某水電站泄洪沖沙閘海漫段毀損工程整治方案研究

葛 靜

(中電建水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

水電站在長期運(yùn)行過程中，由于河道長期采沙，大壩運(yùn)行管理、汛期洪水的沖刷、水力學(xué)因素等疊加作用，河道邊界條件、水流流態(tài)、河相關(guān)系等發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致河床下切，電站海漫末端形成較大跌水(上下游水頭差較原設(shè)計(jì)增加)，消能不夠充分，運(yùn)行工況變差。在這種情況下，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，亦會(huì)逐步加劇海漫下游河床的淘刷，繼而危及海漫、消力池、甚至大壩的安全運(yùn)行。

而水電站的安全生產(chǎn)關(guān)系到電力系統(tǒng)自身的穩(wěn)定、效益和發(fā)展，而且影響廣大電力用戶的利益和安全，影響國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，社會(huì)穩(wěn)定和人們的日常生產(chǎn)生活。因此為實(shí)現(xiàn)電站的正常運(yùn)行，確保沿線行洪安全，必須對(duì)電站下游河道進(jìn)行整治處理，結(jié)合某水電站工程在多年實(shí)際運(yùn)行中的損毀情況和整治方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較研究，提出經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的永久整治方案，為類似工程的整治設(shè)計(jì)工作提供重要參考依據(jù)。

2 項(xiàng)目概況及毀損原因分析

2.1 項(xiàng)目概況

某水電站工程由左岸非溢流面板壩、閘壩儲(chǔ)門槽段、泄洪沖沙閘、發(fā)電廠房、廠房儲(chǔ)門槽段、尾水渠、右岸接頭壩及庫區(qū)防洪堤等建筑物組成。電站裝機(jī)容量480 MW，額定水頭24.5 m，電站采用一級(jí)混合開發(fā)方式，即建壩壅水高15.5 m，與上游電站尾水相銜接，河床式廠房，廠后接長9 015 m的尾水渠，尾水渠利用落差14.5 m。電站發(fā)電水頭的一半左右需由尾水渠獲得。

電站自2009年投運(yùn)，2020年初對(duì)海漫下游3 km范圍河床地形實(shí)地測量，發(fā)現(xiàn)水電站大壩下游河床高程總體下降6～7 m，在大壩樞紐區(qū)海漫下游約400 m范圍內(nèi)，局部達(dá)到10 m(主要位于泄洪閘海漫末端，距海漫末端下游100 m)，形成沖坑，坑底高程405 m，與海漫高差達(dá)9.0～10.0 m，導(dǎo)致左岸五孔泄洪閘海漫末端防沖槽沉降，海漫基礎(chǔ)暴露，埋深嚴(yán)重不足，海漫與下游河道形成跌水，下游水位較原設(shè)計(jì)下降約3 m左右。此部位河床的大副降低以及下游水位的下降將嚴(yán)重威脅泄洪閘的海漫、消力池乃至大壩的安全運(yùn)行。泄洪閘與沖沙閘之間的下游導(dǎo)墻下段，樁號(hào)0+228.78 m～0+247.78 m，基礎(chǔ)淘刷嚴(yán)重，導(dǎo)墻發(fā)生傾斜有進(jìn)一步傾倒的危險(xiǎn)。 海漫末毀損情況見圖1。

圖1 海漫末毀損情況

2.2 毀損原因分析

(1)下游河床采沙影響。電站在運(yùn)行過程中，整個(gè)尾水渠河段，都不同程度存在主河床采沙現(xiàn)象，原設(shè)計(jì)要求在尾水渠左堤左側(cè)至少50 m范圍內(nèi)不能采沙，但在實(shí)際采沙過程中，局部河段在50 m范圍內(nèi)進(jìn)行了采沙，并在采沙作業(yè)的影響下，整個(gè)河床砂卵石均比較松散，在汛期洪水淘刷的雙重影響下，河段河床整體有所下降。

(2) 閘壩運(yùn)行管理。2020年以前，由于工程1號(hào)、2號(hào)沖沙閘閘室存在不均勻沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致1號(hào)閘室閘門無法正常啟閉(原設(shè)計(jì)應(yīng)為汛期優(yōu)先開啟沖沙閘進(jìn)行沖沙泄洪)[3]，汛期大多數(shù)時(shí)間開啟泄洪閘進(jìn)行泄洪，單寬流量相對(duì)偏大，加上下游河床降低，下游水位較原設(shè)計(jì)低，導(dǎo)致海漫末端形成較大跌水(上下游水頭差較原設(shè)計(jì)增加)，消能不夠充分，其運(yùn)行條件比原設(shè)計(jì)工況較差。

(3)汛期洪水影響。電站投運(yùn)至今，年最大洪水入庫洪峰流量一般在5 000～7 000 m3/s，約為2～5年一遇洪水。盡管上游來水流量不算大，最大下泄流量7 250 m3/s，基本為5年一遇，但與前述的幾個(gè)因素疊加在一起后，加劇了下游河床的下切。

(4) 河勢(shì)穩(wěn)定因素。根據(jù)水文專業(yè)計(jì)算分析，在該河段實(shí)際河床地形情況下(人為采沙后)，穩(wěn)定河寬需達(dá)到333.48 m，在常遇洪水(P=50%)工況下，電站壩下游河道部分河段水面寬度小于穩(wěn)定河寬。

(5)水力學(xué)因素。河段大量采沙后，導(dǎo)致河床坡降變陡，河道水流流速加大；采沙作業(yè)改變河床砂卵石原級(jí)配，松散且抗沖刷能力下降。另外，因海漫下游河道下切嚴(yán)重，改變了原有河床水位流量關(guān)系曲線，進(jìn)而改變了閘壩滲流邊界條件，滲流坡降及滲流量增大。

3 整治方案設(shè)計(jì)研究

3.1 處理方案考慮因素

(1)消能防沖，保護(hù)海漫末端免受更嚴(yán)重的淘刷，通過消能同時(shí)使坎后流速和河床水流平順銜接，順利歸槽；避免下泄出流流速過大而造成對(duì)下游河床的沖刷下切。

(2)洪水期，坎后出流主流引導(dǎo)至河床中部，避免下泄水流對(duì)右岸尾水渠左堤和泄洪渠左岸防洪堤的沖刷。

(3)枯水期尾坎上下游水面能夠平順銜接，為大渡河魚類提供順暢通道(魚道設(shè)計(jì)的魚類突進(jìn)流速為1.5 m/s，生態(tài)流量為17 m3/s)[1]。

3.2 整治方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合該公司要求在汛前實(shí)施完成，并滿足度汛要求，擬定如下四個(gè)方案進(jìn)行綜合比較分析，整治方案比選見表1。

表1 整治方案比選

經(jīng)過對(duì)比分析，方案四-簡易消力池方案施工難度小，在最小的改變河道實(shí)際條件的情況下用最簡潔的工程措施實(shí)現(xiàn)了相對(duì)最有效的行洪與消能，該方案直接投資較消力池方案少，但其可實(shí)施性更強(qiáng)，效果更好，還有利于在有限的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的工程措施，且對(duì)電站的長期穩(wěn)定保障性更好。從整體來看，該方案更加的經(jīng)濟(jì)可靠，技術(shù)可行，故作為最優(yōu)方案采用。

3.3 整治方案設(shè)計(jì)

泄洪沖沙閘下游設(shè)兩道防沖墻，在電站原海漫末端(樁號(hào)：壩 0+248.38 m)設(shè)置第一道C25 鋼筋混凝土防沖墻(以下簡稱“1號(hào)防沖墻”)；在1號(hào)防沖墻下游約300 m 位置(樁號(hào)：壩0+550.00 m)設(shè)置第二道C25鋼筋混凝土防沖墻(以下簡稱“2號(hào)防沖墻”)。兩道防沖墻與天然河床一起成為一大型的“簡易消力池”。在該消力池內(nèi)需進(jìn)行河床的疏浚整理，將主流引導(dǎo)至河道中部。

1號(hào)防沖墻在海漫末端沿橫河向全段面布置，防沖墻墻頂高程413.50 m，墻底高程393.50 m，防沖墻厚1.2 m，高 20 m。在 6～10號(hào)泄洪閘對(duì)應(yīng)的左半段防沖墻下游的412.5 m 高程位置設(shè)置一長度為12 m的消能防沖平臺(tái)。

2號(hào)防沖墻設(shè)置在海漫下游躍后100 m左右，即樁號(hào)：壩 0+550.00 m。該斷面為簡易消力池尾坎，要求其盡可能夠適應(yīng)汛、枯期電站運(yùn)行需要以及各個(gè)流量工況(生態(tài)流量17 m3/s ～消能防沖50年一遇 9 890 m3/s)，故其過水?dāng)嗝鏋閺?fù)式梯形設(shè)計(jì)。梯形斷面設(shè)計(jì)結(jié)合魚道進(jìn)口水位、消能防沖需求及各時(shí)期水面線等數(shù)據(jù)，綜合擬定斷面如下：斷面中部凹槽為擬進(jìn)魚道深槽防沖墻底部高程設(shè)置在408.0 m,橫斷面往左右兩側(cè)呈逐漸加高設(shè)置(坡度為 1∶2)。第一級(jí)兩側(cè)加高至412 m，向兩岸平段分別寬 40 m；第二級(jí)兩側(cè)加高至414 m，向左岸平段寬102 m， 向右岸平段寬 68 m；高程414 m平段過后，兩岸沿合適坡度與岸坡418 m 高程位置相連接。過流斷面主流在維護(hù)左岸河床且保護(hù)右岸尾水渠岸坡的基礎(chǔ)上盡量居中布置。

3.4 整治方案實(shí)施前后的數(shù)值計(jì)算

選擇該電站上游450 m附近，下至壩址下游3.0 km，橫向范圍為左右岸河道邊線為計(jì)算范圍，進(jìn)口以水沙過程作為入口邊界條件，以水位流量關(guān)系曲線作為出口水位控制條件[2]。

3.4.1 數(shù)?？刂品匠?/p>

數(shù)學(xué)模型控制方程由水深平均下的淺水方程和泥沙輸運(yùn)方程構(gòu)成。泥沙輸運(yùn)方程主要包括懸沙不平衡輸沙方程、河床變形方程。

式中η為水位；u為水流平均速度；h為水深；g為重力加速度；n為糙率；AH為水平渦黏系數(shù)；S為懸移質(zhì)含沙量；ω為沉降速度；S*為懸移質(zhì)挾沙力；α為恢復(fù)飽和系數(shù)；Zb為可動(dòng)層厚度；ξ為孔隙率；qbx、qby為推移質(zhì)輸沙率；ρ為泥沙密度。

3.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)現(xiàn)狀河道和整治方案建成后在1 500 m3/s、3 000 m3/s、4 500 m3/s、5 000 m3/s、7 940 m3/s、9 890 m3/s的不同下泄流量下，河道沿程流態(tài)對(duì)比：2號(hào)防沖墻下游約300 m范圍內(nèi)，現(xiàn)狀河道水流的主流速帶一直在右岸，且維持著3 m/s以上的流速，尾水渠的堤腳有沖刷的危險(xiǎn)。之后隨著河道深泓線左移，主流才逐漸擺動(dòng)至左岸。整治方案建成后，2號(hào)防沖墻下游約300 m范圍內(nèi)，河道的主流一直在中間，并隨著河道深泓線左移，逐漸擺動(dòng)至左岸，有利于對(duì)尾水渠的堤腳沖刷的保護(hù)。

(2)通過現(xiàn)狀情況和整治方案建成后流場計(jì)算分析， 2號(hào)防沖墻下游約300 m范圍內(nèi)，現(xiàn)狀河道水流的主流速帶一直在右岸，且維持著3 m/s以上的流速，尾水渠的堤腳有沖刷的危險(xiǎn)。之后隨著河道深泓線左移，主流才逐漸擺動(dòng)至左岸。

推薦方案建成后，2號(hào)防沖墻下游約300 m范圍內(nèi)，河道的主流一直在中間，并隨著河道深泓線左移，逐漸擺動(dòng)至左岸，有利于對(duì)尾水渠的堤腳沖刷的保護(hù)。

(3)現(xiàn)狀情況和整治方案實(shí)施后，在3 000 m3/s(庫水位431 m)和敞泄5 000 m3/s特征流量下計(jì)算水流特性對(duì)比見表2。

表2 特征流量下計(jì)算水流特性對(duì)比

由表2分析可知，典型斷面，現(xiàn)狀與整治方案計(jì)算結(jié)果相對(duì)相似，但整治方案的主流在河道中間，有利于對(duì)尾水渠的堤腳沖刷的保護(hù)。

4 整治方案實(shí)施效果

該次海漫毀損工程實(shí)施以后，泄洪沖沙閘海漫下游防沖墻在保護(hù)上游建筑物免受進(jìn)一步淘刷的同時(shí)，可進(jìn)一步消殺上游水能，保護(hù)下游河床；目前該工程已于2021年汛前順利完工，并投入工程運(yùn)行，經(jīng)過2021年汛期驗(yàn)證，電站大壩面板及海漫汛期安全風(fēng)險(xiǎn)均得到釋放，能夠滿足電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要，驗(yàn)證了該處理方案的有效性。

5 結(jié) 語

水電站在長期運(yùn)行過程中，外部環(huán)境發(fā)生重大改變，下游河道下切嚴(yán)重，導(dǎo)致泄洪沖沙閘上、下游水位差加大，水流不能平順銜接，在海漫末端形成跌水，消能不夠充分，其運(yùn)行條件比原設(shè)計(jì)工況較差，可能進(jìn)一步造成嚴(yán)重的沖刷破壞，甚至關(guān)系壩體安危。

因此選擇有效的永久治理方案是亟需解決的問題，該研究通過整治方案比選和數(shù)值計(jì)算均有效驗(yàn)證了兩道防沖墻的簡易“消力池”整治方案能夠達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，保護(hù)海漫、消力池、以及電站的安全度汛和穩(wěn)定運(yùn)行，滿足電站的安全防護(hù)要求。通過整治處理后的電站已經(jīng)通過經(jīng)過2021年汛期驗(yàn)證，證實(shí)了該方案的有效性?？梢詾轭愃乒こ虇栴}的處理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

為了整個(gè)泄洪渠河床的長期水位流量關(guān)系的保持起一定的穩(wěn)定作用，需進(jìn)一步考慮下游固床保護(hù)措施，并周全考慮過魚和行洪影響以及可能發(fā)生的河床形態(tài)變化。

在今后電站的運(yùn)行調(diào)度管理中，還應(yīng)注意阻止人為破損天然河床的行為，且后期運(yùn)行過程中仍應(yīng)加大對(duì)樞紐及下游的相關(guān)水文、水力學(xué)和地形地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行必要的觀測。發(fā)生的不利變化應(yīng)在每次汛后做相應(yīng)的檢測和防護(hù)措施，以保障電站的運(yùn)行安全。