向家壩水電站泄洪消能建筑物概況及度汛檢修技術(shù)探討

戴雷霓，俞洪明，代慧濤

（1.向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612 2.中國長江三峽集團，北京 100010）

1 概述

向家壩水電站是金沙江下游流域規(guī)劃的最末端水電站，電站裝機6 400 MW，水庫總庫容51.63億m3。攔河大壩為混凝土重力壩，最大壩高162 m。

向家壩水電站泄洪建筑物主要有表孔、中孔及消力池建筑物。布置在金沙江河床中部略靠右側(cè)，為減輕泄水霧化對壩址周邊城鎮(zhèn)環(huán)境帶來不利影響，采用底流消能形式。

泄洪壩段前沿寬度248.00 m，由12個表孔和10個中孔相間布置組成，下游由中導(dǎo)墻分成兩個對稱的消力池。表、中孔壩面泄槽由于溢流面高程不同用3 m寬的中隔墻分隔，中隔墻從上游閘墩起一直延伸至表中孔跌坎末端。泄洪壩段設(shè)有壩頂門機，啟閉表孔檢修平板門、中孔事故檢修門和中孔進口反鉤門。表孔、中孔工作弧門另設(shè)啟閉設(shè)備。

圖1 向家壩工程三維效果圖

1.1 表孔

溢流表孔（見圖2）采用開敞式WES堰，堰頂高程354.00 m，定型設(shè)計水頭26.00 m，孔口寬8.00 m，閘墩寬12.00 m，每個表孔均跨壩段橫縫對稱布置，共12個表孔。壩段伸縮縫布置在表孔中心線上。溢流堰頂上游面堰面曲線采用橢圓曲線，，堰頂下游面采用冪曲線，冪曲線再通過1∶0.8的直線壩坡段與下游反弧段相連，反弧半徑60.00 m，反弧段后設(shè)置水平跌坎。

跌坎末端樁號為0+132.00 m。表孔壩面泄槽上游寬8.00 m，在距跌坎水平距離20.00 m處開始邊墻線性對稱收縮，至跌坎末端泄槽底寬收縮為6.00 m。邊表孔外側(cè)邊墻不收縮，采用順直布置；內(nèi)側(cè)邊墻收縮，收縮角同中間表孔側(cè)墻。

表孔采用弧形工作門，孔口尺寸8.00 m×26.00 m(寬×高)，工作門上游布置一道平板檢修門。由于表孔泄洪時下游堰面流速超過30 m/s，為避免空蝕，在溢流面直線段330.00 m高程附近設(shè)置摻氣槽，并在側(cè)墻上設(shè)通氣孔，同時溢流面和側(cè)墻過流邊壁設(shè)抗沖耐磨混凝土。

1.2 中孔

中孔布置在每個泄水壩段的中部，進口底板高程305.00 m，孔口尺寸6.00 m×9.60 m，采用短有壓喇叭型進口，進口頂板為橢圓曲線=1，有壓段末端布置弧形工作門，工作門上游設(shè)置事故檢修門，進口設(shè)檢修門。為方便與下游堰面銜接，短有壓進口段底板采用20°底坡。明流泄槽段從工作弧門后開始，泄槽底板坡度為1∶2.051。泄槽斜坡段與半徑為55.00m的反弧段連接，反弧段后接水平跌坎。跌坎頂高程為253.00 m，跌坎頂面距消力池底板頂面8.00m，跌坎末端樁號為0+132.00m。泄槽底寬6.00 m，與出口跌坎等寬。由于中孔水頭高，泄槽流速大，在中孔弧形工作門下游0+030.00 m樁號處設(shè)跌坎摻氣，跌坎高1.50m，兩側(cè)壁設(shè)通氣孔，通氣孔直徑1.40 m（見圖3）。

圖2 表孔剖面圖

中孔屬永久性泄水建筑物，擔負著主要泄洪任務(wù)，其最大運行水頭約75 m，控制段出口流速約31 m/s～35 m/s，考慮到抗空蝕、防滲等方面的要求，中孔進口短有壓段、工作弧形處兩側(cè)邊壁和底板采用鋼襯保護，中孔下游泄槽邊壁設(shè)抗沖耐磨混凝土。

圖3 中孔典型剖面圖

1.3 消力池（見圖4～圖6）

1.3.1 消力池結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)泄洪消能模型試驗綜合比較，確定消力池池長228 m，消力池總寬226 m，由10 m寬的中導(dǎo)墻分隔成兩個對稱的消力池，單池凈寬108 m，消力池底板高程245.00 m，尾坎坎頂高程270.00 m，池內(nèi)靜水水深25 m。消力池左右導(dǎo)墻墻頂高程297.00 m，中導(dǎo)墻頂高程289.00 m。消力池尾坎頂寬7 m，尾坎下游設(shè)置長100 m的混凝土護坦，護坦厚1 m。根據(jù)基巖面出露情況，左消力池坎后護坦頂面高程250.00 m，右消力池坎后護坦頂面高程260.00 m。

1.3.2 消力池廊道及交通

按照設(shè)置獨立抽排系統(tǒng)的要求，沿消力池左導(dǎo)墻、中導(dǎo)墻、右導(dǎo)墻及下游尾坎均設(shè)置帷幕灌漿廊道，與泄水壩段壩趾部位的下游帷幕灌漿廊道一起形成2個封閉的防滲系統(tǒng)，在左右導(dǎo)墻下游段各自設(shè)置集水井和泵房，以進行分區(qū)抽排。

2 泄洪消能建筑物抗沖耐磨材料

圖4 消力池平面布置圖

圖5 消力池底板縱剖面圖

圖6 消力池橫剖面圖

根據(jù)向家壩水電站工程的具體特點，結(jié)合工程類比，泄洪消能建筑物使用的抗沖耐磨材料如下：

泄洪表孔反弧段底板、泄洪中孔鋼襯段以下部位以及泄洪表孔和泄洪中孔之間的隔墻采用強度等級C9055的混凝土；消力池上游段（樁號約為0+240 m）底板采用強度等級C9050的混凝土，左、右導(dǎo)墻和中隔墻上游段（樁號約為0+240 m）迎水面采用強度等級C9055的混凝土；消力池其余部位采用強度等級C9040的混凝土。強度等級C9055、C9050、C9040的抗沖耐磨混凝土未摻加硅粉。

為進一步改善混凝土抗裂和抗沖磨性能，C9055和C9050混凝土摻加PVA纖維。在施工過程中盡量采用三級配常態(tài)混凝土，不適合澆筑三級配常態(tài)混凝土的部位優(yōu)先采用二級配常態(tài)混凝土。

不同強度等級的抗沖耐磨混凝土配合比：C9055的水灰比為0.28～0.3、粉煤灰摻量為25%左右、PVA纖維摻量為0.9 kg/m3；C9050的水灰比為0.3、粉煤灰摻量為25%～30%、PVA纖維摻量為0.9 kg/m3；C9040的水灰比為0.33～0.35、粉煤灰摻量為30%～35%。

3 泄洪消能建筑物的規(guī)模和特點

向家壩泄洪消能具有高水頭、大單寬流量、多泥沙的特點。其主要技術(shù)難點可歸結(jié)為以下三個方面：

（1）典型的高水頭、大單寬泄洪消能

向家壩水電站最大壩高162 m，20年、500年(設(shè)計洪水)和5000年(校核洪水)一遇洪水的最大入庫流量分別為 28 200 m3/s、41 200 m3/s、49 800 m3/s，水庫調(diào)蓄能力小，洪水調(diào)度只能以暢泄為主。泄洪壩段長度受到限制，致使單寬流量增大，消力池最大單寬流量達225 m3/s.m。另外，在各級洪水流量下，上下游水位差達91 m～85 m，最大泄洪功率達40 600 MW。

（2）消能型式受到較多制約

向家壩水電站的泄洪消能型式，因制約因素較多，在選擇上存在較多困難。若采用挑流消能方式，會在大壩下游一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較強的泄洪霧化降雨，而位于向家壩水電站大壩下游約1.7 km、距右岸岸邊僅300 m～400 m距離處的云天化廠區(qū)，對因泄洪產(chǎn)生的霧雨與濕度有很嚴格的要求，因此只能放棄挑流消能方式。另外，向家壩水電站存在下游水位變幅大的特點，且有通航要求，更不宜采用傳統(tǒng)的面流消能方式。因此，只能考慮采用底流消能方案。

另外，對于向家壩水電站而言，還存在壩基深層滑動的地質(zhì)背景，一旦消力池底板遭到破壞，可能會對大壩整體穩(wěn)定造成不利影響，因此，在泄洪消能設(shè)計上應(yīng)給予特別考慮，要確保消力池底板的安全。

（3）泥沙磨損問題

金沙江為多沙河流，向家壩壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量2.47億t，多年平均含沙量1.72 kg/m3，汛期實測最大含沙量49.7 kg/m3。當泄洪水流的含沙量較大時，對泄水道及消力池底板易產(chǎn)生磨損，這也是工程所面臨的的重大問題之一。因此，在泄洪消能設(shè)計方面，應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)過于復(fù)雜的水流流態(tài)，降低消力池臨底流速，以減輕含沙水流對泄水道及消力池底板的磨損。

（4）從運行維護管理的角度來看有以下特點和要求

1）如此大型的底流消能設(shè)施是國內(nèi)外首例，維護管理沒有經(jīng)驗可借鑒和參考；

2）消力池的抽干檢修的排水工作量大，單個消力池的排水量將近61萬m3；

3）金沙江含沙量高，在進行消力池大面積檢修時，清淤清沙的工作量較大；

4）消力池抽干排水及清淤等檢修作業(yè)所需的施工設(shè)備重量和尺寸較大，材料多，設(shè)備、材料的轉(zhuǎn)運通道和場地受布置的限制，給檢修工作帶來了困難。

4 度汛檢修技術(shù)

4.1 消力池度汛期間的檢查

4.1.1 檢查內(nèi)容

由于消力池度汛期間水流不穩(wěn)定，現(xiàn)場檢查條件有限，因此首先要充分利用現(xiàn)場安裝的大壩安全監(jiān)測儀器及設(shè)備提前發(fā)現(xiàn)問題，一旦通過監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷可能有威脅到大壩及消力池安全的問題時，應(yīng)安排汛期的水下檢查進行確認。汛期主要檢查消力池是否出現(xiàn)沖坑及沖坑的位置、形態(tài)、深度和范圍，以此來判斷破壞是否對大壩穩(wěn)定構(gòu)成安全隱患。

4.1.2 檢查手段及比較

汛期檢查時間較短，且下游水位高于尾坎高程270 m，單池面積228 m×108 m，檢查期間池內(nèi)可能存在淤積，最大作業(yè)水深超過25 m。汛期檢查沒有條件抽干消力池內(nèi)的水，只能進行水下檢查。目前常用的水下檢查方法有潛水員檢查、水下電視檢查、水下遙控潛水器檢查、小型載人潛水艇檢查、水下氣壓沉柜檢查及多模式淺地層剖面測量檢查等。

汛期水下檢查優(yōu)先選擇管供式空氣潛水進行近觀目視、探摸和水下攝像檢查同步進行的水下檢查工藝。

4.2 度汛搶修

4.2.1 搶修內(nèi)容

度汛期間搶修，主要指對消力池內(nèi)出現(xiàn)危及大壩安全的沖坑及其它隱患部位進行臨時搶修。

4.2.2 度汛搶修手段及比較

（1）拋石法

拋石法是指通過機械或人工，按一定的粒徑和質(zhì)量要求，拋投塊石、卵石等人工或天然石料，在指定區(qū)域堆砌成形，對消力池水下部分進行防護，以保護消力池底板免受水流淘刷破壞，起到穩(wěn)定底板的目的。拋石法具有就地取材、施工簡單、費用低廉等優(yōu)點，但大量大體積的石塊來源不易獲得，石料運輸困難,且拋石整體性差、抗沖能力差，過流面平整度差。

（2）鉸鏈混凝土沉排法

鉸鏈混凝土是指用鋼鉸鏈將預(yù)制混凝土塊連接，形成柔性排體，既可消能防沖，又可最大限度地適應(yīng)變形，從而達到防護的目的。

（3）模袋混凝土法

土工模袋是由上下兩層土工織物支撐的大面積連續(xù)袋狀材料，模袋內(nèi)充填混凝土或水泥砂漿，充填料凝固后即形成防護體模袋混凝土護坡。模袋混凝土防護技術(shù)具有地形適應(yīng)性強、整體性好、抗沖刷能力強、施工快捷、經(jīng)久耐用、價格合理、可以水下施工等優(yōu)點，防沖效果較好；最大的困難是在水深流急情況下的施工，包括施工機械、沖灌及沉放工藝等，施工難度較大。

（4）水下混凝土

水下混凝土是指在陸地上拌制而在水環(huán)境中灌注和硬化的混凝土，它主要依靠自重和下落時的沖擊作用密實。水下混凝土水下施工性能好，施工方便，適應(yīng)性強，目前廣泛應(yīng)用于已建工程的水下修補。同時，水下混凝土具有灌注過程直觀性差，一些異常情況不能及時發(fā)現(xiàn)和處理、對原材料及拌和物的質(zhì)量要求高、造價偏高等缺點。

4.2.3 結(jié)合以往的施工經(jīng)驗及本工程的的實際情況，如果時間容許，建議首選水下不分散混凝土（NDC）與水下聚合物混凝土（PBM）相結(jié)合的施工方案，主要采用NDC水下不分散混凝土充填消力池底板出現(xiàn)的沖蝕坑；在損壞面積不大的部位（氣蝕部位）采用PBM水下聚合物混凝土進行修補。如果時間很短，建議采用拋石法、鉸鏈混凝土沉排法或模袋混凝土法。也可在采用上述方法后，再在表面施工自流平水下抗沖耐磨環(huán)氧混凝土進行保護和使表面平整。

5 結(jié)語

（1）向家壩電站防洪庫容僅9億m3，對泄洪消能設(shè)施運行的可靠性要求很高，中孔和表孔的液壓啟閉機設(shè)備均采用一機一泵站布置，對機電設(shè)備維護管理的要求嚴格。

（2）由于向家壩電站泄洪消能的特點，消力池汛期遭到破壞是可能發(fā)生的，做好搶修技術(shù)的研究是必要的。

（3）消力池的汛期搶修是應(yīng)急處置，只有破壞對大壩穩(wěn)定和消力池的運用構(gòu)成安全危害時才采用，一般性缺陷可在汛后進行修復(fù)。

（4）消力池汛期搶修是保護性的修復(fù)措施，主要是防止破壞擴大和使消力池能在汛期繼續(xù)運用，因此修復(fù)后的運用中應(yīng)有控制措施，防止二次破壞；且汛后應(yīng)分析破壞原因并將消力池水排干后進行徹底的修復(fù)。

（5）消力池的水下檢查應(yīng)根據(jù)出庫流量、下游水位、池內(nèi)淤積、池內(nèi)水流態(tài)的不同情況采用適宜的方法。

（6）消力池的搶修也可采用文中所述的幾種方法結(jié)合的方式，發(fā)揮各方法的優(yōu)點。

向家壩電站泄洪消能設(shè)施的這些特點和要求也給向家壩電站消力池維護管理帶來了新的要求和挑戰(zhàn)，為此我們應(yīng)制定嚴格的管理制度和維護管理方案來應(yīng)對這些問題。

[1]張永濤.向家壩水電站泄洪建筑物設(shè)計，宜昌：中國三峽建設(shè)，2008，5-15.

[2]向家壩水力發(fā)電廠、中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所.向家壩水電站消力池搶修及檢修技術(shù)研究報告，012,8-9.