萬 明 棟, 吳 俊 麗, 崔 景 濤
(1.中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610081;2.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 昆明 650000)
烏弄龍水電站下游圍堰導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選用20 a重現(xiàn)期洪水,相應(yīng)洪水流量為5 900 m3/s(全年)。下游圍堰堰頂高程1 828 m,頂寬10 m,迎水側(cè)和背水側(cè)坡比均為1∶1.75,圍堰最大高度為21 m,堰體水下采用C20混凝土防滲墻(80 cm厚)防滲,水上采用復(fù)合土工膜直心墻,圍堰水上部分堰體由碾壓石渣料、過渡料Ⅰ、過渡料Ⅱ和干砌塊石護(hù)坡、鋼筋籠等材料組成,圍堰堰體迎水面保護(hù)體系采用水平厚度為5 m的大塊石和鋼筋石籠(圖1)。
圖1 下游圍堰典型剖面圖
受該工程短導(dǎo)流洞方案制約,下游圍堰迎水面坡腳距導(dǎo)流洞出口導(dǎo)墻邊線距離不足20 m。經(jīng)導(dǎo)流模型試驗驗證,在20 a一遇流量5 900 m3/s時,導(dǎo)流洞出口沖坑較深、達(dá)10.9 m,沖坑地表直徑約45 m,地面1 807 m等高線距下游圍堰堰腳距離約8 m。
根據(jù)已有工程經(jīng)驗,模型試驗中的導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑位置大致可以固定,一般不會變化,但試驗數(shù)據(jù)往往與實際情況存在較大差異,如果導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑底部增大到河床基巖頂板線,則沖坑地表直徑擴(kuò)大到約60 m;若沖坑中心距下游圍堰堰腳距離約60 m不變,則沖坑上緣(1 805 m等高線)抵近下游圍堰堰腳,1 807 m等高線距下游圍堰堰腳距離約為-5 m(即沖坑已到下游圍堰堰腳里側(cè)約5 m),說明導(dǎo)流洞出口明渠末端水流沖刷范圍已經(jīng)影響到下游圍堰堰腳的穩(wěn)定。因此,為確保施工期圍堰安全,研究其下游圍堰設(shè)置防沖墻就顯得尤為重要。
結(jié)合上述論述,本次研究假定導(dǎo)流洞出口沖坑擴(kuò)大到下游圍堰堰腳里側(cè)約5 m。按工況1(圍堰設(shè)計水位1 825.94 m高程計,基坑無水)和工況2(擋水邊坡水位驟降:高程1 825.94~1 807 m,基坑無水)分別進(jìn)行不設(shè)防沖墻和設(shè)置防沖墻的下游圍堰穩(wěn)定驗算。
烏弄龍水電站下游圍堰邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)見表1。
(1)不設(shè)防沖墻的穩(wěn)定驗算。
下游圍堰邊坡穩(wěn)定計算模型見圖2。
計算結(jié)果表明:當(dāng)遇到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時,按圍堰設(shè)計水位1 825.94 m高程計,即為計算工況1時,圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.948,小于控制標(biāo)準(zhǔn)1.2;當(dāng)遇到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水位驟降,即為計算工況2時,圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.932,小于控制標(biāo)準(zhǔn)1.1,下游圍堰邊坡不滿足穩(wěn)定要求。
通過穩(wěn)定驗算得知:當(dāng)導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑直徑達(dá)到60 m時,即沖坑假定擴(kuò)大到下游圍堰堰腳里側(cè)約5 m時,則下游圍堰下游坡的穩(wěn)定不滿足要求,下游圍堰邊坡須設(shè)防沖墻進(jìn)行保護(hù)。
表1 烏弄龍水電站下游圍堰邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)表
圖2 下游圍堰邊坡穩(wěn)定計算模型示意圖
(2)設(shè)置防沖墻后的穩(wěn)定驗算。計算模型同上。計算結(jié)果表明:當(dāng)遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時,圍堰設(shè)計水位按1 825.94 m高程計,即為計算工況1時,圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.477,大于控制標(biāo)準(zhǔn)1.2;當(dāng)遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水位驟降,即為計算工況2時,圍堰下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.162,大于控制標(biāo)準(zhǔn)1.1,故下游圍堰邊坡滿足穩(wěn)定要求。通過穩(wěn)定驗算得知:導(dǎo)流洞出口明渠末端沖坑直徑既使達(dá)到60 m時、在下游圍堰迎水側(cè)邊坡設(shè)防沖墻后,圍堰迎水側(cè)邊坡保持穩(wěn)定。
結(jié)合下游圍堰結(jié)構(gòu)特性及計算模型,烏弄龍水電站下游圍堰防沖墻布置于距防滲墻下游28 m處,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),防沖墻右端頭與堰基防滲墻混凝土相接,左端頭與導(dǎo)流洞出口右導(dǎo)墻相接,頂高程為1 819 m并穿過堰體和覆蓋層,深入基巖1 m,厚度為80 cm。
假定防沖墻后堰體沿圖3示意沖毀,則防沖墻存在側(cè)向穩(wěn)定問題。在下游圍堰軸線下游設(shè)置鋼筋混凝土防沖墻,防沖墻深度約28 m,厚度為80 cm,鋼筋混凝土防沖墻深入基巖1 m,深入覆蓋層22 m,露出覆蓋層9 m。按固定在覆蓋層內(nèi)懸臂梁計算,假定其下游側(cè)面凌空。計算結(jié)果表明:最大剪力為83.03 kN、最大彎矩為362.57 kN·m,大于素混凝土抗力要求,經(jīng)配單寬5根、直徑為20 mm的受力鋼筋可滿足防沖墻強(qiáng)度要求。
圖3 假定防沖墻后堰體沖毀示意圖
近年來,隨著進(jìn)入后水電時代,高山峽谷水電站開發(fā)比例增大,全年導(dǎo)流的土石圍堰增多,由于地勢原因以及節(jié)約投資,部分工程采用短導(dǎo)流洞方案,導(dǎo)流洞出口與圍堰之間的距離小,不利于圍堰穩(wěn)定。該工程通過在圍堰下游設(shè)置防沖墻,保證了施工期下游圍堰的度汛安全,確保了下游基坑按正常順序施工,取得了良好的效果。