二灘水電站泄洪霧化及防護

王鋒輝

（二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 610017）

1 工程概況

二灘水電站是雅礱江流域開發(fā)的第一座電站。攔河壩采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高240 m，是我國首座超過200 m的高拱壩。二灘樞紐工程具有河谷狹窄、水頭高、流量大的特點。重現(xiàn)期1 000年設計洪水流量達20 600 m3/s，重現(xiàn)期5 000年校核洪水流量達23 900 m3/s，最大泄洪功率達39 000 MW。其中拱壩壩身泄量16 450 m3/s，泄洪功率達27 000 MW；泄洪洞的單洞最大泄量達3 800 m3/s，最高流速45 m/s，泄洪功率達12 000 MW，均居世界同類工程前列。工程消能設計，壩身采用泄水水流空中擴散和對撞落入水墊塘消能技術，泄洪洞采用挑流消能技術。

二灘電站的泄洪建筑物包括壩身7個表孔、6個中孔和布設在右岸的2條泄洪隧洞。其中表孔為開敞式泄洪表孔，采用大差動結構型式，使水流充分擴散，摻氣更充分，入水面積更大，減小水舌對水墊塘底板的沖擊動水壓力，進一步加強了消能效果。中孔為有壓泄洪中孔，6個泄洪中孔均采用平面轉彎、立面上翹、尾部橫向擴散、豎向收縮的“壓力上翹”體型，這種體型使水流縱橫分散，落點錯開，滿足下游消能銜接的要求。同時表、中孔聯(lián)合運行時，水舌碰撞消能效果更好。泄洪洞為淺水式短進水口龍?zhí)ь^明流泄洪洞，洞身采用摻氣消能方式，出口采用挑流方式消能。其中1號洞出口采用扭曲斜切鼻坎，2號洞采用不對稱舌型挑流鼻坎。

這種消能設計形式，很好地解決了泄洪消能問題，但同時也帶來了范圍更大、強度更高的“霧化”影響。

2 泄洪“霧化”分區(qū)、預測范圍及防護措施設計

2.1 泄洪“霧化”分區(qū)、預測范圍

目前，泄洪霧化的分區(qū)或分類方法尚不完全統(tǒng)一，一般根據(jù)成因、形態(tài)或影響程度不同簡單地劃分其類別［1］。二灘水電站泄洪霧化的分區(qū)是根據(jù)局部模型試驗及整體模型試驗，并結合大量工程泄洪霧化的原始觀測資料提出來的，主要分為兩個區(qū)，分別是表、中孔泄洪消能的水墊塘消能區(qū)和泄洪洞挑流消能的下游河床消能區(qū)，這兩個消能區(qū)也是霧化防護重點區(qū)。二灘拱壩泄洪霧化分區(qū)、預測范圍及防護措施見表1。

對于泄洪洞泄洪霧化影響，主要結合本工程的特點并類比和借鑒其他工程的經(jīng)驗進行估算。

圖1 二灘水電站樞紐布置圖Fig.1 Layout of Ertan hydropower station

表1 二灘拱壩泄洪霧化分區(qū)、預測范圍及防護措施Table 1:Zones and predicted scope of flood discharging rain and fog and protection measures

2.2 防護措施設計

根據(jù)設計泄洪霧化分區(qū)，對不同的區(qū)域提出了不同的防護措施。表、中孔泄洪消能的水墊塘消能區(qū)的具體防護措施如下：

（1）自壩后至樁號0+130 m，高程1 070.0 m以下為混凝土護坡；自壩后至樁號0+380 m，高程1 040.0 m以下屬水舌裂散區(qū)（霧化Ⅱ區(qū)），設置混凝土護坡。混凝土護坡厚0.3 m，設有錨筋（?25 mm，長3 m，間距2.5 m）及排水孔（?48 mm，間距5 m，深入巖石3 m，向外傾2°～3°）。

（2）兩岸高程1 115.0 m以下、上述混凝土護坡以上屬濃霧暴雨區(qū)（霧化Ⅲ區(qū)）。采用掛鋼筋網(wǎng)（? 6 mm，間距0.25 m）及厚0.1 m的噴混凝土護坡；錨桿?25 m，深入巖石3 m，間距2.5 m；排水孔?48 mm，深入巖石3 m，間距5.0 m。

（3）兩岸高程1 032.0 m、1 040.0 m、1 070.0 m、1 115.0 m各層馬道均設有混凝土擋墻，防止山坡危石落入水墊塘，以免造成塘底磨損破壞。另外各層馬道亦設有排水溝，將雨水排至下游。

泄洪洞挑流消能的下游河床消能區(qū)的具體防護措施如下：

泄洪洞挑流消能區(qū)保護包括挑流鼻坎基礎坡面保護和泄洪霧化區(qū)岸坡保護兩部分。由于泄洪洞出口水流挑射較遠，其沖坑深度也較淺，沖坑的發(fā)展不會影響到挑流鼻坎，因此兩條泄洪洞鼻坎基礎坡面設計采用混凝土面板結合錨桿進行保護。另外由于泄洪洞出口部位沒有布置重要的建筑物，所以對泄洪洞出口的邊坡也沒有采取特殊的保護措施進行處理，而是根據(jù)泄洪洞經(jīng)1～2個汛期泄洪后，有針對性地設計水流消能區(qū)河道岸坡保護工程并進行施工。

3 初期運行及泄洪“霧化”原型觀測

1997年11月4日二灘水電站導流洞下閘，江水經(jīng)由大壩臨時導流底孔（底部高程為1 012.5 m）下泄到水墊塘流往下游河道。1998年5月1日下閘蓄水，5月8日永久底孔過水，5月28日壩身3號中孔泄洪，整個汛期，全部6個中孔、2條泄洪洞都參與了泄洪，泄洪總量達到571.86億m3（包括2號、3號底孔的過流）。其中壩身泄洪504.78億m3，泄洪洞泄洪67.08億m3。泄洪期間大壩下游霧化嚴重，6個中孔泄洪時，挑出的水流互相碰撞所產(chǎn)生的霧化達到高程1 135 m，并從壩下游一直延伸至中灘溝。

1998年汛期泄洪是二灘大壩在還沒有完全建成情況下的首次泄洪，當年庫水位最高達到1 182.26 m高程。汛后檢查發(fā)現(xiàn)，水墊塘二道壩至左右兩岸導流洞出口段河岸被嚴重沖刷，左岸12號公路下形成開口10～12 m、深7～8 m的貫通性大空洞，導致混凝土邊墻及路面混凝土最終斷裂、沉陷，較長時間中斷了通往水墊塘左岸的12號公路的通行。右岸，從9號公路下到二道壩壩肩的斜坡道，由于受河道水流及來自1 032 m高程馬道跌水水流的沖刷，混凝土路面下的回填石碴被淘空，路面板被掀翻，斜坡路亦較長時間斷道。布置在9號公路內側的右岸4條永久供水鋼管基礎被淘，在橫向水流作用下已嚴重彎曲變形，影響到12號和9號公路的運行安全。處在壩身泄洪霧化影響區(qū)內的中灘溝和中灘支溝，受泄洪霧化水流及降雨的影響，中灘溝發(fā)生了約8 000～9 000 m3的泥石流，泥石流沖斷了通往高位水池的輸水管道和低位水池的進出水管，部分泥石堆積在12號公路上，阻斷了去水墊塘左岸及深井泵房的通道；中灘支溝下部，12號公路內側邊坡由于雨霧浸泡而變軟造成局部坍塌，影響到低位水池的穩(wěn)定。

水墊塘兩岸1 032 m高程馬道靠山側的排水溝遭局部破壞，積水經(jīng)破壞部位進入底部回填料，滲往水墊塘廊道。同時，兩岸1 032 m高程馬道路面混凝土施工縫未設置止水，1 032 m高程以上的各層馬道未用混凝土進行封閉，也都成為了滲漏通道。大壩中孔泄洪時，雨霧彌漫中的邊坡及馬道水經(jīng)巖石裂隙滲流到水墊塘底板下的排水廊道和暗溝內，由于水墊塘深井泵的抽排量當時有限，致使水墊塘廊道被淹。

位于14號和29號壩段1 040 m高程壩后平臺上的水墊塘左右岸通氣廊道出口，盡管洞口底板比1 040 m高程大壩貼角平臺高20 cm，中孔泄洪時，不但貼角上的水流和雨霧進入通氣廊道，而且水流挾帶著大量泥沙經(jīng)過通氣廊道進入了水墊塘廊道，堵塞了廊道底板上的280個排水孔，對水墊塘底板和基礎的滲流穩(wěn)定產(chǎn)生了不利影響。

大量的泥石流涌入水墊塘，對水墊塘造成了一定的破壞，汛后水墊塘抽干檢查發(fā)現(xiàn)，水墊塘底部存在大量的鋼管、鋼筋、廢混凝土塊、石塊、沙等，估計總量超過100 t。底板存在不同程度磨損，有的露出石子，有的露出鋼筋，樁號0+150～0+250的4 000 m2范圍內被磨損得比較嚴重，平均磨損約27.225 mm，最深的達88 mm，整個水墊塘加權平均磨損20.67 mm。1999年汛前完成了上述影響破壞區(qū)域的修復。

1999年，二灘電站汛期正常泄洪運行。當年9～12月，公司組織對二灘水電站泄洪霧化開展了較系統(tǒng)的原型觀測試驗，試驗包括了壩身泄洪及泄洪洞泄洪等多種工況，試驗水位為設計庫水位1 200 m高程。試驗分中孔、表孔單獨泄洪，中表孔聯(lián)合泄洪等各種設計工況。本次泄洪霧化試驗觀測到，霧化區(qū)的范圍及霧化對兩岸邊坡影響的強度更加增大，較濃烈的霧化高程達到1 190 m以上，并從壩后一直延伸到1號尾水洞出口。壩身原型觀測泄洪試驗時，1、2、6、7表孔和1、2、5、6中孔聯(lián)合泄洪（約7 700 m3/s）霧化影響范圍最大（見圖2），壩后約700 m范圍內的邊坡及附屬建筑物遭到了損壞，主要表現(xiàn)在開口線以上未支護的自然邊坡受侵擾而出現(xiàn)多處坍塌，滑落體大部分是開挖線以上的表層覆蓋物（泥土、碎石、塊石及大孤石），大量滾落的石塊使開挖線以下已經(jīng)支護過的邊坡、馬道和馬道上的建筑物遭到了不同程度的毀壞，滯積的泥石流堵塞了邊坡交通梯道和各級馬道［2］。

泄洪過程中，泄洪霧化在壩后1 040馬道和1 091馬道形成很深的霧化水流，水流經(jīng)該部位壩后支廊道洞口涌進壩體。由于水量太大，遠遠超過大壩滲漏集水井三臺300JC/s210-10.5×8型深井泵抽排能力，導致980.25 m集水廊道水位高達987.50 m。經(jīng)檢查，980.25 m廊道內3臺MCU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量單元、3臺垂線坐標儀、2套靜力水準儀、2支堰流計、2臺強震儀被損壞。

圖2 二灘水電站1、2、6、7表孔和1、2、5、6中孔聯(lián)合泄洪霧化范圍示意圖Fig.2 Scope of rain and fog caused by joint flood discharge of surface holes No.1,2,6,7 and middle holes No.1,2,5,6 at Ertan hydropower station

原型觀測試驗表明，泄洪霧化較原設計嚴重，大壩（0+35）至三灘溝一帶（0+2 500 m），長約2 500 m的兩岸邊坡均處于泄洪霧化范圍。在各種工況下，水墊塘兩岸山坡雨強縱向在水舌落點處最大，朝上、下游方向逐漸減小；橫向，雨強隨地面高程的增高而明顯降低，靠近水舌入水處雨強甚大；兩岸馬道均形成了地面徑流，在護坡頂端的馬道（左岸高程為1 115 m，右岸高程為1 110.4 m），多數(shù)測點的雨強仍超過100 mm/h，屬特大暴雨區(qū)，部分測點則屬于大暴雨區(qū)。

1號、2號泄洪洞泄洪霧化中心出現(xiàn)在左岸，原型觀測試驗期間，聯(lián)合泄洪時各自形成兩個“降雨”中心，其位置和雨強與分別泄洪相似，從上游樁號0+780 m至下游樁號0+2500 m均為薄霧區(qū)，左岸霧化范圍高程達1 280 m，右岸達1 120 m。1號泄洪洞霧化區(qū)泄洪期間局部陡傾節(jié)理發(fā)生小規(guī)模塌滑。2號泄洪洞泄洪霧化區(qū)因回流沖刷和濃霧暴雨的面蝕作用致使該霧化區(qū)遭到較嚴重破壞，致使該處公路中斷。

4 下游護岸防護措施的改進

經(jīng)過1998和1999年的泄洪霧化考驗，雖然總體上水墊塘、二道壩及其護坦?jié)M足了設計預想的要求，但一些缺陷和隱患的暴露說明，二灘的泄洪區(qū)劃已經(jīng)超出了模擬、分析所確定的泄洪霧化范圍，對泄洪霧化的認識還有待進一步深化。為了減少泄洪霧化的影響和降低運行風險，對拱壩下游兩岸護坡和泄洪洞出口下游兩岸的防護工程做了進一步改進和完善。

4.1 表、中孔泄洪消能的水墊塘消能區(qū)

（1）清除左岸低位水池、消防水池后坡及其下游側坡頂、調壓室交通洞洞臉楔形塌滑體的部分已塌滑土石和松散土體，對松弛或拉裂巖塊設置隨機砂漿錨桿，掛網(wǎng)、噴混凝土、設排水孔；

（2）加固左岸2號尾水渠右導墻并與上游岸坡混凝土墻銜接；

（3）清除右岸1 115.0 m高程至纜機平臺以下自然坡的浮石、危石及殘留的塌滑松散體，修復并完善1 190.0 m以下掛網(wǎng)、噴混凝土、錨桿及排水孔；

（4）右岸1 032.0 m高程公路邊坡設置5～8 m高的貼坡式混凝土擋墻并噴錨至1 060.0 m高程；

（5）兩岸1 032.0 m高程公路外側擋墻設置排水缺口，以便及時排除泄洪時1 032.0 m高程公路的積水。

4.2 泄洪洞挑流消能的下游河床消能區(qū)

（1）左岸下偏巖子隧洞出口至三灘溝溝口上游側岸坡出露玄武巖、頁巖、紫紅色粘土巖、砂巖和粉質砂巖，屬重點保護區(qū)。該段的上游部分，高程1 030.0～1 010.0 m（齒槽至1 007.0 m高程）采用重力式混凝土擋墻，1 030.0 m高程以上為1.0 m厚的漿砌塊石護坡，混凝土擋墻段還設置錨桿和部分錨索，所有護坡設置排水孔；

（2）左岸三灘溝溝口設置泄水建筑物，泄水建筑物由泄水明渠和泄水陡槽組成；陡槽段采用臺階消能方式，明渠從3號過木平橋孔下穿過，可與三灘溝排水建筑物相接；

（3）左岸三灘溝溝口下游至過木機道滑槽出口岸坡下覆基巖埋藏深度變化較大（約1 005.0～980.0 m高程），只能將部分地段的混凝土護坡放在基巖上，1 015.0 m高程以上采用漿砌塊石；

（4）右岸2號泄洪洞出口風化及卸荷強烈區(qū)域，采用錨噴混凝土保護，噴層厚10 cm；

（5）右岸2號泄洪洞出口下游約140 m為厚層砂巖夾碳質粉砂巖，巖體弱偏強風化，完整性較好，是右岸的護岸重點區(qū)；采用混凝土與漿砌石結合的護岸型式。1 025.0 m高程以下為1.2 m厚的鋼筋混凝土結構，以上至1 040 m高程為0.8 m厚的漿砌塊石襯砌；均設排水孔，基巖設錨桿；

（6）右岸2號泄洪洞出口基巖段下游還保護了約200 m長的軟基段。主要采用漿砌塊石和掛網(wǎng)噴混凝土兩種護岸型式，坡腳用拋石保護，以防沖刷。

4.3 其他改進

（1）對1 040.25 m交通廊道通往壩后的支廊道進行了封堵，對1 091.25 m下檢查廊道通往壩后的支廊道出口進行了加高，加高高度為1.1 m。

（2）對位于14號和29號壩段1 040 m高程壩后平臺上的水墊塘左右岸通氣廊道出口進行了封堵。

（3）對所有的馬道采用混凝土襯砌，堵塞滲漏通道。

5 運行泄洪霧化區(qū)域邊坡穩(wěn)定性評價

2000年汛前，二灘下游霧化區(qū)二期防護工程結束。經(jīng)過十多個汛期的運行，除局部發(fā)生小的落石和小的坍塌，未出現(xiàn)影響邊坡安全運行的情況，這證明了經(jīng)過改進的泄洪霧化區(qū)域防護是合理的，可以保證霧化區(qū)邊坡的安全和正常運行。

圖3 水墊塘右岸邊坡防護圖Fig.3 Protection of the right bank of cushion pool

圖4 水墊塘左岸邊坡防護圖Fig.4 Protection of the left bank of cushion pool

6 結 語

總結二灘泄洪霧化引起的邊坡破壞，主要有以下幾種類型：①泄洪霧化降雨對自然邊坡的沖刷，造成孤石、懸石失穩(wěn)滾落，由此又造成滾石砸壞下部工程邊坡或管道。②泄洪霧化水流造成邊坡局部覆蓋層或堆積體迅速下滑，形成泥石流，又對下部建筑物和設施造成損壞。③霧化水流造成局部松弛卸荷巖體失穩(wěn)坍塌。④泄洪霧化導致河水紊流，造成岸坡淘刷、坍塌破壞。⑤霧化水流從壩后通道或滲漏通道進入，造成大壩廊道和水墊塘廊道被淹等等。經(jīng)過霧化防護改進后，以上問題基本得到解決。

由此可以得出以下幾方面的認識：對于泄洪霧化區(qū)的孤危石，一定要在蓄水前的施工期就進行全面清理，一旦所在邊坡下部的建筑物建成或邊坡支護完成，再清理不僅難度大、風險也非常大，容易造成下部建筑物或防護邊坡的損傷。如果不進行處理，就會造成泄洪期間失穩(wěn)，引起破壞，同時，這些孤危石一旦失穩(wěn)進入水墊塘，在高速水流的帶動下，對水墊塘的防護面板將造成損傷，可能會引發(fā)更大的破壞和風險。

由于對泄洪霧化還很難定量地進行描述，因此，泄洪霧化范圍的確定還需要更多的實踐來驗證。從二灘的實例來看，實際霧化范圍比模型試驗確定的范圍要大，因此最初的防護設計略顯不足，通過最初的兩個汛期的檢驗，及時進行了改進。經(jīng)過十幾年的運行，證明了改進后的防護范圍基本滿足了泄洪霧化防護的需要，也進一步證明了二灘泄洪霧化區(qū)采取的防護形式是有效的。這種成功的經(jīng)驗，對其他類似工程的霧化防護有非常重要的借鑒意義。

[1]楊智鴻，王愈.泄洪霧化研究綜述[J].中國水運，2008，（7）.

[2]蘇建明，李浩然.二灘水電站泄洪霧化對下游邊坡的影響[J].水文地質工程地質，2002，（2）.