溪洛渡水電站水墊塘斷面型式研究

黃 慶，雷 軍，陳亞琴

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站洪水流量大，設(shè)計(jì)洪水洪峰流量43 700m3/s，校核洪水洪峰流量52 300m3/s,經(jīng)上游梯級電站白鶴灘水電站調(diào)整蓄后為50 900m3/s, 總泄洪功率高達(dá)100 000MW，位居世界之首。電站攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高278.00m，樞紐泄洪采取“分散泄洪、分區(qū)消能”的布置原則，泄洪設(shè)施由壩身7個表孔、8個深孔和左右岸各2條泄洪洞組成，壩身最大泄量為32 278m3/s，約占總泄量的66%。壩身孔口采用“分層出流、空中碰撞”的布置形式，壩后設(shè)水墊塘和二道壩消能。水墊塘的消能效果直接關(guān)系到壩身能否下泄超過30 000m3/s的洪水，其安全穩(wěn)定直接關(guān)系到大壩的安全穩(wěn)定，因此在可行性研究階段結(jié)合“九五”攻關(guān)對壩身孔口體型和水墊塘的體型做了大量的科研工作，在技術(shù)上有很大的突破，滿足了溪洛渡工程泄洪消能的技術(shù)要求。推薦的水墊塘的體型為反拱型水墊塘。在深化設(shè)計(jì)階段對水墊塘斷面型式進(jìn)行了更加深入全面的分析研究，以期找出更適合溪洛渡水電站的水墊塘斷面型式。

2 壩后消能區(qū)地形地質(zhì)條件

壩后水墊塘段河道順直，枯水期370m時江面寬80～100m。兩岸410～420m高程以下為10°～30°的寬緩谷底的“U”形河谷，基巖多裸露。河床覆蓋層厚11～22m，基巖頂板高程335～345m，弱風(fēng)化巖體厚度一般為10～22m。水墊塘底板地基上游段約40%為玄武巖3層上部含凝灰質(zhì)角礫(集塊)熔巖，完整性較好，錯動帶和裂隙不發(fā)育，鉆孔巖芯多呈柱狀；下游段約60%為4層下部玄武巖，受層間和層內(nèi)錯動帶影響，陡緩裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差。水墊塘兩側(cè)地基及邊坡由4、5層和6層下部玄武巖組成，受淺表風(fēng)化卸荷影響，破碎帶較寬，結(jié)構(gòu)松弛，性狀較差。

3 水墊塘斷面型式的擬定

經(jīng)拱壩壩身自由跌落的水舌，由于向心作用形成的沖刷坑最深點(diǎn)一般在河床中心，向四周逐漸增高，呈鍋底形，采用簡單的平底板復(fù)式梯形斷面或反拱型底板接復(fù)式梯形斷面來擬合自然沖坑形狀都是合適的。

3.1 平底板水墊塘斷面型式

根據(jù)壩身孔口水舌入水特性和水墊塘地形地質(zhì)條件，擬定水墊塘為復(fù)式梯形斷面，底寬60.00m，底板頂高程340.00m，底板厚4m。水墊塘360.00m高程以下坡度為1∶1.2，邊墻厚4.0m；360.00～385.00m高程坡度為1∶1.0，邊墻厚3.0m；高程385.00m以上邊坡為1∶0.75，邊墻厚2.0m。 在360.00m和385.00m高程設(shè)置5.0m寬的馬道。水墊塘底邊墻與底板直線相交，易產(chǎn)生沖蝕破壞，因此在此交角處(迎水面)采用圓弧銜接，反弧半徑5.0m。

水墊塘設(shè)計(jì)水位(P=1%)為403.76m，校核水位(P=0.1%)為410.87m，考慮塘內(nèi)消能水體的旋滾波高及安全超高，確定水墊塘頂高程為412.00～413.00m。在水墊塘頂設(shè)有1m高的導(dǎo)浪墻。在412.00m高程，水墊塘寬度為204.00m。在大壩校核洪水(P=0.01%)工況，二道壩下游水位為416.20m，水位高于水墊塘頂高程413.00m，考慮泄洪霧化暴雨沖刷，在水墊塘兩岸430.00m高程以下均以80cm厚混凝土襯護(hù)。

3.2 反拱型水墊塘斷面型式

反拱型水墊塘為反拱形底板接復(fù)式梯形斷面，反拱底板為圓弧形，半徑81.25m，圓心角為77.76°，弦長102m，底板弧頂高程336.00m，底板厚4m，在360.00m高程設(shè)有拱座。高程360.00m以上邊坡為1∶1.0，在高程385.00m處設(shè)有5m寬的馬道。在高程360.00m以上邊墻厚3m。考慮塘內(nèi)消能水體的旋滾波高及安全超高，水墊塘頂混凝土襯砌高程為411.00m，在411.00m平臺設(shè)有1m高的導(dǎo)浪墻。在411.00m高程，水墊塘寬度為224m。

4 水墊塘斷面型式比較

水墊塘兩種斷面型式的比較見圖1。

圖1 反拱型底板水墊塘與平底板水墊塘比較

4.1 地形地質(zhì)條件

溪洛渡壩址天然河道為“U”形，由于壩身泄洪入水寬度的要求，兩種型式水墊塘均能較好地擬合地形，雖有一定程度的開挖，但邊坡開挖對兩岸山坡及抗力體的影響都較小。由圖1可以看出，兩種體型的開挖斷面基本相同，只是平底板水墊塘在385.00m高程以上開挖邊坡略陡，開挖量減少。

4.2 水力條件

(1) 水墊塘的流態(tài)很大程度上取決于泄洪水舌的入水形態(tài)，而水舌的入水形態(tài)取決于壩身孔口的平面布置以及流道和出口體型，水墊塘的底板型式對塘內(nèi)流態(tài)影響很小。

(2) 水墊塘底板最大沖擊壓力與水墊深度密切相關(guān)。平底板水墊塘與反拱底板水墊塘相比，平底板水墊塘在底板60m范圍內(nèi)水墊較反拱底板略淺，最大水墊深相差4.0m，與水墊塘40～60m水墊深度相比，相差極小。兩種水墊塘其他部位的水墊深度相同。在高程385.00m馬道以上，為減少對大壩抗力體的開挖，平底板水墊塘邊坡坡度為1∶0.75，陡于反拱底板水墊塘的1∶1.0，在385.00m高程水墊塘的寬度為178.0m，大于水舌入水的最大寬度103.0m。兩種體型均可滿足水墊塘的消能作用。

(3) 針對相同的壩身孔口的布置，對兩種水墊塘斷面型式都進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)。在校核洪水工況，反拱底板水墊塘型式在上游水位607.94m、下游水位414.19m時，表孔、深孔聯(lián)合泄洪下最大動水沖擊壓力為22.1×9.81kPa，位置在壩0+180.00樁號水墊塘中心線上；平底板水墊塘型式測得上游水位607.79m、下游水位414.42m時，表孔、深孔聯(lián)合泄洪下最大動水沖擊壓力為24.19×9.81kPa，位置在壩0+185.00樁號水墊塘中心線上。二者模型試驗(yàn)結(jié)果比較接近。

還進(jìn)行了兩種水墊塘型式的水工試驗(yàn)比較分析。試驗(yàn)時水墊塘分縫分塊12m×12m，不設(shè)止水。從單塊底板所受上舉力實(shí)測結(jié)果分析，在校核洪水工況，水庫水位602.34m、水墊塘內(nèi)水位409.97m時，平底板單塊上舉力為29 008.17kN，反拱底板單塊上舉力為22 916.16kN，相差較小。

水工模型試驗(yàn)還表明，兩種型式水墊塘塘內(nèi)水體水力條件相似，水流在塘內(nèi)消能和下游防沖均沒有本質(zhì)區(qū)別。

4.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件

平底板水墊塘抗浮穩(wěn)定分析計(jì)算表明，所有工況都滿足抗浮穩(wěn)定要求(見表1)。

表1 平底板水墊塘底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果

反拱底板抗浮穩(wěn)定分析計(jì)算表明，所有工況都滿足抗浮穩(wěn)定要求(見表2)。因檢修情況下，水墊塘內(nèi)無水，對反拱底板來說，此時拱作用最明顯，安全性較高，因此未作計(jì)算。

表2 反拱板水墊塘底板穩(wěn)定計(jì)算成果

兩種型式水墊塘底板下部均設(shè)有縱橫排水廊道和排水孔幕，在底板周邊設(shè)有排水暗溝，排水孔口高程以下設(shè)有集水井并有抽水設(shè)備保證抽排，且縱、橫縫設(shè)有可靠的止水設(shè)施，二道壩設(shè)有防滲帷幕及排水幕。排水廊道具有檢修條件，雖然局部止水可能失效，但抽排系統(tǒng)不會失效，因此可以保證塘底板滲透壓力很小，水墊塘底板穩(wěn)定安全度較高。

反拱型底板的整體穩(wěn)定性取決于拱座的穩(wěn)定。由模型試驗(yàn)知，動水壓力產(chǎn)生的上舉力通過反拱型底板傳到拱座的推力較小，拱座穩(wěn)定滿足要求。

4.4 施工檢修條件

水墊塘表面鋪設(shè)抗沖磨性能較好的硅粉混凝土，并要求與底層混凝土緊密結(jié)合。硅粉混凝土容易裂縫，要求振搗密實(shí)，否則容易被水流沖壞。平底板水墊塘結(jié)構(gòu)簡單，便于施工和檢修，混凝土澆筑質(zhì)量容易控制，硅粉混凝土澆筑質(zhì)量較易得到保證。反拱型底板水墊塘由于兩面澆筑模板是弧形的，施工工序復(fù)雜，施工難度較大，可能振搗不充分，難以保證施工質(zhì)量，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，而這恰恰是水墊塘質(zhì)量保證的關(guān)鍵。

4.5 工程量比較

經(jīng)比較，兩種型式水墊塘的工程量基本相同。

4.6 綜合比較分析

從地形地質(zhì)條件、水流條件、工程量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件等方面比較，水墊塘的兩種斷面型式都是可行的，并且差異不大。但從施工檢修條件來講，平底板水墊塘結(jié)構(gòu)簡單、便于施工和檢修，而反拱底板施工工序復(fù)雜，難以保證施工質(zhì)量，因此平底板水墊塘相對更優(yōu)。另外，反拱型底板水墊塘在國內(nèi)外工程實(shí)例均較少。英古里拱壩消力塘是反拱型，但該工程的萬年一遇洪水泄量較小，僅為2 500m3/s，已運(yùn)行過的泄量不足1 000m3/s。而平底板水墊塘應(yīng)用較多，國內(nèi)已有二灘等工程較成熟的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。溪洛渡工程泄洪規(guī)模巨大，其泄洪設(shè)施應(yīng)采用技術(shù)成熟、安全可靠的結(jié)構(gòu)型式，因此溪洛渡水墊塘的斷面型式推薦為平底板型式。

5 水工模型試驗(yàn)成果

對溪渡渡最終的壩身孔口布置方案和平底板水墊塘斷面型式，做了比尺為1∶100的水工模型試驗(yàn)，試驗(yàn)表明平底板水墊塘斷面型式是合適的。主要試驗(yàn)成果為：

(1)千年一遇洪水工況，表、深孔全開聯(lián)合泄洪時，壩身孔口水舌入水寬度為88.0m，萬年一遇洪水工況時為96.5m；7個表孔單獨(dú)泄洪時水舌入水寬度為81.00m，8深孔單獨(dú)泄洪時為79.00m，超過水墊塘底寬60.00m，但都沒有超過水墊塘360.00m高程寬度118.00m；雖有部分水舌落在1∶1.2的斜坡邊墻部位，但由于該部位的水深仍有約50m，實(shí)測邊墻未產(chǎn)生較大的沖擊壓力。

(2)大壩校核洪水工況(P=0.01%)，壩身泄洪流量為32 278m3/s，水墊塘底板最大動水沖擊壓力最大為14.78×9.8kPa。大壩設(shè)計(jì)工況(P=0.1%)，壩身泄洪流量為21 644m3/s，最大動水沖擊動壓為4.1×9.8kPa。7表孔單獨(dú)泄洪工況，由于表孔設(shè)置了分流齒坎，對跌落水流分散很好，因此其最大動水沖擊壓力較小，為7.78×9.8kPa。8深孔單獨(dú)泄洪工況，由于挑距遠(yuǎn)、水舌入水角度小、水墊較深，挑流水舌未沖擊到水墊塘底板，最大動水沖擊壓力較小，為3.76×9.8kPa。所有工況下的最大動水沖擊壓力均小于15×9.8kPa，與二灘水電站的水平相當(dāng)。

(3)萬年一遇工況下水墊塘底板最大流速為24.25m/s，千年一遇工況由于水舌沒有達(dá)到水墊塘的底部，臨底最大流速僅為9.75m/s。

6 結(jié)束語

通過從地形地質(zhì)條件、水流條件、工程量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件和施工檢修條件等方面，對平底板水墊塘和反拱底板水墊塘進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明水墊塘兩種斷面型式都是可行的，但從施工檢修條件來講，平底板水墊塘結(jié)構(gòu)簡單，施工質(zhì)量容易保證，因此平底板水墊塘相對更優(yōu)。從國內(nèi)外工程實(shí)例來看，平底板水墊塘應(yīng)用較多，設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)成熟。因此，溪洛渡水墊塘最終采用平底板型式。通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，平底板水墊塘是合適的。