金沙水電站深厚覆蓋層條件下明渠出口動態(tài)防護(hù)措施研究

胡田清 崔金鵬 陳超敏

摘要：為解決金沙水電站導(dǎo)流明渠大流量、高流速及深厚覆蓋層條件下的岸坡沖刷防護(hù)問題，采用物理模型試驗(yàn)方法，模擬研究了不同工況下的導(dǎo)流明渠出口下游河床流速分布及河床沖刷情況，提出了采用合金網(wǎng)石兜、格賓石籠護(hù)腳加鋼絲石籠護(hù)坡的動態(tài)組合防護(hù)方案。經(jīng)過多個汛期的實(shí)踐檢驗(yàn)，防護(hù)措施取得了良好效果，可為類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流明渠出口; 動態(tài)防護(hù)措施; 深厚覆蓋層; 合金網(wǎng)石兜; 模型試驗(yàn); 金沙水電站

中圖法分類號：TV551.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.007

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0028 - 04

0 引 言

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，正常蓄水位1 022 m，電站裝機(jī)容量56萬kW（560 MW），最大壩高66.0 m，多年平均發(fā)電量為21.77億kW·h。金沙壩址河谷開闊，呈不對稱U型，施工采用明渠分期導(dǎo)流方案，共分3期，導(dǎo)流明渠布置于河床右岸[1]。

導(dǎo)流明渠出口下游河道右岸分布一處大型人工堆積體，頂部布置眾多工業(yè)廠房。明渠出口河床基礎(chǔ)為深厚砂礫石和粉細(xì)砂，抗沖能力弱。動床模型試驗(yàn)表明，河床沖坑最大深度達(dá)35.5 m。導(dǎo)流明渠過流期間，高速水流會沖刷下游河床及堆積體前緣，極易導(dǎo)致堆積體變形滑坡，危及堆積體頂部人員、廠房安全，甚至有可能因堆積體垮塌而堵塞河道，威脅下游攀枝花市區(qū)防洪安全。因此，金沙水電站導(dǎo)流明渠出口河道防沖保護(hù)問題嚴(yán)峻，需采取有效措施。

針對導(dǎo)流明渠等泄水建筑物下游河道岸坡的防護(hù)工程，國內(nèi)外進(jìn)行了不少研究和應(yīng)用，如增加泄水建筑物寬度以減小單寬流量和流速、出口設(shè)置消力池等消能工進(jìn)行消能，拋投大塊石、鋼筋石籠、混凝土預(yù)制塊，修建混凝土防掏槽、混凝土抗滑樁等防護(hù)措施[2-5]。但針對金沙水電站導(dǎo)流明渠出口流速大、覆蓋層深厚、抗沖能力差、防護(hù)范圍大、安全風(fēng)險高等特點(diǎn)，上述常規(guī)措施防護(hù)效果有限，或?qū)嵤┢饋硎掷щy。

針對該工程特點(diǎn)，本文通過理論研究和水工模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，重點(diǎn)對導(dǎo)流明渠出口下游河道岸坡的動態(tài)防護(hù)措施進(jìn)行研究。

1 基本情況

金沙水電站導(dǎo)流明渠布置于河床右岸，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為全年20 a一遇洪水，洪峰流量11 400 m3/s，明渠底寬35 m，單寬流量326 m3/（s·m），出口最大平均流速達(dá)12.18 m/s，單寬功率大，居類似工程前列[6]。明渠出口河床覆蓋層厚度為45～55 m，最大約62 m，主要為砂礫石、粉細(xì)砂和粉土組成，抗沖能力較差，實(shí)際抗沖流速小于2 m/s。

明渠出口下游河道右岸分布一處大型人工堆積體，堆積體緊鄰明渠出口，呈圈椅狀臨江分布。堆積體順?biāo)飨蜷L約520 m，橫向?qū)捈s260 m，高差約70 m，頂部布置眾多工業(yè)廠房。堆積體物質(zhì)主要為雜填土及爐渣，體積約290萬m3。該堆積體平面分布如圖1所示。

2 模型試驗(yàn)研究

為了研究導(dǎo)流明渠過流期間出口下游河道沖刷情況，并驗(yàn)證冷軋廠堆積體防沖保護(hù)措施的可靠性，本文開展了動床模型試驗(yàn)。物理模型采用1∶80比尺，模擬了不同工況下的下游河床流速分布、河床沖刷情況，并對不同消能防護(hù)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)流明渠流量越大，明渠出口流速越大，設(shè)計流量為11 400 m3/s時，明渠出口最大流速達(dá)12.18 m/s;出導(dǎo)流明渠后，各斷面主流流速沿程衰減，衰減后主流流速為3.57～9.40 m/s。同時在河床兩岸形成回流，右岸堆積體坡腳處回流流速約2.14～3.11 m/s。設(shè)計流量下導(dǎo)流明渠出口及下游河床流速分布如圖2所示。

為判斷導(dǎo)流明渠下游河道及岸坡沖刷情況，模型采用粒徑D50=0.71 mm的黃砂模擬河床覆蓋層和不同規(guī)格中小石模擬岸坡拋石防護(hù)。在物理模型上分別進(jìn)行了無防護(hù)方案、丁壩方案、消力池消能方案及拋石動態(tài)防護(hù)方案等單個或組合方案的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1） 無防護(hù)方案條件下，下游河道沖刷嚴(yán)重，堆積體坡腳沿線普遍受到?jīng)_刷，最大沖刷深度達(dá)11.3 m，堆積體倒懸嚴(yán)重，無法滿足要求。

（2） 丁壩方案能有效截斷岸邊回流，在一定程度上減輕坡腳的沖刷，右岸坡腳沖刷深度有所減小，但丁壩坡腳處沖刷較深，達(dá)到15.3 m，自身穩(wěn)定無法滿足要求。

（3） 明渠出口設(shè)深5 m、長60 m的消力池消能，由于明渠內(nèi)入池的弗氏數(shù)Fr較低，消力池效能效率不高且代價較大，作用不明顯。

（4） 由于明渠出口河道左岸岸坡地質(zhì)條件較好，調(diào)整導(dǎo)流明渠出流角度與下游河床夾角約35°，避免了右岸岸坡直接受水流沖刷，使出口河床主沖坑偏于左岸。

（5） 明渠出口右側(cè)坡腳采用大塊石動態(tài)防護(hù)，分別進(jìn)行了不同粒徑（D50=2.3 m， D50=1.5 m）、不同頂寬（10， 20， 25， 28 m）、不同頂高程（1 004， 1 007 m）組合條件下的抗沖試驗(yàn)研究。各級試驗(yàn)工況下，明渠出口及下游河床均形成沖坑，下游主沖坑有兩處，分別位于河床中心處和左側(cè)山體坡腳處。不同流量條件下形成的沖坑形狀基本相似，沖坑深度隨流量的增大而增大，護(hù)腳塊石塌落的范圍及程度也隨流量的增大而增大。導(dǎo)流明渠出口下游防沖措施方案受大流量限制，如表1所示。

經(jīng)過多組防護(hù)方案試驗(yàn)研究，確定了最佳防護(hù)方案，其中上游段150 m范圍拋石粒徑2.30 m，防護(hù)平臺頂寬25 m;下游150～200 m范圍拋石粒徑1.18 m，平臺寬20 m;下游200～520 m范圍拋石粒徑0.80 m，平臺頂寬8 m。防護(hù)平臺頂高程均為1 004 m。在設(shè)計流量11 400 m3/s及上述防護(hù)方案條件下，明渠出口下游河道兩處主沖坑深度分別達(dá)22.1 m和35.5 m。主沖坑左側(cè)主體為淤積，局部回流區(qū)域略有淘刷;主沖坑右側(cè)（堆積體側(cè)）岸坡防護(hù)范圍內(nèi)部分拋石落于沖坑中，并形成穩(wěn)定的護(hù)坡;防護(hù)平臺沖刷后剩余最小寬度大于8 m，未見堆積體坡腳裸露，因此防護(hù)措施安全可靠，如圖3所示。

3 防護(hù)方案設(shè)計

結(jié)合下游河道水位及模型試驗(yàn)成果，冷軋廠堆積體防護(hù)整體上采用大塊石護(hù)腳（高程1 004 m以下）+鋼絲石籠護(hù)坡（高程1 004～1 014 m）的動態(tài)防護(hù)方案，如圖4所示。其中，堆積體上游段0～150 m范圍內(nèi)護(hù)腳平臺頂寬25 m，塊石粒徑2.3 m;中部150～200 m范圍護(hù)腳平臺頂寬20 m，塊石粒徑1.18 m;下游段200～520 m范圍護(hù)腳平臺頂寬8 m，塊石粒徑0.8 m。由于護(hù)腳塊石粒徑均較大，現(xiàn)場開挖塊石料無法滿足要求，考慮分別采用合金網(wǎng)石兜和格賓石籠代替。

合金網(wǎng)石兜由高強(qiáng)合金鋼絲編制而成，內(nèi)部裝填塊石，縫口后形成扁平狀防護(hù)結(jié)構(gòu)，單個體積達(dá)4.5～5.0 m3，重7.5～8.5 t，具體特征參數(shù)如表2所示。合金網(wǎng)石兜具有單個重量大、強(qiáng)度高、耐腐蝕、穩(wěn)定性好、柔韌性極強(qiáng)等特點(diǎn)，抗沖能力強(qiáng)且適應(yīng)基礎(chǔ)變形，是非常好的柔性動態(tài)防護(hù)材料[7-8]，主要應(yīng)用于堆積體上游段護(hù)腳。

冷軋廠堆積體下游段采用格賓石籠護(hù)腳，單個格賓石籠尺寸為2 m×1 m×1 m，重3.5～4.0 t。相互搭接堆砌形成穩(wěn)定防護(hù)結(jié)構(gòu)，頂寬8 m，迎水側(cè)坡比1∶1.5。

為滿足動態(tài)防護(hù)的要求，每年汛前對防護(hù)體進(jìn)行檢查，并準(zhǔn)備一定的防沖材料，當(dāng)汛期防護(hù)體由于河道沖刷而出現(xiàn)垮塌并危及上部堆積體安全時，及時動態(tài)補(bǔ)充拋填。

4 運(yùn)行實(shí)踐

金沙水電站導(dǎo)流明渠出口冷軋廠堆積體防護(hù)工程于2015年11月開工，2016年6月完工，11月份導(dǎo)流明渠通水后即投入運(yùn)行，如圖5所示。在運(yùn)行過程中，受2017年汛期洪水沖刷影響，明渠出口河床覆蓋層出現(xiàn)較大沖坑，隨后堆積體上游段合金網(wǎng)石兜護(hù)腳局部垮塌掉入沖坑內(nèi)，垮塌后的合金網(wǎng)石兜阻止了沖坑范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最終未危及上部堆積體安全，達(dá)到了動態(tài)防護(hù)的設(shè)計效果。為保障安全，汛后對垮塌部位進(jìn)行了補(bǔ)充拋填。在經(jīng)過2017年汛期大洪水沖刷后下游河道和岸坡沖淤已基本平衡，隨后幾年均未出現(xiàn)較大變化。

經(jīng)過施工期3個汛期及永久運(yùn)行期2個汛期的實(shí)踐檢驗(yàn)，導(dǎo)流明渠出口防護(hù)取得了良好的效果，有效保障了下游岸坡穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

（1） 金沙水電站導(dǎo)流明渠出口最大平均流速達(dá)12.18 m/s，出口河道覆蓋層厚且岸邊分布大型人工堆積體，導(dǎo)流明渠出口防沖保護(hù)問題十分突出。

（2） 本文采用1∶80動床物理模型，可以有效模擬導(dǎo)流明渠出口河道及岸坡沖刷情況，并通過研究提出采用合金網(wǎng)石兜、格賓石籠護(hù)腳加鋼絲石籠護(hù)坡的組合動態(tài)防護(hù)措施。經(jīng)過多個汛期的運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，導(dǎo)流明渠出口防護(hù)措施安全可靠，效果良好。

（3） 對于動態(tài)防沖保護(hù)措施而言，尤其在運(yùn)行初期，河道尚未達(dá)到新的沖淤平衡時，汛前準(zhǔn)備一定的防沖物料是必要的。當(dāng)防護(hù)體由于河道沖刷而出現(xiàn)垮塌情況時，應(yīng)及時補(bǔ)充防沖物料。

（4） 金沙水電站導(dǎo)流明渠出口防護(hù)工程的突出特點(diǎn)和動態(tài)防護(hù)方案的成功應(yīng)用，可為今后水利工程中的類似問題提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司. 金沙江金沙水電站可行性研究報告[R]. 武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司， 2016.

[2] 余勝祥， 白琦瑞， 胡興丹. 沐若水電站導(dǎo)流隧洞出口消能與防護(hù)研究[J]. 人民長江，2013，44（8）：94-96.

[3] 李進(jìn)， 周喜德， 張建民，等. 桐子林水電站明渠導(dǎo)流方案優(yōu)化研究[J]. 水力發(fā)電，2010，36（3）：59-62.

[4] 楊啟貴， 廖仁強(qiáng)， 向光紅. 水布埡水電站泄洪消能設(shè)計創(chuàng)新與實(shí)踐[J]. 人民長江， 2010，41（6）：1-3， 7.

[5] 池明陽， 雷聲軍， 崔進(jìn)，等. 枕頭壩電站江溝泄洪洞出口消能防沖設(shè)計[J]. 人民長江，2012，43（14）： 36-39.

[6] 陳超敏， 鄢雙紅， 詹金環(huán). 嘉陵江亭子口水利樞紐導(dǎo)流明渠設(shè)計[J]. 人民長江，2011，42（16）：8-10， 20.

[7] 高志華. 合金鋼網(wǎng)石兜在三峽導(dǎo)流明渠截流中的應(yīng)用[J]. 人民長江，2003，34（9）：22-23.

[8] 王軍，陳舟. 曹娥江大閘閘下防沖設(shè)施設(shè)計與運(yùn)行[J]. 水利水電技術(shù)，2016，47（11）：36-39， 43.

（編輯：高小雲(yún)）

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