瀑布溝水電站泄洪消能區(qū)河道岸坡防護設計

張婭琴

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072）

1 工程概況

瀑布溝水電站水庫正常蓄水位850 m，汛期運行限制水位841 m，死水位790 m，消落深度60 m，設計水頭186 m，總庫容53.37億m3，調(diào)節(jié)庫容38.94億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。樞紐總布置為：河床中建礫石土心墻堆石壩，引水發(fā)電建筑物、一條岸邊開敞式溢洪道、一條深孔無壓泄洪洞均布置于左岸，右岸設置一條放空洞。

堆石壩采用設計洪水頻率P=0.2%，重現(xiàn)期500年一遇，相應洪峰流量9 460 m3/s，設計洪水位850.24 m；校核洪水采用可能最大洪水（PMF），相應洪峰流量15 250 m3/s,校核洪水位853.84 m。泄洪建筑物按重現(xiàn)期500年洪水設計、最大可能洪水校核。下游河道及霧化邊坡防護按100年一遇洪水設計。相應入庫洪水流量為8 230 m3/s，控泄出庫流量為7 900（疊加尼日河來流量10 750）m3/s。

100年洪水運行工況泄量分配：溢洪道泄量4 500 m3/s，泄洪洞泄量2 000 m3/s，機組過流1 400 m3/s。

2 泄洪洞布置

泄洪洞布置于左岸，總長2 024.82 m，為無壓洞，出口采用挑流消能。泄洪洞進口底板高程795 m，洞身段采用同一底坡i=0.058，出口挑坎起挑高程為677.89 m，最大泄量3 418 m3/s，挑坎上的最大單寬流量164.5 m3/（s·m），最大泄洪水頭183 m，洞身最大流速約40 m/s，鼻坎頂?shù)淖畲罅魉贋?3.86 m/s。

泄洪洞出口位于瀑布溝溝口上游，出口挑坎形式為扭曲斜切鼻坎，過水面底板寬度由12.0 m變?yōu)榈教艨材┒?4.05 m。反弧半徑96.12 m，挑角30°，出口挑坎起挑高程為677.89 m。挑流水舌沖坑靠近河床左岸。

3 沖刷區(qū)基本地質(zhì)條件

泄洪洞出口沖刷區(qū)河段，水面寬120～140 m，水深6～12 m，河床覆蓋層厚45～63 m；左右岸谷坡均為流紋斑巖，具有良好的抗沖蝕能力，自然邊坡穩(wěn)定性好，但河床漂卵石層及漂塊卵石層抗沖能力較弱。

泄洪洞挑流鼻坎地基巖性為流紋斑巖，地基承載力和抗變形能力滿足設計要求；護坦地基為沖積漂卵石層，結(jié)構(gòu)松散，抗沖能力低，須采取防沖措施，防止溯源沖刷危及護坦。泄洪洞出口下游的大渡河兩岸低線公路以下河岸，覆蓋層由表及里主要為人工堆積、崩坡積及河床沖積層。左岸覆蓋層分布于古崩塌體至尾水出口、泄洪洞出口一帶，其余區(qū)段主要為基巖。

4 沖防護范圍的研究思路

瀑布溝水電站泄洪流量大、泄洪水頭高，泄洪霧化嚴重，挑流消能區(qū)淘刷脈動破壞嚴重，左岸有電站尾水出口、開關(guān)站等建筑物，右岸在740 m高程（路基高程，高于河水面約60 m）有成昆鐵路和尼日車站，在690 m高程（高于河水面約10 m）有至甘洛縣的永久改線公路通過。鑒于省道和成昆鐵路的重要性和防護治理復雜，必須對兩岸河道岸坡及公路的防護范圍和防護措施進行詳細研究，確保泄洪運行不危及成昆鐵路和兩岸公路及岸坡安全。

已建下游河道護岸工程防護設計思路，一般是先沖刷一個汛期，再根據(jù)實際沖刷情況進行防護；或者，首先根據(jù)模型試驗沖刷區(qū)范圍初步確定防護范圍，后期根據(jù)破壞情況再修復。瀑布溝泄洪洞出口對岸岸坡是成昆鐵路的壓腳基礎，不能在泄洪時出現(xiàn)破壞，防護范圍要足夠，防護措施要得當。泄洪洞出口本岸岸坡一旦出現(xiàn)破壞不會立即危及挑流鼻坎和上部開關(guān)站建筑物安全。

出口下游河道岸坡破壞分為水舌落水區(qū)，淘刷區(qū)、泄洪霧化強雨霧區(qū)及淘刷區(qū)外強涌波區(qū)，確定出上述三個區(qū)域范圍后，即可確定防護范圍。根據(jù)泄洪洞出口沖刷模型試驗成果確定淘刷范圍，根據(jù)霧化數(shù)模計算成果確定霧化強雨霧區(qū)，強涌波區(qū)根據(jù)現(xiàn)場地形條件和沖刷模型試驗成果來確定。

4.1 沖刷模型試驗成果

泄洪洞單體水工模型試驗表明：下游河道中水流受挑射水流的影響，兩側(cè)均形成一定的回流。設計洪水時，左側(cè)岸邊水流回流流速為6.91 m/s，右側(cè)回流流速為5.13 m/s。下泄流量為3 029 m3/s流量時，河床最大沖坑深度31.9 m，受回流淘刷，左岸河道覆蓋層坍塌，巖體裸露。右岸較大范圍內(nèi)波浪較大，形成較大爬高，間隙性波浪最大爬高在設計及常年（3 264 m3/s）洪水情況下分別為5.3 m和4.0 m；左岸波浪高于右岸1～2 m。

試驗表明：水舌落于河床后在河道兩側(cè)產(chǎn)生的回流對兩岸覆蓋層淘刷較為嚴重，以及挑流水舌進入河道后產(chǎn)生的主流，對左岸有一定的沖刷作用，需結(jié)合巖基地質(zhì)條件對該段河流的兩岸采取保護措施。

技施階段泄洪洞泄洪霧化控泄標準為2 000 m3/s流量，因此下泄的100年一遇的消能洪水（Q=2 000 m3/s）的沖刷情況，可以參照模型試驗成果。試驗研究成果可以作為河岸及邊坡防護的依據(jù)之一。

根據(jù)泄洪洞霧化數(shù)模計算成果：控泄流量2 000 m3/s時，雨強大于20 mm/h的縱向長度661 m。

5 出口河道岸坡防護設計

5.1 防護范圍確定

兩岸低線公路及岸坡處于泄洪沖刷雨霧區(qū)，根據(jù)該區(qū)域可能產(chǎn)生泥石流的雨強和類比工程實踐，確定對雨強大于20 mm/h、模型試驗沖刷區(qū)及強涌波區(qū)兩岸范圍及低線公路進行防護，以防止泄洪時回流及強濺水對河道岸坡和公路的淘刷、脈動破壞。具體范圍：尾水出口至瀑布溝大橋順河向長865 m。

5.2 防護高程確定

1）右岸公路路面上下游分別按尼日河大橋、瀑布溝大橋橋面高程控制，在滿足100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高的條件下，對公路坡度作相應調(diào)整；

2）左岸防護高程按100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高控制；

3）充分考慮尼日河出現(xiàn)100年一遇洪水，對河岸防護的影響；

因此，右岸防護高程為684.21～690.00 m，左岸防護高程為685.21 m。考慮常年枯水期水位為668 m，貼坡基礎高程確定為668.00 m。

5.3 出口對岸岸坡防護區(qū)的防護設計

泄洪洞出口河道對岸（大渡河右岸）低線公路及岸坡處于沖刷及霧化強降雨范圍，此地層表面為覆蓋層和人工堆積，下層為階地沖積物，均不能承受強降雨和淘刷作用。泄洪洞出口對岸消能區(qū)重點保護段為泄洪霧化強降雨區(qū)和水位變幅巨大波浪淘刷強烈區(qū)域，承擔690.00 m高程以上霧化區(qū)邊坡固腳的作用，同時也是通往甘洛縣的省道，該段河道整治工程設計原則，將公路路基以下覆蓋層挖除后回填混凝土，達到既保護巖面、防止沖刷，又可形成公路路基，外側(cè)采用C30貼坡混凝土面板，厚1.0 m，公路路面厚0.3 m，采用C30混凝土。對于泄洪洞消能區(qū)以外與上下游之間銜接段，泄洪霧化降雨強度和水位變幅波浪淘刷相對較弱，保留該段原路面混凝土結(jié)構(gòu)，對原路面損壞部位進行修復,清除岸坡覆蓋層，采用C25貼坡混凝土面板，厚0.8 m。對岸坡貼坡混凝土進行系統(tǒng)錨筋支護和設置系統(tǒng)排水孔，貼坡面板坐落在貼坡基礎上，基礎尺寸2 m×2 m（寬×高），在基礎外拋投塊石壓腳防沖保護，壓腳高程673 m。

在樞紐泄洪時，該路段必須封閉，車輛繞行。雨季前后，必須進行安全檢查后，才可以重新開放該段公路。

5.4 出口本岸岸坡防護區(qū)的防護設計

為方便泄洪洞枯期檢修，結(jié)合左岸河道岸坡治理，增設下游廠房交通洞口至泄洪洞出口的簡易公路，為減輕對岸740.00 m高程成昆鐵路和尼日車站霧化影響，設計的泄洪洞出口水流在中小流量時有砸本岸現(xiàn)象，因此，在泄洪洞護坦下游消能區(qū)預挖沖坑形成挑流水墊，以減輕對本岸淘刷。檢修公路路基及河床岸坡順河向總長約494 m，路基寬4 m，路面采用C30混凝土，厚30 cm。

公路路基以上邊坡清除覆蓋層至基巖，并采用掛網(wǎng)噴混凝土和錨桿支護，同時布置排水孔。

對水流回流沖刷較強區(qū)域，路基采用C20混凝土澆筑，基礎座落在基巖上，拋塊石護腳，巖質(zhì)岸坡坡面布置錨筋，公路外側(cè)岸坡采用C20貼坡混凝土面板，厚1.0 m進行封閉，岸坡布置排水孔。水流回流沖刷較弱交通洞口區(qū)域，為滿足景觀布置需要，清除部分人工堆渣，局部路基采用砂卵石回填，路基以下岸坡采用C20貼坡混凝土面板，沿岸坡布置排水孔，坡腳座落在緊密的砂卵石層上，拋投塊石壓腳，防止水流直接沖刷，壓腳高程670 m。

樞紐泄洪時，交通洞口至泄洪洞出口護坦段公路必須封閉。

5.5 2010年汛期后修復設計

1）瀑布溝大橋下游200 m左岸為毛頭碼機電物質(zhì)倉庫，其外側(cè)岸坡為覆蓋層邊坡，施工期為鋼筋石籠護坡，在2010年汛期泄洪洞出流期間，因河道水流狀態(tài)發(fā)生變化，被泄洪氵勇波和折沖水流破壞。為保護毛頭碼機電物質(zhì)倉庫安全，對該岸坡重新進行防護處理。對破壞嚴重段采用鋼筋混凝土面板防護段，對岸坡進行系統(tǒng)錨筋支護和布置排水孔，鋼筋混凝土面板基礎外側(cè)采用鋼筋石籠壓腳保護。對破壞不嚴重段采用混凝土覆蓋鋼筋石籠，拆除該段已經(jīng)變形的鋼筋石籠，平整坡面，新碼放鋼筋石籠要與上游混凝土面板和下游鋼筋石籠順接；對新碼鋼筋石籠進行無蓋重水泥灌漿，水泥漿強度等級為M25，在新鋼筋石籠迎水面澆筑一層厚0.3 m的C25混凝土。

2）由于瀑布溝承擔向下游泄放327 m3/s流量的供水任務，2010年汛期瀑布溝電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由泄洪洞局部開啟小流量放水。泄洪洞出口護坦臨河側(cè)部分基礎是覆蓋層，部分覆蓋層出現(xiàn)掏空破壞現(xiàn)象，為防止小流量沖刷護坦危及挑坎基礎，對護坦底部覆蓋層和基巖進行固結(jié)灌漿處理，基巖基礎固結(jié)灌漿參數(shù)：孔徑φ50，孔深8 m，排距2 m；覆蓋層基礎固結(jié)灌漿參數(shù)：孔徑φ50，孔深12 m，排距2 m。對局部掏空部位進行水下C25混凝土回填。

6 結(jié)論

根據(jù)泄洪洞出口對岸成昆鐵路霧化防護重要性，確定霧化及防沖標準和研究防護范圍的方法。該工程通過水工模型試驗、霧化數(shù)模計算、地形條件和工程類比確定的防護范圍和高程，經(jīng)對泄洪洞消能區(qū)兩岸河道邊坡重點部位采取將公路路基及以下覆蓋層挖除后回填混凝土，岸坡采取貼坡混凝土加錨筋與巖面緊密結(jié)合和系統(tǒng)排水等綜合措施后，原河道兩岸岸坡抗沖刷能力大大加強，目前經(jīng)受住2010年汛期控制水庫蓄水期庫水位上升速度泄洪和2011年汛期泄洪的考驗。

左岸消能區(qū)2010年汛期受庫水位上升速度的限制和向下游供水的要求，泄洪洞長期處于小流量運行，水流砸本岸情況嚴重，護坦部分基礎被掏空，經(jīng)修復處理后，經(jīng)受住2011年汛期泄洪考驗。

泄洪洞2010年運行時間長達1 940 h，相當于幾個汛期泄洪時間，2011年又歷經(jīng)整個汛期運行考驗，期間最大泄量達2 550 m3/s，最小泄量為200 m3/s，泄洪洞出口消能區(qū)河道岸坡防護經(jīng)受雨霧和水流淘刷涌波考驗。由于目前防沖護岸設計暫無規(guī)程規(guī)范可依，值得借鑒已成功的工程實例較少，瀑布溝泄洪洞出口消能區(qū)河道護岸的設計經(jīng)驗值得其它類似工程借鑒和參考。