烏弄龍水電站下游圍堰防沖墻布置研究

萬 明 棟， 吳 俊 麗， 崔 景 濤

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650000)

1 概 述

烏弄龍水電站下游圍堰導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選用20 a重現(xiàn)期洪水，相應(yīng)洪水流量為5 900 m3/s(全年)。下游圍堰堰頂高程1 828 m，頂寬10 m，迎水側(cè)和背水側(cè)坡比均為1∶1.75，圍堰最大高度為21 m，堰體水下采用C20混凝土防滲墻(80 cm厚)防滲，水上采用復(fù)合土工膜直心墻，圍堰水上部分堰體由碾壓石渣料、過渡料Ⅰ、過渡料Ⅱ和干砌塊石護(hù)坡、鋼筋籠等材料組成，圍堰堰體迎水面保護(hù)體系采用水平厚度為5 m的大塊石和鋼筋石籠(圖1)。

圖1 下游圍堰典型剖面圖

受該工程短導(dǎo)流洞方案制約，下游圍堰迎水面坡腳距導(dǎo)流洞出口導(dǎo)墻邊線距離不足20 m。經(jīng)導(dǎo)流模型試驗(yàn)驗(yàn)證，在20 a一遇流量5 900 m3/s時(shí)，導(dǎo)流洞出口沖坑較深、達(dá)10.9 m，沖坑地表直徑約45 m，地面1 807 m等高線距下游圍堰堰腳距離約8 m。

根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，模型試驗(yàn)中的導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑位置大致可以固定，一般不會(huì)變化，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往與實(shí)際情況存在較大差異，如果導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑底部增大到河床基巖頂板線，則沖坑地表直徑擴(kuò)大到約60 m；若沖坑中心距下游圍堰堰腳距離約60 m不變，則沖坑上緣(1 805 m等高線)抵近下游圍堰堰腳，1 807 m等高線距下游圍堰堰腳距離約為-5 m(即沖坑已到下游圍堰堰腳里側(cè)約5 m)，說明導(dǎo)流洞出口明渠末端水流沖刷范圍已經(jīng)影響到下游圍堰堰腳的穩(wěn)定。因此，為確保施工期圍堰安全，研究其下游圍堰設(shè)置防沖墻就顯得尤為重要。

2 下游圍堰防沖墻設(shè)置研究

結(jié)合上述論述，本次研究假定導(dǎo)流洞出口沖坑擴(kuò)大到下游圍堰堰腳里側(cè)約5 m。按工況1(圍堰設(shè)計(jì)水位1 825.94 m高程計(jì)，基坑無水)和工況2(擋水邊坡水位驟降：高程1 825.94～1 807 m，基坑無水)分別進(jìn)行不設(shè)防沖墻和設(shè)置防沖墻的下游圍堰穩(wěn)定驗(yàn)算。

烏弄龍水電站下游圍堰邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見表1。

(1)不設(shè)防沖墻的穩(wěn)定驗(yàn)算。

下游圍堰邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型見圖2。

計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)遇到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，按圍堰設(shè)計(jì)水位1 825.94 m高程計(jì)，即為計(jì)算工況1時(shí)，圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.948，小于控制標(biāo)準(zhǔn)1.2；當(dāng)遇到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水位驟降，即為計(jì)算工況2時(shí)，圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.932，小于控制標(biāo)準(zhǔn)1.1，下游圍堰邊坡不滿足穩(wěn)定要求。

通過穩(wěn)定驗(yàn)算得知：當(dāng)導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑直徑達(dá)到60 m時(shí)，即沖坑假定擴(kuò)大到下游圍堰堰腳里側(cè)約5 m時(shí)，則下游圍堰下游坡的穩(wěn)定不滿足要求，下游圍堰邊坡須設(shè)防沖墻進(jìn)行保護(hù)。

表1 烏弄龍水電站下游圍堰邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

圖2 下游圍堰邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型示意圖

(2)設(shè)置防沖墻后的穩(wěn)定驗(yàn)算。計(jì)算模型同上。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，圍堰設(shè)計(jì)水位按1 825.94 m高程計(jì)，即為計(jì)算工況1時(shí)，圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.477，大于控制標(biāo)準(zhǔn)1.2；當(dāng)遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水位驟降，即為計(jì)算工況2時(shí)，圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.162，大于控制標(biāo)準(zhǔn)1.1，故下游圍堰邊坡滿足穩(wěn)定要求。通過穩(wěn)定驗(yàn)算得知：導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑直徑既使達(dá)到60 m時(shí)、在下游圍堰迎水側(cè)邊坡設(shè)防沖墻后，圍堰迎水側(cè)邊坡保持穩(wěn)定。

3 下游圍堰防沖墻的設(shè)計(jì)

3.1 防沖墻布置

結(jié)合下游圍堰結(jié)構(gòu)特性及計(jì)算模型，烏弄龍水電站下游圍堰防沖墻布置于距防滲墻下游28 m處，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防沖墻右端頭與堰基防滲墻混凝土相接，左端頭與導(dǎo)流洞出口右導(dǎo)墻相接，頂高程為1 819 m并穿過堰體和覆蓋層，深入基巖1 m，厚度為80 cm。

3.2 防沖墻穩(wěn)定驗(yàn)算

假定防沖墻后堰體沿圖3示意沖毀，則防沖墻存在側(cè)向穩(wěn)定問題。在下游圍堰軸線下游設(shè)置鋼筋混凝土防沖墻，防沖墻深度約28 m，厚度為80 cm，鋼筋混凝土防沖墻深入基巖1 m，深入覆蓋層22 m，露出覆蓋層9 m。按固定在覆蓋層內(nèi)懸臂梁計(jì)算,假定其下游側(cè)面凌空。計(jì)算結(jié)果表明：最大剪力為83.03 kN、最大彎矩為362.57 kN·m，大于素混凝土抗力要求，經(jīng)配單寬5根、直徑為20 mm的受力鋼筋可滿足防沖墻強(qiáng)度要求。

圖3 假定防沖墻后堰體沖毀示意圖

4 結(jié) 語

近年來，隨著進(jìn)入后水電時(shí)代，高山峽谷水電站開發(fā)比例增大，全年導(dǎo)流的土石圍堰增多，由于地勢原因以及節(jié)約投資，部分工程采用短導(dǎo)流洞方案，導(dǎo)流洞出口與圍堰之間的距離小，不利于圍堰穩(wěn)定。該工程通過在圍堰下游設(shè)置防沖墻，保證了施工期下游圍堰的度汛安全，確保了下游基坑按正常順序施工，取得了良好的效果。