涂小飛，魏麗琴

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川省成都市 610072）

0 引言

卡基娃水電站位于四川省木里縣唐央鄉(xiāng)，是木里河干流（上通壩—阿布地）河段“一庫六級”開發(fā)方案中的第二級水電站。電站樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、放空洞、1號泄洪洞、2號泄洪洞和引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成；攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高171m，總庫容3.745億m3，電站裝機容量440MW。本電站樞紐工程為二等大（2）型工程，攔河大壩提高一級，為1級建筑物。工程施工采用斷流圍堰、隧洞泄流、大壩基坑全年施工的導(dǎo)流方式。

在導(dǎo)流洞設(shè)計過程中，出口的布置受到下游卡基娃滑坡影響，方案遲遲難于確定?？ɑ藁挛挥谀纠锖幼蟀?，距壩軸線下游約500m，總方量約3723萬m3，屬于基巖滑坡，在天然狀態(tài)下整體處于穩(wěn)定，前緣局部活動。因此，如何合理設(shè)計導(dǎo)流洞出口消能設(shè)施，減小導(dǎo)流洞出口水流對卡基娃滑坡坡腳、下游河床及兩岸的沖刷是導(dǎo)流洞設(shè)計中極為關(guān)鍵的問題。本文針對該導(dǎo)流洞出口的消能設(shè)計研究過程進行簡要介紹，并對設(shè)計方案進行了水工模型試驗分析驗證。通過在導(dǎo)流洞運行不同工況下，出口水流對下游河床特別是滑坡體坡腳沖刷情況模擬，提出出口體形合理的設(shè)計方案。

1 導(dǎo)流洞出口方案設(shè)計

在導(dǎo)流洞布置設(shè)計過程中，由于壩區(qū)右岸上游有一則窩溝支溝，溝口上陡、下游平緩地帶為深厚覆蓋層覆蓋，若導(dǎo)流洞布置在右岸，導(dǎo)流洞洞線只有穿過地面高程2760.0m以上區(qū)域，導(dǎo)流洞洞線長度增加約70m，且與泄洪洞干擾；為盡量縮短導(dǎo)流洞洞身軸線長度，選擇將導(dǎo)流洞布置在左岸卡基娃滑坡影響范圍內(nèi)，對下游岸坡穩(wěn)定較為不利；若出口避開卡基娃滑坡范圍布置，則導(dǎo)流洞洞身長度增加約250m，且引水系統(tǒng)、2號泄洪洞均布設(shè)于右岸，施工干擾較大。因此，確定導(dǎo)流洞布置在左岸，但需研究出口水流對左岸卡基娃滑坡的影響。

在導(dǎo)流洞出口設(shè)計方案研究過程中，設(shè)計人員通過對出口河床條件（包括河床寬度、深度，河床覆蓋層構(gòu)成等）分析，同時采用導(dǎo)流模型試驗研究比選了導(dǎo)流洞出口水流與河床夾角、出口底板高程、出口是否設(shè)置消力坎以及在不影響出流情況下的消力坎合理高度、出口河床擴挖對消能的敏感性分析等。最終通過各種工況組合，選擇在導(dǎo)流洞出口布置1.5m高消力坎，右岸開挖至2692.0m高程的經(jīng)濟合理方案。

2 模型試驗驗證

根據(jù)模型試驗任務(wù)要求，模型按重力相似準則設(shè)計，選用幾何比尺為1：60，上游為定床，下游河床樁號0+300～0+600范圍做成局部動床，動床深度約20m，相應(yīng)的其他物理量比尺如下：

流速/時間比尺：7.745；

流量比尺：27 885；

糙率比尺：1.979。

本階段，為進一步研究導(dǎo)流洞出口水流對卡基娃滑坡體的影響，選擇安全可靠的導(dǎo)流洞出口消能措施，設(shè)計進行了以下三種工況的模型試驗驗證：

（1）工況1：河床按v=3m/s抗沖流速模擬，溜滑體增加防護。

（2）工況2：河床按v=5m/s抗沖流速模擬，溜滑體增加防護。

（3）工況3：河床按v=5m/s抗沖流速模擬，溜滑體無防護。

在設(shè)計流量Q=973m3/s時，三種工況下導(dǎo)流洞出口的水流流態(tài)、岸邊流速、下游沖刷、下游河道岸邊水面線的比較分析如下：

2.1 下游水流流態(tài)比較

（1）工況1：導(dǎo)流洞出口處布置1.5m消力坎，水流流態(tài)見圖1。消力坎把導(dǎo)流洞出口水流向上挑起，然后直沖河床底部，導(dǎo)流洞河床出口形成類似“水墊塘”的深坑，水流經(jīng)“水墊塘”后均勻平順流向下游與原河道平順連接。下游圍堰與導(dǎo)流洞出口間存在回流，回流范圍較小。

（2）工況2：導(dǎo)流洞出口處布置1.5m消力坎，水流流態(tài)見圖2。消力坎把導(dǎo)流洞出口水流向上挑起，然后直沖河床底部，但是由于河床配置5m/s抗沖流速的床沙，形成的沖坑較工況1中3m/s抗沖流速配置時要小和淺，所以水流更靠近河床表面，更沿出洞方向直沖向右岸，經(jīng)“水墊塘”后均勻流向下游與原河道平順連接。

（3）工況3：導(dǎo)流洞出口處布置1.5m消力坎，水流流態(tài)見圖3。流態(tài)與工況2一致。

2.2 下游岸邊流速比較

由于工況2和工況3采用了抗沖流速較大的床沙，下游岸邊流速較工況1明顯增大，但下游圍堰堰面平均流速有所降低。其中，工況2岸邊流速最大，堰面平均流速最低。三種工況下游岸邊流速情況見表1。

表1 三種工況下游岸邊流速Tab.1 Downstream Flow Velocity of the Three Conditions m/s

圖1 工況1水流流態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口流態(tài)；（b）導(dǎo)流洞下游流態(tài)；（c）溜滑體處的流態(tài)Fig．1 Flow Pattern of Condition 1（a）flow pattern at the outlet；（b） flow pattern at the downstream ；（c） flow pattern at the landslide

圖2 工況2水流流態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口流態(tài)；（b）導(dǎo)流洞下游流態(tài)Fig．2 Flow Pattern of Condition 2（a） flow pattern at the outlet；（b） flow pattern at the downstream

圖3 工況3 水流流態(tài)（a）導(dǎo)流洞出口流態(tài)；（b）導(dǎo)流洞下游流態(tài)Fig．3 Flow Pattern of Condition 3（a） flow pattern at the outlet；（b） flow pattern at the downstream

2.3 下游沖刷比較

（1）工況1：下游覆蓋層粒徑按v=3.0m/s抗沖流速模擬，在溜滑體處布置1.2m厚的大塊石護坡，鋪設(shè)范圍從左岸河床底部到高程2700m處。Q=973.0m3/s時，下游河床左岸溜滑體處坡腳基本沒有發(fā)生沖刷。由于右岸開挖平臺高程到2692.0m，整個河道坡降變緩，河床從樁號0+425m向下游基本沒有發(fā)生沖刷。沖坑最低點高程為2683.53m，最大沖刷深度為11.47m，位于導(dǎo)流洞出口處。工況1下游沖刷情況見圖4。

（2）工況2：下游覆蓋層粒徑在出口下游水流斜沖的位置按v=5.0m/s抗沖流速模擬，其余部位仍然按v=3m/s抗沖流速模擬。溜滑體處布置1.2m厚大塊石護坡，鋪設(shè)范圍從左岸河床底部到高程2700m處。Q=973.0m3/s時，不同斷面的沖刷后形態(tài)以及下游沖刷形態(tài)與工況1基本相同，下游河床左岸溜滑體處坡腳基本沒有發(fā)生沖刷。沖坑最低點高程為2686.23m，最大沖刷深度為8.77m，位于導(dǎo)流洞出口處。工況2下游沖刷情況見圖5。

（3）工況3：下游覆蓋層粒徑在出口下游水流斜沖的位置按v=5.0m/s抗沖流速模擬，其余部位仍然按v=3m/s抗沖流速模擬，在溜滑體處不布置大塊石護坡。Q＝973.0m3/s時，不同斷面的沖刷后形態(tài)以及下游沖刷形態(tài)與工況1基本相同，但是在溜滑體范圍內(nèi)，由于沒有進行防護，在樁號為0+590.0m～0+621.2m之間31.2m長范圍內(nèi)發(fā)生了局部輕微淘刷，淘刷的平均深度為1.8m，河床最大沖刷深度約為8.8m，位于導(dǎo)流洞出口處。工況3下游沖刷情況見圖6。

2.4 下游岸邊水面線比較

由于河床開挖使得河床的縱比降降低，因此河道的水面線相對原設(shè)計更加平緩。工況1下游圍堰堰面最高水位、涌浪高度及河道最高水位最大。工況3下游圍堰堰面最高水位與工況1相同，涌浪高度及河道最高水位次之，工況2最小。三種工況下游水位見表2，下游岸邊水面線比較見圖7。

表2 三種工況下游水位Tab.2 Downstream Water Lever of Three Conditions m

圖4 工況1下游沖刷情況（a）沖坑形態(tài)；（b）下游沖坑形態(tài)；（c）下游溜滑體形態(tài)Fig．4 Scour at the downstream of Condition 1（a）shape of the scour pit；（b） shape of the downstream scour pit；（c） shape of the landslide

圖5 工況2下游沖刷情況（a）沖坑形態(tài)；（b）下游沖坑形態(tài)；（c）下游溜滑體形態(tài)Fig．5 Scour at the downstream of Condition 2（a）shape of the scour pit；（b） shape of the downstream scour pit；（c） shape of the landslide

圖6 工況3下游沖刷情況（a）沖坑形態(tài)；（b）下游沖坑形態(tài)；（c）下游溜滑體形態(tài)Fig．6 Scour at the downstream of Condition 3（a）shape of the scour pit；（b） shape of the downstream scour pit；（c） shape of the landslide

3 結(jié)論

水力學(xué)模型試驗?zāi)軌蝌炞C水力學(xué)計算成果的準確性，為完善、優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。在實際設(shè)計中，通過在導(dǎo)流洞出口設(shè)置消力坎，并通過動床模型試驗不斷調(diào)整出口覆蓋層模擬抗沖流速及溜滑體防護進行驗證，最終確定導(dǎo)流洞出口布置方案采用出口設(shè)置1.5m消力坎的型式，并結(jié)合右岸泄洪洞出口施工進行右岸提前擴挖消能方案。實際施工中也對卡基娃滑坡體前沿局部采用鋼筋石籠臨時保護，進一步減小導(dǎo)流洞過流對滑坡體坡腳的淘刷。實踐證明，自2011年導(dǎo)流洞過流度汛，一直到導(dǎo)流洞封堵，經(jīng)歷多次洪水考驗，隧洞出口運行狀況良好，未對出口滑坡體造成明顯影響。

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