張 婭 琴

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

瀑布溝水電站水庫(kù)正常蓄水位850m，汛期運(yùn)行限制水位841m，死水位790m，設(shè)計(jì)水頭186m，總庫(kù)容53.37億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容38.94億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。樞紐總布置為：河床中建礫石土心墻堆石壩，引水發(fā)電建筑物、一條岸邊開(kāi)敞式溢洪道、一條深孔無(wú)壓泄洪洞均布置于左岸，右岸設(shè)置一條放空洞。

泄洪建筑物按重現(xiàn)期500年洪水設(shè)計(jì)、最大可能洪水校核。下游河道及霧化邊坡防護(hù)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)。相應(yīng)入庫(kù)洪水流量為8 230m3/s，控泄出庫(kù)流量為7 900m3/s(疊加尼日河來(lái)流量10 750m3/s)。

為減輕泄洪洞泄洪對(duì)右岸成昆鐵路和尼日車站的霧化影響，當(dāng)來(lái)水量為100年一遇洪水和水庫(kù)水位為850.00m時(shí)，泄洪洞按2 000m3/s流量控泄，溢洪道控泄4 500m3/s，通常情況下，為保證壩腳安全，泄洪建筑物運(yùn)行應(yīng)優(yōu)先使用泄洪洞。

2 泄洪洞及下游沖刷區(qū)基本情況

泄洪洞布置于左岸，總長(zhǎng)2 024.82m，為無(wú)壓洞，出口采用挑流消能。泄洪洞進(jìn)口底板高程795m，洞身段底坡i=0.058，出口挑坎起挑高程為677.89m，最大泄量3 418m3/s，挑坎上的最大單寬流量164.5m3/s·m，最大泄洪水頭183m，洞身最大流速約40m/s，鼻坎頂?shù)淖畲罅魉贋?3.86m/s。

泄洪洞出口位于瀑布溝溝口上游，距上游溢洪道出口約2km，出口挑坎形式為扭曲斜切鼻坎。泄洪洞不同工況下出口挑距及水墊深度計(jì)算值見(jiàn)表1：

表1 泄洪洞出口挑射水流挑距及水墊深度成果

泄洪洞出口沖刷區(qū)河段，水面寬120～140m，水深6～12m，河床覆蓋層厚45～63m；左右岸谷坡均為流紋斑巖，具有良好的抗沖蝕能力，自然邊坡穩(wěn)定性好，但河床漂卵石層及漂塊卵石層抗沖能力較弱。

泄洪洞挑流鼻坎地基巖性為流紋斑巖，地基承載力和抗變形能力經(jīng)灌漿處理后滿足設(shè)計(jì)要求；護(hù)坦地基為沖積漂卵石層，結(jié)構(gòu)松散，抗沖能力低，須采取防沖措施，防止溯源沖刷危及護(hù)坦。泄洪洞出口下游的大渡河兩岸低線公路以下河岸覆蓋層由表及里主要為人工堆積、崩坡積及河床沖積層。左岸覆蓋層分布于古崩塌體至尾水出口、泄洪洞出口一帶，其余區(qū)段主要為基巖。

3 出口水流沖刷情況和霧化成果

泄洪洞單體水工模型試驗(yàn)表明：下游河道中水流受挑射水流的影響，兩側(cè)均形成一定的回流。設(shè)計(jì)洪水時(shí)，左側(cè)岸邊水流回流流速為6.91m/s，右側(cè)回流流速為5.13m/s。下泄Q=3 029m3/s流量時(shí)(下游河道流態(tài)參見(jiàn)圖1)，河床最大沖坑深度31.9m，受回流淘刷，左岸河道覆蓋層坍塌，巖體裸露，淘刷范圍約40m。右岸較大范圍內(nèi)波浪較大，形成較大爬高，間隙性波浪最大爬高在設(shè)計(jì)及常年洪水情況下分別為5.3m和4.0m；左岸波浪高于右岸1～2m。

試驗(yàn)表明：水舌落于河床后在河道兩側(cè)產(chǎn)生的回流對(duì)兩岸覆蓋層淘刷較為嚴(yán)重，以及挑流水舌進(jìn)入河道后產(chǎn)生的主流對(duì)左岸有一定的沖刷作用，需結(jié)合巖基地質(zhì)條件對(duì)該段河流的兩岸采取保護(hù)措施。

根據(jù)泄洪洞霧化數(shù)模計(jì)算成果：控泄流量Q=2 000m3/s時(shí)，雨強(qiáng)大于20mm/h的縱向長(zhǎng)度661m，雨強(qiáng)分布參見(jiàn)圖1。

圖1 下游河道流態(tài)及雨強(qiáng)等值線分布

4 出口河段沖刷防護(hù)范圍的研究思路

瀑布溝水電站泄洪流量大、泄洪水頭高，泄洪霧化嚴(yán)重，挑流消能區(qū)淘刷脈動(dòng)破壞嚴(yán)重，左岸有電站尾水出口、開(kāi)關(guān)站等建筑物，右岸在740m高程(路基高程，高于河水面約60m)有成昆鐵路和尼日車站，在690m高程(高于河水面約10m)有至甘洛縣的永久改線公路通過(guò)。鑒于省道和成昆鐵路的重要性和防護(hù)治理復(fù)雜，必須對(duì)兩岸河道岸坡及公路的防護(hù)范圍和防護(hù)措施進(jìn)行詳細(xì)研究，確保泄洪運(yùn)行不危及成昆鐵路和兩岸公路及岸坡安全。

以往對(duì)下游河道兩岸山體穩(wěn)定的泄洪建筑物，其護(hù)岸工程防護(hù)設(shè)計(jì)思路一般是先沖刷一個(gè)汛期，再根據(jù)實(shí)際沖刷情況進(jìn)行防護(hù)；或者，首先根據(jù)模型試驗(yàn)沖刷區(qū)范圍初步確定防護(hù)范圍，后期根據(jù)破壞情況再修復(fù)。瀑布溝泄洪洞出口對(duì)岸岸坡是成昆鐵路的壓腳基礎(chǔ)，不能在泄洪時(shí)出現(xiàn)破壞，防護(hù)范圍要足夠，防護(hù)措施要得當(dāng)。泄洪洞出口本岸岸坡一旦出現(xiàn)破壞不會(huì)立即危及挑流鼻坎和上部開(kāi)關(guān)站建筑物安全。

出口下游河道岸坡破壞分為小流量砸護(hù)坦區(qū)、水舌落水淘刷區(qū)、淘刷區(qū)外強(qiáng)涌波區(qū)及泄洪霧化強(qiáng)雨霧區(qū)，確定出上述四個(gè)區(qū)域范圍后，即可確定防護(hù)范圍。根據(jù)泄洪洞出口沖刷模型試驗(yàn)成果確定淘刷區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件和沖刷模型試驗(yàn)成果確定強(qiáng)涌波區(qū)，根據(jù)霧化數(shù)模計(jì)算成果確定霧化強(qiáng)雨霧區(qū)。

4.1 防護(hù)范圍確定

兩岸低線公路及岸坡處于泄洪沖刷雨霧區(qū)，根據(jù)該區(qū)域可能產(chǎn)生泥石流的雨強(qiáng)和類比工程實(shí)踐，確定對(duì)雨強(qiáng)大于20mm/h、模型試驗(yàn)沖刷區(qū)及強(qiáng)涌波區(qū)兩岸范圍及低線公路進(jìn)行防護(hù)，以防止泄洪時(shí)回流及強(qiáng)濺水對(duì)河道岸坡和公路的淘刷、脈動(dòng)破壞。具體范圍：尾水出口至瀑布溝大橋順河向長(zhǎng)865m。

4.2 防護(hù)高程確定

(1)右岸公路路面上下游分別按尼日河大橋、瀑布溝大橋橋面高程控制，在滿足100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高的條件下，對(duì)公路坡度作相應(yīng)調(diào)整；

(2)左岸防護(hù)高程按100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高控制；

(3)充分考慮尼日河出現(xiàn)100年一遇洪水對(duì)河岸防護(hù)的影響；

因此，右岸防護(hù)高程為684.21～690.00m，左岸防護(hù)高程為685.21m?？紤]常年枯水期水位為668m，貼坡基礎(chǔ)高程確定為668.00m。

5 出口河道岸坡防沖護(hù)措施

5.1 出口對(duì)岸岸坡防護(hù)區(qū)的防護(hù)設(shè)計(jì)

泄洪洞出口河道對(duì)岸(大渡河右岸)低線公路及岸坡處于沖刷及霧化強(qiáng)降雨范圍，此地層表面為覆蓋層和人工堆積，下層為階地沖積物，均不能承受強(qiáng)降雨和淘刷作用。泄洪洞出口對(duì)岸消能區(qū)重點(diǎn)保護(hù)段為泄洪霧化強(qiáng)降雨區(qū)和水位變幅巨大波浪淘刷強(qiáng)烈區(qū)域，承擔(dān)690.00m高程以上霧化區(qū)邊坡固腳的作用，同時(shí)也是通往甘洛縣的省道，該段河道整治工程設(shè)計(jì)原則：將公路路基以下覆蓋層挖除后回填混凝土，達(dá)到既保護(hù)巖面、防止沖刷，又可形成公路路基，外側(cè)采用C30貼坡混凝土面板，厚1.0m，公路路面厚0.3m，采用C30混凝土。對(duì)于泄洪洞消能區(qū)以外與上下游之間銜接段，泄洪霧化降雨強(qiáng)度和水位變幅波浪淘刷相對(duì)較弱，保留該段原路面混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)原路面損壞部位進(jìn)行修復(fù), 清除岸坡覆蓋層，采用C25貼坡混凝土面板，厚0.8m。對(duì)岸坡貼坡混凝土進(jìn)行系統(tǒng)錨筋支護(hù)和設(shè)置系統(tǒng)排水孔，系統(tǒng)錨筋參數(shù)：φ25、L=4.5m、間排距2.0m。排水孔參數(shù)：在高程680.00m和683.00m各設(shè)置一排排水孔，排水孔孔徑φ100、入巖3.0m、仰角5°、水平間距3.0m，交錯(cuò)布置，并用PVC管φ100引出至貼坡混凝土板外。貼坡面板坐落在貼坡基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)尺寸2m×2m(寬×高)，在基礎(chǔ)外拋投塊石壓腳防沖保護(hù)，壓腳高程673m。參見(jiàn)圖2。

圖2 泄洪洞出口對(duì)岸巖質(zhì)岸坡防護(hù)斷面

5.2 出口本岸岸坡防護(hù)區(qū)的防護(hù)設(shè)計(jì)

為方便泄洪洞枯期檢修，結(jié)合左岸河道岸坡治理，增設(shè)下游廠房交通洞口至泄洪洞出口的檢修道路，為減輕對(duì)岸740.00m高程成昆鐵路和尼日車站霧化影響，設(shè)計(jì)的泄洪洞出口水流在中小流量時(shí)水舌偏本岸并有砸本岸現(xiàn)象，因此，在泄洪洞護(hù)坦下游消能區(qū)預(yù)挖沖坑形成挑流水墊，以減輕對(duì)本岸淘刷。檢修道路路基及河床岸坡順河向總長(zhǎng)約494m，路基寬4m，路面采用C30混凝土，厚30cm。

公路路基以上邊坡清除覆蓋層至基巖，并采用掛網(wǎng)噴混凝土和錨桿支護(hù)，同時(shí)布置排水孔。

對(duì)水流回流沖刷較強(qiáng)區(qū)域，路基采用C20混凝土澆筑，基礎(chǔ)坐落在基巖上，拋塊石護(hù)腳，巖質(zhì)岸坡坡面布置錨筋，公路外側(cè)岸坡采用C30貼坡混凝土面板，厚1.0m進(jìn)行封閉，岸坡布置排水孔，錨筋和排水孔具體參數(shù)同對(duì)岸巖質(zhì)邊坡防護(hù)。水流回流沖刷較弱的交通洞口區(qū)域，為滿足景觀布置需要，清除部分人工堆渣，局部路基采用砂卵石回填，路基以下岸坡采用C20貼坡混凝土面板，沿岸坡布置排水孔，坡腳坐落在緊密的砂卵石層上，拋投塊石壓腳，防止水流直接沖刷，壓腳高程670m。參見(jiàn)圖3。

圖3 泄洪洞出口本岸覆蓋層岸坡防護(hù)斷面

5.3 出口護(hù)坦修復(fù)設(shè)計(jì)

由于瀑布溝承擔(dān)向下游泄放327m3/s流量的供水任務(wù)，2010年汛期瀑布溝電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由泄洪洞局部開(kāi)啟小流量放水，時(shí)間較長(zhǎng)。泄洪洞出口護(hù)坦臨河側(cè)部分基礎(chǔ)是覆蓋層，部分覆蓋層出現(xiàn)掏空破壞現(xiàn)象，為防止小流量沖刷護(hù)坦危及挑坎基礎(chǔ)，對(duì)護(hù)坦底部覆蓋層和基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，基巖基礎(chǔ)固結(jié)灌漿參數(shù)：孔徑φ50、孔深8m、排距2m；覆蓋層基礎(chǔ)固結(jié)灌漿參數(shù)：孔徑φ50、孔深12m、排距2m。對(duì)局部掏空部位進(jìn)行水下C25混凝土回填，并對(duì)護(hù)坦末端拋填大塊石。

6 運(yùn)行情況

通過(guò)對(duì)泄洪洞出口消能區(qū)河道岸坡防護(hù)，使原河道兩岸岸坡抗沖刷能力大大加強(qiáng)，目前已經(jīng)受住2010年汛期控制水庫(kù)蓄水期庫(kù)水位上升速度泄洪和2011、2012年汛期泄洪的考驗(yàn)。

泄洪洞出口左岸消能區(qū)2010年汛期受庫(kù)水位上升速度的限制和向下游供水的要求，泄洪洞長(zhǎng)期處于小流量運(yùn)行，水流砸本岸情況嚴(yán)重，護(hù)坦部分基礎(chǔ)被掏空，經(jīng)修復(fù)處理后，經(jīng)受住2011、2012年汛期泄洪考驗(yàn)，目前結(jié)構(gòu)完好。

泄洪洞2010年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 940h，相當(dāng)于幾個(gè)汛期泄洪時(shí)間，2011、2012年又歷經(jīng)整個(gè)汛期運(yùn)行考驗(yàn)，期間最大泄量達(dá)2 550m3/s，最小泄量為200m3/s，泄洪洞出口消能區(qū)河道岸坡防護(hù)經(jīng)受雨霧、水流淘刷和涌波考驗(yàn)，護(hù)坦結(jié)構(gòu)完好無(wú)損。

7 結(jié) 論

根據(jù)泄洪洞出口對(duì)岸成昆鐵路霧化防護(hù)重要性，確定霧化及防沖標(biāo)準(zhǔn)和研究防護(hù)范圍的方法是合理的。依據(jù)該工程水工模型試驗(yàn)、霧化數(shù)模計(jì)算、地形條件和工程類比確定的防護(hù)范圍和高程是合適的。對(duì)泄洪洞消能區(qū)兩岸河道邊坡重點(diǎn)部位采取將公路路基及以下覆蓋層挖除后回填混凝土，岸坡采取貼坡混凝土加錨筋與巖面緊密結(jié)合和系統(tǒng)排水等綜合措施是可行的。

瀑布溝水電站擋水建筑物為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，壩體本身不具備泄洪能力，其泄洪建筑物均布置于岸邊，根據(jù)各泄洪建筑物的功能不同分別設(shè)置在不同高程，但對(duì)小流量泄洪時(shí)，會(huì)出現(xiàn)挑射水流未達(dá)到起挑流量而導(dǎo)致嚴(yán)重砸本岸現(xiàn)象，且歷時(shí)較長(zhǎng)，須對(duì)泄洪建筑物的本岸進(jìn)行工程防護(hù)，以便宣泄小流量時(shí)得到保護(hù)。

目前防沖護(hù)岸設(shè)計(jì)暫無(wú)規(guī)程規(guī)范可依，值得借鑒已成功的工程實(shí)例較少，瀑布溝水電站泄洪洞出口消能區(qū)河道護(hù)岸的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值得其它類似工程借鑒和參考。