安寧河小三峽水電站樞紐下游沖刷破壞試驗研究

劉 錦，劉少斌，卞 丹，楊朝軍

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

水利工程中，水閘的各類破壞以閘下沖刷破壞所占比例最大，沖刷破壞位置絕大多數(shù)發(fā)生在消力池、下游海漫及兩岸護(hù)坡等部位，消能防沖設(shè)施的破壞有的會危及閘壩安全，甚至?xí)斐砷l壩工程報廢[1]。產(chǎn)生閘下沖刷破壞的原因很多，主要有消能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選擇不當(dāng)、消能設(shè)計條件不合理[2]、平面布置不合理、較差的基礎(chǔ)條件、河床過量采砂造成下游河床下切[3]、汛期樞紐運行調(diào)度、閘門開啟問題、閘門運行管理不當(dāng)、過閘流量加大、河床及下游水位變化[4]、以及躍前斷面水流弗氏數(shù)低產(chǎn)生不穩(wěn)定水躍或波狀水躍使消能不充分，水流擴散不良等問題[5]。

小三峽屬于低水頭水電站樞紐，具有“流量大、弗勞德數(shù)低、消能不充分”等特點，泄水建筑物下游消力池、海漫及岸坡多處遭到?jīng)_刷破壞，直接影響到樞紐的運行安全[6]。本文通過比例尺1∶80的物理模型，對其沖刷破壞原因進(jìn)行全面分析，提出合理可行的基礎(chǔ)修復(fù)方案；對閘門開啟孔口數(shù)量以及開度限制進(jìn)行分析研究，提出合理的閘門調(diào)度方式，為工程現(xiàn)場的搶修加固和安全運行提供了參考依據(jù)。

1 工程概述

小三峽水電站位于四川省攀枝花市米易縣境內(nèi)，安寧河下游河段，電站壩址距下游米易縣城大橋約5.5 km，控制流域面積10 063 km2，控制流域流量59.6億m3。校核標(biāo)準(zhǔn)[7-8]為1000年一遇洪水，對應(yīng)流量為5 470 m3/s，閘前水位1 103.60 m、下游水位1 094.60 m；設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，對應(yīng)流量3 580 m3/s，閘前水位1 099.40 m、下游水位1 093.34 m；消力池設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水，流量3 330 m3/s。工程發(fā)電運行時，閘前正常蓄水位為1 103.00 m。

1.1 樞紐布置

小三峽水電站工程樞紐為河床式廠房的布置型式，首部樞紐從左到右由左副壩段、廠房壩段、泄洪沖沙閘段和右副壩段組成(見圖1)。主河槽采用全閘方案，攔河閘主要以4孔泄洪閘和2孔沖沙閘組成，全長86.0 m。泄洪閘段長64.5 m，閘頂高程1 105.00 m，底板高程1 089.00 m，閘孔凈寬12.0 m。沖沙閘段長21.5 m，底板高程1 086.00 m，閘孔凈寬7.0 m。泄洪閘和沖沙閘的閘室沿河流方向長30.0 m，上游設(shè)10.0 m長防沖鋪蓋，下游設(shè)50.0 m長消力池，后接35.0 m海漫，海漫末端設(shè)寬18.0 m、深5.0 m的防沖槽。

圖1 樞紐平面布置實景

1.2 水庫運行方式

小三峽水電站進(jìn)行日內(nèi)調(diào)節(jié)，平、枯期水庫水位在正常蓄水位1 103.00 m和死水位1 102.00 m之間消落。當(dāng)河流來流量小于裝機引用流量262.80 m3/s的枯、平水時期，水庫能發(fā)揮日調(diào)節(jié)作用；當(dāng)河流來水量大于或等于裝機引用流量時，水庫的日調(diào)節(jié)作用即不存在，利用滿足發(fā)電后的棄水排泄水庫泥沙，保證水庫的調(diào)節(jié)庫容；同時采取其它工程措施以保證水庫廠房進(jìn)水口前“門前清”；當(dāng)來水流量大于或等于900 m3/s時，水庫泄洪、排沙閘全部開啟，采用泄洪拉沙運行來解決庫內(nèi)泥沙淤積問題，以確保本工程不對上一級電站尾水產(chǎn)生回水頂托影響，并保持水庫的調(diào)節(jié)庫容[9]。

目前現(xiàn)場泄水建筑物閘門開啟運行方式為：

(1)Q≤600 m3/s時，沖沙閘關(guān)閉，泄洪閘任意開啟1孔，庫水位1 102.50～1 103.00 m；

(2) 600 m3/s

(3) 900 m3/s

(4)Q>1 300 m3/s時，泄洪閘和沖沙閘所有閘門全開，庫水位1 097.00～1 103.60 m。

2 模型設(shè)計

依據(jù)DL/T 5244-2010《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗規(guī)程》[10]，根據(jù)試驗要求、原型水流特性結(jié)合試驗場地等條件,確定模型幾何比尺為λL=80，相應(yīng)的其它水力要素比尺為：

壓力比尺：λP=λL=80

模型上游模擬至壩軸線以上300 m，可以滿足水流相似要求。下游河道消能區(qū)位于壩下150 m范圍，接著是150 m左右的水流調(diào)整區(qū)，因此擬定模型下游至壩軸線500 m以下，可滿足試驗要求[11-12]。

3 下游河道沖淤地形

圖2 2020年多波束探測成果

根據(jù)業(yè)主提供現(xiàn)場檢測的2020年多波束檢測成果(見圖2)可以直觀看出泄水建筑物的消力池下游海漫幾乎完全破壞、下游河道右岸護(hù)堤基礎(chǔ)被掏空破壞嚴(yán)重、沖沙閘消力池下游左側(cè)邊墻坍塌、沖沙閘右邊墻下游河床沖刷坑較深，最大沖坑深度超過10.0 m。為了還原工程現(xiàn)場水毀情況、找出破壞原因，試驗分別對原設(shè)計方案消力池下游“無海漫防護(hù)”和“有海漫防護(hù)”2種情況進(jìn)行了部分工況的下游河道沖刷試驗。

根據(jù)1.2節(jié)現(xiàn)場閘門開啟運行方式，試驗選取部分工況(見表1)對原方案的下游河道沖淤情況進(jìn)行研究，下游河道沖刷深度計算以1 086.00 m為基準(zhǔn)。

表1 放水組合

3.1 無海漫防護(hù)

(1) 大流量—泄洪閘、沖沙閘全開泄洪

組次①～③：校核洪水、設(shè)計洪水和30年一遇洪水，泄洪閘、沖沙閘全部開啟泄洪，機組關(guān)閉不運行，庫水位分別是1 103.60、1 099.40、1 098.80 m，上下游水位差分別是9.0、6.1、5.9 m。從試驗情況看，校核洪水時，泄洪閘和沖沙閘消力池內(nèi)水流自尾坎處挑起，表面形成微弱漩滾，類似于戽流流態(tài)(見圖3)，尾坎后水面跌落較大，下游河道沖刷范圍較大，沖刷情況嚴(yán)重。設(shè)計洪水和30年一遇洪水時，消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，躍首位于消力池中部，水流未充分摻混即沖出池外，出池水流有明顯的水面跌落，下游河道沖淤范圍仍然較大，沖沙閘下游沖坑最深(見圖4)。

圖3 校核洪水、下游流態(tài)

(2) 泄洪閘泄洪

組次④⑤：10年一遇洪水時，不管是泄洪閘2孔全開還是泄洪閘4孔局開，沖沙閘關(guān)閉，庫水位1 103.00 m，下游水位1 092.10 m，消力池出池水流均發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，尾坎處水面跌落較大，下游河道沖刷范圍較大，沖刷情況比較嚴(yán)重。組次⑥：當(dāng)樞紐下泄流量900 m3/s時，庫水位1 103.00 m，下游水位1 090.00 m，機組運行發(fā)電，沖沙閘不參與泄洪。該工況泄洪閘2孔局開3.85 m，由于上下游水頭差13.0 m，加之下游水位較低，出閘水流在消力池內(nèi)形成不完全水躍，尾坎后有明顯的水面跌落，消力池尾坎下游形成較大范圍的沖刷坑，尾坎下游和右岸護(hù)堤基礎(chǔ)大范圍被淘刷。

圖4 30年洪水、沖淤地形

(3) 小流量—泄洪閘、沖沙閘全開泄洪

組次⑦：當(dāng)樞紐下泄流量900 m3/s，下游水位1 090.00 m，機組關(guān)閉，泄洪閘和沖沙閘全開泄洪時庫水位為1 093.00 m。該工況上下游水頭差僅3.0 m，消力池內(nèi)形成淹沒水躍，出池水流與下游水位平順銜接，雖然沒有防護(hù)，但是泄洪閘下游河道基本沒有形成沖刷，沖沙閘下游海漫流速在3.0～4.0 m/s之間，下游河道最低沖坑高程1 076.60 m，最大淤積高程1 084.20 m。

3.2 海漫防護(hù)后

從3.1節(jié)試驗結(jié)果可以看出，在機組運行發(fā)電、上下游水位差較大時，下游河道局部沖刷最為嚴(yán)重，因此本節(jié)主要選取組次⑥～⑧進(jìn)行試驗。試驗采用2.0 cm×2.0 cm×5.0 cm(長×寬×高)、重量為45.0 g左右的水泥塊對鋼筋籠海漫進(jìn)行模擬，防護(hù)范圍為消力池尾坎下游50.0 m，鋪設(shè)一層。

(1) 組次⑥：下游河道未形成沖淤時，泄洪閘2孔出流在消力池內(nèi)匯合后向右偏轉(zhuǎn)，下游河道右岸護(hù)坡部分防護(hù)最先被沖毀，待消力池尾坎下游沖坑形成后，出流匯合后直接沖出消力池，此時，下游海漫逐漸被沖毀，破壞的水泥塊散落在沖刷范圍內(nèi)。該工況消力池內(nèi)主流流速6.0～7.0 m/s，下游河道主流最大流速4.0～5.0 m/s，下游河道其余部位平均流速小于2.0 m/s。消力池尾坎下游50.0 m長的海漫防護(hù)都被沖壞，形成較深的沖刷坑，沖坑最低點高程1 075.70 m，沖刷深度10.3 m，尾坎末端最低沖刷高程1 078.50 m，沖刷深度7.5 m，下游河道最大淤積高程1 087.80 m(見圖5)。

圖5 海漫防護(hù)、組次⑥、沖刷形態(tài)

(2) 組次⑧：當(dāng)樞紐下泄流量900 m3/s時，庫水位1 103.00 m，機組關(guān)閉，沖沙閘局開。該工況上下游水位差13.0 m，消力池主流流速12.8～14.3 m/s，尾坎末端至壩下0+300.00 m范圍河道主流流速均超過4.0 m/s，大于下游河道覆蓋層抗沖流速，因此主流流經(jīng)河道范圍沖刷較為嚴(yán)重。該工況沖沙閘的下游河道淤積范圍較大，消力池下游海漫全部塌落，下游沖坑最低點高程1 072.40 m，沖刷深度13.6 m，最大淤積高程1 088.20 m(見圖6)。

圖6 海漫防護(hù)、沖沙閘沖刷形態(tài)

3.3 水毀現(xiàn)狀原因分析

(1) 沖沙閘消力池內(nèi)消能不充分，加上尾水右側(cè)導(dǎo)墻與泄水建筑物邊墻連接處結(jié)構(gòu)型式存在突變，使消力池出池水流在此形成繞流、流態(tài)紊亂[13]，導(dǎo)致消力池尾坎下游形成較深的沖刷坑，而該沖坑是引起沖沙閘左側(cè)擋墻倒塌的直接原因。

(2) 機組運行發(fā)電時，泄洪閘部分孔口局開，上下游水頭差大于10.0 m，閘后為流態(tài)復(fù)雜的三元水流，主流出閘后經(jīng)兩側(cè)靜水?dāng)D壓產(chǎn)生水躍，隨后在消力池后發(fā)生擴散繼而在海漫上形成二次水躍，導(dǎo)致下游河道形成較大范圍的沖刷坑[14]。因此，判斷“機組運行發(fā)電、泄洪閘部分孔口開啟”是導(dǎo)致下游河道形成沖刷的主要工況。

(3) 若機組運行發(fā)電、泄洪閘1孔或者2孔局開泄洪，不對稱或者集中的閘門開啟運行方式，其出池水流易形成偏流，流向會隨著下游沖坑形成等因素發(fā)生改變，也可能對右岸護(hù)堤基礎(chǔ)或海漫基礎(chǔ)形成直接淘刷。

4 修復(fù)方案試驗

4.1 修復(fù)思路

從原方案試驗可以看出，本工程泄洪閘和沖沙閘消力池深度(1.5 m)不足，直接導(dǎo)致泄水建筑物下泄水流難以在消力池內(nèi)形成完整的水躍，從而消能率較低，出池水流能量較大，下游河道沖刷破壞嚴(yán)重。試驗將消力池尾坎加高1.0 m，在泄洪閘和沖沙閘消力池內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的消力墩后，當(dāng)?shù)退贿\行時，消力池內(nèi)能夠形成水躍，消能率有所提高；當(dāng)高水位時，即使泄水建筑物多孔、小開度開啟，消力池內(nèi)消能效果仍較差，下游河道還是會造成嚴(yán)重沖刷。

從修復(fù)方案的試驗結(jié)果看，將下游河床回填至原高程，通過調(diào)整消力池尾坎高度和增加消力墩，可以起到一定“提高消力池消能率、減輕下河道沖刷”的效果，但不能解決根本問題。考慮到本工程已建成運行，現(xiàn)場不管是尾坎加高還是增加消能墩均存在新舊混凝土的銜接等問題，不僅施工技術(shù)要求高，而且后期破壞概率較大，因此試驗改變思路，計劃從“基礎(chǔ)防護(hù)修復(fù)”上著手，選擇有效的基礎(chǔ)防護(hù)來確保工程后期的安全運行。

4.2 基礎(chǔ)防護(hù)修復(fù)方案

“基礎(chǔ)防護(hù)修復(fù)”即在水毀現(xiàn)場基礎(chǔ)上直接對剩余海漫和右岸護(hù)堤基礎(chǔ)采用鋼筋籠防護(hù)。

(1) 海漫基礎(chǔ)防護(hù)

首先，試驗選用單個長、寬、高為1.5 cm×1.5 cm×3 cm(原型尺寸1.2 m×1.2 m×2.4 m)的水泥塊堆砌來模擬鋼筋籠，先對剩余海漫(寬度約60.0 m)和右岸護(hù)堤基礎(chǔ)淘刷部分進(jìn)行填補，然后鋪設(shè)一定體積水泥塊模擬鋼筋籠海漫防護(hù)。試驗選取組次⑥(泄洪閘2孔局開)和組次⑧(沖沙閘2孔局開)進(jìn)行方案對比，下游河道地形按照水毀現(xiàn)場沖坑情況模擬，各防護(hù)方案及試驗結(jié)果如下。

防護(hù)方案1：海漫末端鋪設(shè) “高度和長度均為6.0 m、下游坡坡度1∶1”的三角形防護(hù)體。試驗放水發(fā)現(xiàn)，泄洪閘中間2孔局開時，消力池水流向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，海漫左側(cè)基礎(chǔ)防護(hù)塊全部被沖走，右側(cè)基礎(chǔ)防護(hù)水泥塊全部塌落散開；泄洪閘2孔間隔開啟時，雖然出流分散，但是水流所經(jīng)之處的水泥塊防護(hù)也被沖散塌落。

防護(hù)方案2：海漫末端鋪設(shè)“高度4.0 m、長度8.0 m、下游坡坡度1∶2”的三角形防護(hù)體。泄洪閘2孔(3號和5號、4號和6號、3號和6號)間隔開啟，海漫末端水泥塊基本沒有遭到破壞，防護(hù)效果較好；2孔(3號和4號、4號和5號、5號和6號)集中開啟時，水流所經(jīng)之處的水泥塊防護(hù)遭到局部破壞；經(jīng)過泄洪閘2孔任意組合(間隔開啟和集中開啟共計6種工況)開啟放水并達(dá)到?jīng)_淤平衡后，最終海漫基礎(chǔ)防護(hù)體表層和下游部分水泥塊被沖塌散落，但最底層防護(hù)塊完好無損；沖沙閘2孔局開時，尾坎基礎(chǔ)防護(hù)未遭到破壞，廠房尾水渠右側(cè)擋墻基礎(chǔ)防護(hù)全部塌落被沖走。

防護(hù)方案3：海漫末端鋪設(shè)“高度6.0 m、長度12.0 m、下游坡坡度1∶2”的三角形防護(hù)體。泄洪閘任意2孔組合，僅海漫末端基礎(chǔ)防護(hù)的表層水泥塊個別沖散，其余部位未遭到破壞；經(jīng)過泄洪閘所有2孔組合(間隔開啟和集中開啟共計6種工況)開啟放水并達(dá)到?jīng)_淤平衡后，下游河道沖坑雖有加深，但海漫基礎(chǔ)防護(hù)的水泥塊仍然完好無損(見圖7)；沖沙閘2孔局開時，尾坎基礎(chǔ)防護(hù)未遭到破壞，廠房尾水渠右擋墻基礎(chǔ)防護(hù)全部塌落被沖走，倒塌的擋墻滑落塌陷至沖坑中心位置。

(2) 右岸護(hù)堤基礎(chǔ)防護(hù)

試驗首先對右岸護(hù)堤基礎(chǔ)淘刷部分進(jìn)行填補，然后在護(hù)堤基礎(chǔ)鋪設(shè)寬度8.0 m防護(hù)體，不管防護(hù)厚度2.5 m還是4.0 m，試驗結(jié)論基本相同：如果泄洪閘3號和5號、3號和6號、4號和6號兩孔間隔開啟，消力池內(nèi)水流相對分散，右岸護(hù)堤基礎(chǔ)沒有沖刷；泄洪閘3號和4號、4號和5號兩孔集中開啟，消力池出流向左偏轉(zhuǎn)，下泄水流不會對右岸護(hù)堤基礎(chǔ)造成沖刷；當(dāng)泄洪閘右側(cè)5號和6號兩孔集中開啟時，出池水流向右偏轉(zhuǎn)，順著右岸護(hù)堤流至下游河道，右岸邊護(hù)堤基礎(chǔ)遭受沖刷。

圖7 6種2孔開啟組合沖淤地形(方案二)

(3) 基礎(chǔ)防護(hù)修復(fù)結(jié)論

當(dāng)機組正常運行時，不管是泄洪閘1孔還是2孔開啟，海漫基礎(chǔ)防護(hù)方案3均能起到有效的保護(hù)作用，但是右岸護(hù)堤基礎(chǔ)防護(hù)不能保證所有閘門開啟運行工況時的防護(hù)安全。

5 建筑物運行方式研究

泄水建筑物下游采用推薦的基礎(chǔ)防護(hù)措施后，基本解決了消力池下游的防護(hù)問題，但是卻不能完全解決“廠房尾水渠右側(cè)擋墻基礎(chǔ)、右岸護(hù)堤基礎(chǔ)和下游河道沖刷”的問題。于是試驗考慮通過“限制運行水位”和“保證消力池內(nèi)形成完整的淹沒水躍”，以期在滿足泄流和發(fā)電的前提下，最大限度減小對下游河床的沖刷。

5.1 各頻率洪水運行情況

試驗對各頻率洪水不同組合時“庫水位變化、消力池內(nèi)水躍情況、下游河道消能效果、形成完整水躍時的開啟孔口數(shù)量以及閘門開度的限制”進(jìn)行了詳盡的研究后，得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)庫區(qū)來流量Q>1 200 m3/s時，首先泄洪閘全開泄洪，當(dāng)庫水位降低后，再全開或者局開沖沙閘，保證沖沙閘消力池內(nèi)可形成完整的淹沒式水躍，出池水流經(jīng)過消能后進(jìn)入下游河道，與下游水位可以平順銜接，可有效避免下游河道造成嚴(yán)重沖刷；若開啟孔少于4孔，庫水位升高會導(dǎo)致沖沙閘下游的完整水躍轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，對下游造成嚴(yán)重淘刷，所以此流量范圍應(yīng)保證泄洪閘4孔全開。

(2) 當(dāng)庫區(qū)來流量Q=1 200 m3/s時，泄洪閘4孔全開，沖沙閘關(guān)閉，消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍。

(3) 當(dāng)庫區(qū)來流量Q<1 200 m3/s時，庫水位維持在1 102.00～1 103.00 m，下游河道水位分別是1 088.50(Q=350 m3/s)～1 089.50 m(Q=700 m3/s)，泄洪閘局開開度不超過2.0 m時、泄洪閘下游消力池內(nèi)可形成完整水躍。

(4) 庫水位維持在1 102.00～1 103.00 m，下游河道水位分別是1 088.00 m(Q=220 m3/s)、1 089.50 m(Q=700 m3/s)和1 090.40 m(Q=1 200 m3/s)，對應(yīng)沖沙閘局開開度小于或等于1.0、1.5、2.0 m時，沖沙閘下游消力池內(nèi)可形成完整水躍。

5.2 閘門運行方式建議

試驗觀察知，若泄水建筑物閘門保持小開度、均勻、對稱開啟，將閘下水躍控制在閘室和閘室末端，此時水躍強度弱，水流在消力池內(nèi)形成漩渦，閘孔出流得以充分?jǐn)U散、平順流入下游河道，此時消能效果較好。結(jié)合本工程各頻率洪水運行情況，建議閘門調(diào)度運行方式如下：

(1) 沖沙閘高水位局開運行時進(jìn)口流速很小，難以起到拉沙效果。建議當(dāng)下泄流量小于或等于1 000 m3/s時，沖沙閘關(guān)閉不參與泄洪，僅泄洪閘局開運行，庫水位1 102.00～1 103.00 m。泄量小于250 m3/s時，泄洪閘1孔運行，開度不超過2.0 m；泄量250 ～500 m3/s時，泄洪閘2孔局開運行，開度不超過2.0 m，并應(yīng)避免5號和6號孔聯(lián)合開啟；泄量500 ～750 m3/s時，泄洪閘3孔局開運行，開度不超過2.0 m，可任意組合開啟；泄量750～1 000 m3/s時，泄洪閘4孔局開運行，開度不超過2.0 m。

(2) 來流量大于1 000 m3/s 且不超過1 200 m3/s時，庫水位仍維持在1 102.00～1 103.00 m，泄洪閘和沖沙閘全部局開運行，開度不超過2.0 m，以保證消力池內(nèi)形成完整水躍。

(3) 來流量大于1 200 m3/s且不超過10年一遇洪水流量2 560 m3/s時，泄洪閘和沖沙閘全部打開，開啟順序為：泄洪閘所有閘門全部打開，待水位降低并穩(wěn)定后，再打開沖沙閘拉沙，庫水位1 093.60～1 097.10 m。

(4) 來流量大于2 560 m3/s且不超過20年一遇洪水流量3 000 m3/s時，泄洪閘所有閘門全部打開，待水位降低并穩(wěn)定后，再將沖沙閘局開運行，開度不超過8.0 m，庫水位1 097.10m～1 098.20 m。

(5) 來流量大于3 000 m3/s且不超過設(shè)計洪水流量3 580 m3/s時，泄洪閘所有閘門全部打開，待水位降低并穩(wěn)定后，再將沖沙閘局開運行，開度不超過6.0 m，庫水位1 098.20～1 100.70 m。

(6) 來流量大于設(shè)計洪水流量3 580 m3/s時，泄洪閘及沖沙閘所有閘門全部打開運行。

6 結(jié) 語

造成水閘工程下游消能防沖設(shè)施破壞形成的原因都是多方面的，比如設(shè)計、施工、運行管理等方面。任何一個工程都具有自身的特點和運行限制，采用的消能工不可能適應(yīng)各級水位～流量組合和所有閘門開啟運行方式。要保證局部破壞工程后期的安全運行，需同時做好兩方面工作：一是根據(jù)具體破壞原因采取有效防治措施，及時對消能防沖設(shè)施暴露缺陷進(jìn)行搶修加固；二是制定合理的閘門操作制度，嚴(yán)格按調(diào)度運行規(guī)程啟閉閘門，最大限度的保證擋水建筑物的安全運行。