m并做圆角进口形式，这样就能使泄洪流量1390m3/s达到设计最大流量1500m3/s的要求。但当库水面淹没胸墙底沿0.3m左右时，受风浪冲击竟使闸门振动破坏。分析振动原因来源于胸墙下沿加长后的宽度在淹没0.3m的水面下正好与风浪的波长波高相适应，使胸墙底面卷入的空气频繁地消失而形成周期性的真空吸力导致闸门振动。实践证明：很多闸门振动来源于卷入水中空气的不断消失，在适应的水力条件下，例如当闸门某一开度与水面位置适应时就会发生振动，甚至发生较大的气流声。如果与闸门结构自振频率重叠共振就易于损坏。因此，对有风浪区的闸门前胸墙段应开设通气孔。

同样，沿海的挡潮闸，闸门受潮浪的冲击波动影响也容易遭到破坏，浙江省紧邻杭州湾某6孔闸，弧形门宽8m，高4m，由于受潮浪冲击，弧形门首先后3次失事（第4～6号孔闸门支臂弯曲失稳而遭到破坏）。据分析，是总布置及胸墙结构布置欠妥，对潮浪冲击力估计不足以及闸门支臂结构上的长细比过大等原因。最后在检修闸门槽位置装置了混凝土平板门作为工作门，而原来的弧形门退居第二线作为检修门使用[4]。