卡基娃水電站導流洞出口消能研究

涂小飛，魏麗琴

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川省成都市 610072）

0 引言

卡基娃水電站位于四川省木里縣唐央鄉(xiāng)，是木里河干流（上通壩—阿布地）河段“一庫六級”開發(fā)方案中的第二級水電站。電站樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、放空洞、1號泄洪洞、2號泄洪洞和引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成；攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高171m，總庫容3.745億m3，電站裝機容量440MW。本電站樞紐工程為二等大（2）型工程，攔河大壩提高一級，為1級建筑物。工程施工采用斷流圍堰、隧洞泄流、大壩基坑全年施工的導流方式。

在導流洞設計過程中，出口的布置受到下游卡基娃滑坡影響，方案遲遲難于確定。卡基娃滑坡位于木里河左岸，距壩軸線下游約500m，總方量約3723萬m3，屬于基巖滑坡，在天然狀態(tài)下整體處于穩(wěn)定，前緣局部活動。因此，如何合理設計導流洞出口消能設施，減小導流洞出口水流對卡基娃滑坡坡腳、下游河床及兩岸的沖刷是導流洞設計中極為關鍵的問題。本文針對該導流洞出口的消能設計研究過程進行簡要介紹，并對設計方案進行了水工模型試驗分析驗證。通過在導流洞運行不同工況下，出口水流對下游河床特別是滑坡體坡腳沖刷情況模擬，提出出口體形合理的設計方案。

1 導流洞出口方案設計

在導流洞布置設計過程中，由于壩區(qū)右岸上游有一則窩溝支溝，溝口上陡、下游平緩地帶為深厚覆蓋層覆蓋，若導流洞布置在右岸，導流洞洞線只有穿過地面高程2760.0m以上區(qū)域，導流洞洞線長度增加約70m，且與泄洪洞干擾；為盡量縮短導流洞洞身軸線長度，選擇將導流洞布置在左岸卡基娃滑坡影響范圍內(nèi)，對下游岸坡穩(wěn)定較為不利；若出口避開卡基娃滑坡范圍布置，則導流洞洞身長度增加約250m，且引水系統(tǒng)、2號泄洪洞均布設于右岸，施工干擾較大。因此，確定導流洞布置在左岸，但需研究出口水流對左岸卡基娃滑坡的影響。

在導流洞出口設計方案研究過程中，設計人員通過對出口河床條件（包括河床寬度、深度，河床覆蓋層構成等）分析，同時采用導流模型試驗研究比選了導流洞出口水流與河床夾角、出口底板高程、出口是否設置消力坎以及在不影響出流情況下的消力坎合理高度、出口河床擴挖對消能的敏感性分析等。最終通過各種工況組合，選擇在導流洞出口布置1.5m高消力坎，右岸開挖至2692.0m高程的經(jīng)濟合理方案。

2 模型試驗驗證

根據(jù)模型試驗任務要求，模型按重力相似準則設計，選用幾何比尺為1：60，上游為定床，下游河床樁號0+300～0+600范圍做成局部動床，動床深度約20m，相應的其他物理量比尺如下：

流速/時間比尺：7.745；

流量比尺：27 885；

糙率比尺：1.979。

本階段，為進一步研究導流洞出口水流對卡基娃滑坡體的影響，選擇安全可靠的導流洞出口消能措施，設計進行了以下三種工況的模型試驗驗證：

（1）工況1：河床按v=3m/s抗沖流速模擬，溜滑體增加防護。

（2）工況2：河床按v=5m/s抗沖流速模擬，溜滑體增加防護。

（3）工況3：河床按v=5m/s抗沖流速模擬，溜滑體無防護。

在設計流量Q=973m3/s時，三種工況下導流洞出口的水流流態(tài)、岸邊流速、下游沖刷、下游河道岸邊水面線的比較分析如下：

2.1 下游水流流態(tài)比較

（1）工況1：導流洞出口處布置1.5m消力坎，水流流態(tài)見圖1。消力坎把導流洞出口水流向上挑起，然后直沖河床底部，導流洞河床出口形成類似“水墊塘”的深坑，水流經(jīng)“水墊塘”后均勻平順流向下游與原河道平順連接。下游圍堰與導流洞出口間存在回流，回流范圍較小。

（2）工況2：導流洞出口處布置1.5m消力坎，水流流態(tài)見圖2。消力坎把導流洞出口水流向上挑起，然后直沖河床底部，但是由于河床配置5m/s抗沖流速的床沙，形成的沖坑較工況1中3m/s抗沖流速配置時要小和淺，所以水流更靠近河床表面，更沿出洞方向直沖向右岸，經(jīng)“水墊塘”后均勻流向下游與原河道平順連接。

（3）工況3：導流洞出口處布置1.5m消力坎，水流流態(tài)見圖3。流態(tài)與工況2一致。

2.2 下游岸邊流速比較

由于工況2和工況3采用了抗沖流速較大的床沙，下游岸邊流速較工況1明顯增大，但下游圍堰堰面平均流速有所降低。其中，工況2岸邊流速最大，堰面平均流速最低。三種工況下游岸邊流速情況見表1。

表1 三種工況下游岸邊流速Tab.1 Downstream Flow Velocity of the Three Conditions m/s

圖1 工況1水流流態(tài)（a）導流洞出口流態(tài)；（b）導流洞下游流態(tài)；（c）溜滑體處的流態(tài)Fig．1 Flow Pattern of Condition 1（a）flow pattern at the outlet；（b） flow pattern at the downstream ；（c） flow pattern at the landslide

圖2 工況2水流流態(tài)（a）導流洞出口流態(tài)；（b）導流洞下游流態(tài)Fig．2 Flow Pattern of Condition 2（a） flow pattern at the outlet；（b） flow pattern at the downstream

圖3 工況3 水流流態(tài)（a）導流洞出口流態(tài)；（b）導流洞下游流態(tài)Fig．3 Flow Pattern of Condition 3（a） flow pattern at the outlet；（b） flow pattern at the downstream

2.3 下游沖刷比較

（1）工況1：下游覆蓋層粒徑按v=3.0m/s抗沖流速模擬，在溜滑體處布置1.2m厚的大塊石護坡，鋪設范圍從左岸河床底部到高程2700m處。Q=973.0m3/s時，下游河床左岸溜滑體處坡腳基本沒有發(fā)生沖刷。由于右岸開挖平臺高程到2692.0m，整個河道坡降變緩，河床從樁號0+425m向下游基本沒有發(fā)生沖刷。沖坑最低點高程為2683.53m，最大沖刷深度為11.47m，位于導流洞出口處。工況1下游沖刷情況見圖4。

（2）工況2：下游覆蓋層粒徑在出口下游水流斜沖的位置按v=5.0m/s抗沖流速模擬，其余部位仍然按v=3m/s抗沖流速模擬。溜滑體處布置1.2m厚大塊石護坡，鋪設范圍從左岸河床底部到高程2700m處。Q=973.0m3/s時，不同斷面的沖刷后形態(tài)以及下游沖刷形態(tài)與工況1基本相同，下游河床左岸溜滑體處坡腳基本沒有發(fā)生沖刷。沖坑最低點高程為2686.23m，最大沖刷深度為8.77m，位于導流洞出口處。工況2下游沖刷情況見圖5。

（3）工況3：下游覆蓋層粒徑在出口下游水流斜沖的位置按v=5.0m/s抗沖流速模擬，其余部位仍然按v=3m/s抗沖流速模擬，在溜滑體處不布置大塊石護坡。Q＝973.0m3/s時，不同斷面的沖刷后形態(tài)以及下游沖刷形態(tài)與工況1基本相同，但是在溜滑體范圍內(nèi)，由于沒有進行防護，在樁號為0+590.0m～0+621.2m之間31.2m長范圍內(nèi)發(fā)生了局部輕微淘刷，淘刷的平均深度為1.8m，河床最大沖刷深度約為8.8m，位于導流洞出口處。工況3下游沖刷情況見圖6。

2.4 下游岸邊水面線比較

由于河床開挖使得河床的縱比降降低，因此河道的水面線相對原設計更加平緩。工況1下游圍堰堰面最高水位、涌浪高度及河道最高水位最大。工況3下游圍堰堰面最高水位與工況1相同，涌浪高度及河道最高水位次之，工況2最小。三種工況下游水位見表2，下游岸邊水面線比較見圖7。

表2 三種工況下游水位Tab.2 Downstream Water Lever of Three Conditions m

圖4 工況1下游沖刷情況（a）沖坑形態(tài)；（b）下游沖坑形態(tài)；（c）下游溜滑體形態(tài)Fig．4 Scour at the downstream of Condition 1（a）shape of the scour pit；（b） shape of the downstream scour pit；（c） shape of the landslide

圖5 工況2下游沖刷情況（a）沖坑形態(tài)；（b）下游沖坑形態(tài)；（c）下游溜滑體形態(tài)Fig．5 Scour at the downstream of Condition 2（a）shape of the scour pit；（b） shape of the downstream scour pit；（c） shape of the landslide

圖6 工況3下游沖刷情況（a）沖坑形態(tài)；（b）下游沖坑形態(tài)；（c）下游溜滑體形態(tài)Fig．6 Scour at the downstream of Condition 3（a）shape of the scour pit；（b） shape of the downstream scour pit；（c） shape of the landslide

3 結論

水力學模型試驗能夠驗證水力學計算成果的準確性，為完善、優(yōu)化設計提供科學依據(jù)。在實際設計中，通過在導流洞出口設置消力坎，并通過動床模型試驗不斷調(diào)整出口覆蓋層模擬抗沖流速及溜滑體防護進行驗證，最終確定導流洞出口布置方案采用出口設置1.5m消力坎的型式，并結合右岸泄洪洞出口施工進行右岸提前擴挖消能方案。實際施工中也對卡基娃滑坡體前沿局部采用鋼筋石籠臨時保護，進一步減小導流洞過流對滑坡體坡腳的淘刷。實踐證明，自2011年導流洞過流度汛，一直到導流洞封堵，經(jīng)歷多次洪水考驗，隧洞出口運行狀況良好，未對出口滑坡體造成明顯影響。

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