王 迎

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 概 述

拉哇水電站位于金沙江上游，樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸2條溢洪洞、右岸1條泄洪放空洞、右岸輸水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，電站裝機(jī)容量2 000 MW。水庫(kù)正常蓄水位2 702 m，死水位2 672 m，為不完全年調(diào)節(jié)電站。面板堆石壩壩頂高程2 709 m，最大壩高239 m。

工程土石方開挖量高達(dá)2 216.36萬(wàn)m3，開挖棄渣量巨大。工程區(qū)可以利用的渣場(chǎng)主要包括壩址下游右岸曲引朗沖溝及壩址上游左岸必英溝。由于必英溝運(yùn)距遠(yuǎn)、場(chǎng)內(nèi)道路布置高程較高，因此，僅負(fù)責(zé)容納必英溝區(qū)料場(chǎng)開采料轉(zhuǎn)存及棄渣堆存，壩址區(qū)開挖料的堆存及棄渣均需要運(yùn)往曲引朗溝，曲引朗溝規(guī)劃高峰期堆存量達(dá)2 800萬(wàn)m3，且包括壩基開挖堰塞湖沉積黏土料300多萬(wàn)m3，渣場(chǎng)防洪問(wèn)題較為突出。

2 曲引朗沖溝狀況

2.1 地形地質(zhì)狀況

曲引朗沖溝位于電站壩軸線下游約4 km的右岸，溝口高程約為2 530 m，后緣高程約4 926 m，沖溝總體走向近EW向，長(zhǎng)度約20.8 km。

沖溝在溝底高程約2 860 m以上，溝谷狹窄、切割深，兩岸地形齊整，多為基巖裸露，植被較發(fā)育。

沖溝在高程約2 860 m以下，溝谷切割深，谷底較開闊，溝谷與山脊的平均高差約800 m，兩岸地形坡度為30°～60°，溝底平均坡降約13%，靠近溝口500 m范圍內(nèi)，坡降約5%。沖溝右岸基巖裸露，坡腳處有3處小型崩塌堆積體，厚度約5～25 m，由塊石和碎石組成。左岸為Ⅺ號(hào)崩塌堆積體，分布高程約為2 800～3 200 m，在高程3 100 m一帶形成臺(tái)地。堆積物為粉質(zhì)粘土、碎石土夾碎塊石、少量巨石，堆積體厚度5～80 m、體積約800萬(wàn)m3。自然狀況下，該滑坡堆積體處于較穩(wěn)定狀態(tài)。沖溝兩岸出露元古界雄松群(Ptxn)片麻巖組地層，巖性為云母石英片巖和綠泥角閃片巖，巖層產(chǎn)狀為N20°～50°W和SW∠35°～50°。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，曲引朗溝為低頻率泥石流溝，高程2 860 m以上為清水區(qū)段，難以形成影響到?jīng)_溝下段的泥石流；高程2 860 m以下溝段為曲引朗溝可能發(fā)生泥石流的主要固體物質(zhì)來(lái)源。

2.2 沖溝水文狀況

曲引朗溝為常年流水溝，流域面積86.09 km2，溝口多年平均流量1.09 m3/s。沖溝設(shè)計(jì)洪水及多年平均流量成果見表1。

表1 沖溝設(shè)計(jì)洪水及多年平均流量成果表 /m3·s-1

2.3 沖溝綜合利用狀況

根據(jù)對(duì)沖溝地形條件分析，溝底高程2 860 m以上溝道狹窄，植被發(fā)育，不適合作為堆渣區(qū)。溝底高程2 860 m，至溝口長(zhǎng)度約2.5 km，谷底開闊，根據(jù)總布置規(guī)劃，全部加以利用。籌建期規(guī)劃有：棄渣場(chǎng)、可利用料中轉(zhuǎn)料場(chǎng)、籌建期右岸工程砂石加工系統(tǒng)；主體工程施工期規(guī)劃有：表土場(chǎng)、棄渣及中轉(zhuǎn)料場(chǎng)、溝口砂石系統(tǒng)等。規(guī)劃渣頂高程2 840 m，最大高度280 m，規(guī)劃容量約2 800萬(wàn)m3。

3 防洪標(biāo)準(zhǔn)比較分析

3.1 渣場(chǎng)等級(jí)

在可行性研究設(shè)計(jì)階段，尚無(wú)專門的渣場(chǎng)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范。可以參考的規(guī)范主要包括GB 51018-2014《水土保持設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL/5419-2009《水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》和SL 575-2012《水利水電工程水土保持方案技術(shù)規(guī)范》等水土保持專業(yè)相關(guān)規(guī)范。從各規(guī)范規(guī)定分析，立足點(diǎn)均有不同。而水利水電行業(yè)與國(guó)標(biāo)渣場(chǎng)總體分級(jí)是相同的，渣場(chǎng)均分為5級(jí)，但能源行業(yè)對(duì)渣場(chǎng)分級(jí)提出的要求較高，比如棄渣量大于300萬(wàn)m3，或堆渣高度高于100 m即為1級(jí)，水利規(guī)范及國(guó)標(biāo)1級(jí)棄渣場(chǎng)規(guī)模在1 000～2 000萬(wàn)m3之間，堆渣高度高于150 m，差別較大。按照各規(guī)范規(guī)定，可研報(bào)告[1]中曲引朗溝棄渣場(chǎng)總棄渣量超過(guò)1 000萬(wàn)m3，渣場(chǎng)等級(jí)確定為1級(jí)。

工程招標(biāo)階段，能源部2018年新頒布NB/T 35111-2018《水電工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，該規(guī)范沿用DL/5419-2009標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)基本原則，渣場(chǎng)劃分為5級(jí)，經(jīng)過(guò)復(fù)核，曲引朗溝棄渣場(chǎng)等級(jí)為特大型(Ⅰ級(jí))。

3.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 排洪工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于棄渣場(chǎng)排洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)規(guī)范規(guī)定如下：

(1)DL/T 5397-2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]規(guī)定，工程永久性棄渣場(chǎng)應(yīng)根據(jù)渣場(chǎng)的位置、規(guī)模、地形條件、周圍環(huán)境以及失事后的危害程度等，其防洪標(biāo)準(zhǔn)在20～50 a重現(xiàn)期內(nèi)選用；

(2)GB 51018-2014《水土保持設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定，棄渣場(chǎng)排洪工程級(jí)別與棄渣場(chǎng)級(jí)別相同，也對(duì)應(yīng)分為5級(jí)，1級(jí)渣場(chǎng)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a重現(xiàn)期，相應(yīng)的洪峰流量為80.1 m3/s。

曲引朗溝棄渣場(chǎng)等級(jí)為特大型(Ⅰ級(jí))，排洪建筑物按1級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)綜合各規(guī)范規(guī)定，選用100 a重現(xiàn)期設(shè)計(jì)。根據(jù)NB/T 35111-2018《水電工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行復(fù)核，對(duì)于Ⅰ級(jí)渣場(chǎng)，規(guī)范規(guī)定擋水壩及排洪建筑物級(jí)別為Ⅲ級(jí)，但洪水重現(xiàn)期仍是100 a。

選用不同規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)，建筑物等級(jí)不同，雖然對(duì)防洪標(biāo)準(zhǔn)基本無(wú)差別，但對(duì)于建筑物本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有一定區(qū)別的。

3.2.2 消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)規(guī)范對(duì)渣場(chǎng)排洪工程的出口建筑物消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，均未作明確規(guī)定。從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的本意去理解，防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏重于泄流能力的保證性用以確保堆渣壩的安全性，消能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)偏重于在設(shè)計(jì)流量下確保出口消能設(shè)施結(jié)構(gòu)不被破壞，減少維護(hù)成本。因此，在曲引朗渣場(chǎng)防洪工程設(shè)計(jì)中，參考DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，山區(qū)、丘陵區(qū)水電樞紐工程消能防沖建筑物的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可低于相應(yīng)泄水建筑物的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，故本工程選用30 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)作為消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的洪峰流量為64.3 m3/s。

3.2.3 施工期防洪標(biāo)準(zhǔn)

一般規(guī)模較大的渣場(chǎng)，棄渣運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，在永久泄水建筑物投運(yùn)前的施工期防洪標(biāo)準(zhǔn)也需要重點(diǎn)研究。

依據(jù)GB 51018-2014規(guī)定，棄渣場(chǎng)臨時(shí)性攔擋工程防洪標(biāo)準(zhǔn)取3～5 a一遇；當(dāng)棄渣場(chǎng)級(jí)別為Ⅲ級(jí)以上時(shí)，可提高到10 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。本工程選用10 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)作為排洪工程施工期渣場(chǎng)的臨時(shí)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的洪峰流量為50.2 m3/s。

3.2.4 渣體截排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于溝道型棄渣場(chǎng)，溝道內(nèi)洪水一般采用排水涵洞或排水隧洞，將其引走。渣場(chǎng)集雨面積內(nèi)降雨形成的徑流，一般采取截水溝、排水盲溝等形式排泄。依據(jù)NB/T 35111-2018節(jié)規(guī)定，渣場(chǎng)截排水應(yīng)考慮渣體外截排水、渣體排水，渣體排水標(biāo)準(zhǔn)與渣體外截排水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)一致。

4 永久排洪工程設(shè)計(jì)

4.1 排洪方式

曲引朗溝洪水流量大，沖溝場(chǎng)地的防洪問(wèn)題比較突出，上游的洪水應(yīng)由專設(shè)的溢洪道或排洪設(shè)施排至下游。由于沖溝場(chǎng)地比較分散、且渣場(chǎng)場(chǎng)地一旦產(chǎn)生不均勻沉積導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)，設(shè)置表面溢洪道結(jié)構(gòu)容易破壞，排洪效果可靠性差。通過(guò)渣場(chǎng)總體規(guī)劃及防洪措施研究，曲引朗沖溝均采用擋水壩擋水和隧洞排水的排洪方式。為降低隧洞堵塞風(fēng)險(xiǎn)并便于檢修，隧洞設(shè)置為明流洞。

4.2 擋水壩設(shè)計(jì)

曲引朗溝擋水壩為永久擋水建筑物，土石結(jié)構(gòu)型式，擋水標(biāo)準(zhǔn)采用100 a一遇洪水，相應(yīng)流量為80.10 m3/s，對(duì)應(yīng)的壩前擋水水位為2 862.04 m。擋水壩壩頂高程為2 864 m，壩頂軸線長(zhǎng)81.1 m，壩頂寬12.0 m，最大壩高13 m，迎水面、背水面坡比均為1∶2.5，擋水壩上游及庫(kù)盆采用格賓石籠防護(hù)，厚度0.5 m，頂部高程2 856 m，低于排水洞進(jìn)口底板高程1 m。

擋水壩壩體及壩基覆蓋層采用混凝土防滲墻防滲，壩基覆蓋層最大深度66.7 m，墻厚0.6 m。

4.3 排水洞設(shè)計(jì)

4.3.1 排水洞布置

曲引朗溝可利用溝段右岸基巖裸露，山體雄厚，排水洞可布置在右岸。溝口下游金沙江右岸，規(guī)劃有臨時(shí)砂混系統(tǒng)，場(chǎng)地高程2 535 m。從地形條件分析，排水洞進(jìn)口底板高程選擇為2 855 m。

排水洞從沖溝引水排至金沙江，進(jìn)出口高差近320 m，排水洞軸線總長(zhǎng)大于2 km，隧洞長(zhǎng)，縱坡大。為了解決排水洞泄流及消能問(wèn)題，擬定了緩坡隧洞+出口急流槽方案、上緩坡段+豎井+下緩坡段方案和一坡到底陡坡洞方案。

緩坡隧洞+出口急流槽方案，主要問(wèn)題是急流槽施工難度較大。

對(duì)于上緩坡段+豎井段+下緩坡段方案，經(jīng)數(shù)值模擬分析表明，豎井內(nèi)水流不對(duì)稱，且沿壁面水流厚度不一，豎井內(nèi)水氣摻混劇烈；至豎井末端，水流主要集中于豎井靠上游一側(cè)，能量較為集中，不利于消力井消能；豎井末端最大水流流速達(dá)到60 m/s量級(jí)，水流能量極高，水流出下緩坡段流速仍達(dá)30 m/s以上，仍有較高余能；在豎井消力井段，紊動(dòng)能較小、紊動(dòng)能耗散率低，說(shuō)明該方案消力井的消能效果較為有限，故將該方案予以否定。

陡坡洞方案，主要難度在于水力計(jì)算缺乏成熟經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，洞內(nèi)流速大，洞內(nèi)消能問(wèn)題也較為突出。

經(jīng)過(guò)數(shù)值分析、水工模型試驗(yàn)[5]，曲引朗溝渣場(chǎng)排水洞確定為緩坡隧洞+出口急流槽方案。

排水工程布置見圖1。圖中出口排水岔洞為施工取水用建筑物。

4.3.2 排水洞結(jié)構(gòu)

排水洞布置在沖溝右岸，從上至下主要由明渠段、進(jìn)口段、洞身段、出口段、急流槽等組成。其中，洞身段進(jìn)、出口高程分別為2 857 m、2 847 m，全長(zhǎng)2 078.505 m，過(guò)流斷面為城門洞型，尺寸5 m×6 m(寬×高)，頂拱中心角120°。出口明渠段，底板高程2 847 m，長(zhǎng)4.5 m。

4.3.3 急流槽及消力池結(jié)構(gòu)

排水洞出口銜接安排急流槽。急流槽始端和末端高程分別為2 847 m、2 536 m，軸線水平投影總長(zhǎng)度319.888 m，根據(jù)山坡地形，從上至下分3級(jí)坡比：Ⅰ級(jí)縱坡坡比1∶1.5、Ⅱ級(jí)縱坡坡比1∶0.9、Ⅲ級(jí)縱坡坡比1∶1.05。渠深3.5～2.5 m，過(guò)流面采用C30鋼筋混凝土襯砌，底板襯砌為臺(tái)階型式，臺(tái)階高度1.2 m，最小襯砌厚度0.5 m。

圖1 排水工程布置圖

急流槽下部接跌水池消能，跌水池長(zhǎng)11 m，底部高程2 526 m。跌水池后接排水箱涵，箱涵長(zhǎng)10 m，由2個(gè)尺寸為3 m×3 m斷面組成。箱涵出口為金沙江干流。

通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，在宣泄1%頻率下洪水時(shí)，洞內(nèi)為明流流態(tài)，最小斷面富余21.5%，洞內(nèi)最大流速4.93 m/s，由于臺(tái)階單寬流量小，臺(tái)階較陡，臺(tái)階上能形成均勻流，且水流大量摻氣，在急流槽出口處實(shí)測(cè)流速為19 m/s，消能率在93.5%～95.5%，臺(tái)階消能率較大，消能效果較好。

5 陡坡隧洞水力計(jì)算

排水洞布置方案主要比較了陡坡隧洞及緩坡隧洞兩種方案。陡坡隧洞可不設(shè)置急流槽，出口高程降低至2 550 m。

對(duì)于緩坡隧洞，水力學(xué)理論計(jì)算已比較成熟，成果比較可靠。

對(duì)于長(zhǎng)陡坡隧洞，一般情況下設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)時(shí)而無(wú)壓、時(shí)而有壓并伴有不穩(wěn)定氣囊周期性出現(xiàn)的明滿流交替水流現(xiàn)象，這種不穩(wěn)定流態(tài)，將使洞內(nèi)水流的動(dòng)水壓力、流速和流量等水力因素均發(fā)生周期性變化，從而對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、泄流能力、出口消能效果以及下游河道防沖等都產(chǎn)生一系列不利的影響。根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》[6]的建議，為避免不穩(wěn)定流態(tài)的出現(xiàn)，采用短洞或長(zhǎng)洞加高洞高和進(jìn)口做成銳緣形式的方法。本工程方案比較階段采用進(jìn)口有壓短洞、洞內(nèi)無(wú)壓陡坡隧洞型式。

隧洞過(guò)流時(shí)，洞內(nèi)水流流態(tài)主要有無(wú)壓流、半有壓流、明滿交替流、壓力流等不同流態(tài)。通過(guò)水力分析，當(dāng)上游水位在無(wú)壓流區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，各種洞寬的洞內(nèi)正常水深均低于洞高，洞內(nèi)呈無(wú)壓流狀態(tài)。對(duì)于洞內(nèi)明流、進(jìn)口有壓的流態(tài)，上下游總水頭差如何選擇無(wú)參考依據(jù)，且洞內(nèi)流態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的界限難以判斷。針對(duì)陡坡隧洞泄流能力計(jì)算存在的問(wèn)題，在無(wú)模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的情況下，通過(guò)研究提出了一種相對(duì)較為穩(wěn)妥的計(jì)算方法——“泄流能力下限包絡(luò)法”，分3種流態(tài)進(jìn)行陡坡隧洞泄流能力計(jì)算：

圖2 洞徑3 m×5 m、縱坡5%泄流能力對(duì)比圖

圖3 洞徑5 m×6 m、縱坡10%泄流能力對(duì)比圖

洞內(nèi)有壓的泄流能力是比較符合規(guī)律的，Qj的取值受陡坡坡比影響大，考慮Qj數(shù)值僅影響某個(gè)小范圍區(qū)間的泄流能力，對(duì)擋水建筑和泄水建筑物的規(guī)模影響相對(duì)較小，因此，可以認(rèn)為采用“泄流能力下限包絡(luò)法”計(jì)算陡坡隧洞泄流能力是適用的。

6 渣場(chǎng)施工期臨時(shí)排水設(shè)計(jì)

臨時(shí)排水措施包括渣場(chǎng)頂部周邊山坡預(yù)先修建截水溝、渣場(chǎng)底部設(shè)置盲溝、堆渣體內(nèi)部設(shè)置集水豎井等。電站籌建期部分工程的開挖棄渣和可利用料轉(zhuǎn)存需利用曲引朗溝口作為轉(zhuǎn)渣場(chǎng)，其中棄渣場(chǎng)頂部高程2 550 m，高程2 550～2 590 m之間為轉(zhuǎn)料區(qū)。因此，在排水洞運(yùn)行前，須對(duì)溝水進(jìn)行臨時(shí)排水處理?？紤]臨時(shí)使用時(shí)間為1.5 a，使用時(shí)間較短，臨時(shí)排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用10 a一遇，流量為50.02 m3/s。枯水期，溝內(nèi)排水采用鋼筋混凝土圓管涵，圓管涵進(jìn)口設(shè)置一字墻擋水，渣體表面滲水由盲溝排出；汛期，由表面明渠排水和圓管涵聯(lián)合排水。

6.1 排水盲溝

排水盲溝高2 m，寬3 m，兩側(cè)坡坡比均為1∶2，盲溝由粒徑為15～60 cm塊石填筑，面層手?jǐn)[厚25 cm的塊石。

6.2 排水圓管涵

一字擋墻為C20混凝土重力式結(jié)構(gòu)，頂部高程2 566 m，頂部軸線長(zhǎng)28.716 m，最大高度5 m，上游側(cè)坡直立墻，下游側(cè)坡1∶0.45，在擋墻高程2 564 m處中部設(shè)溢流缺口，缺口寬8 m。排水管涵布置在渣場(chǎng)底部，為C20鋼筋混凝土預(yù)制承插管，管涵長(zhǎng)437.793 m，內(nèi)徑1.5 m，進(jìn)口高程2 562 m，出口高程2 524 m，最大縱坡27.56%，平均縱坡8.7%，管壁厚0.15 m，管涵外側(cè)中心線以下10 cm范圍內(nèi)回填細(xì)砂，中心線以上10 cm范圍內(nèi)回填細(xì)渣，管涵兩側(cè)夯實(shí)區(qū)要求回填透水性良好的石渣，分層碾壓密實(shí)，壓實(shí)度不宜低于96%。

6.3 排水明渠

排水明渠沿轉(zhuǎn)料場(chǎng)坡腳線布置，因轉(zhuǎn)料區(qū)間是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，明渠隨轉(zhuǎn)料挖填過(guò)程調(diào)整，底寬須不小于4 m，排水明渠進(jìn)口接一字擋墻缺口，水流隨缺口流入明渠，排進(jìn)金沙江。明渠兩側(cè)及底板采用格賓石籠防護(hù)，格賓石籠表面噴厚15 cm的C20噴混凝土。

7 結(jié) 語(yǔ)

渣場(chǎng)防洪是渣場(chǎng)施工期和運(yùn)行期安全運(yùn)行的關(guān)鍵。曲引朗溝具有流量大、溝道長(zhǎng)、坡降大、堆渣高度大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)洪水流量80.1 m3/s，綜合利用溝道長(zhǎng)2.5 km，溝道底坡坡降超12%，渣場(chǎng)堆渣高度280 m。渣場(chǎng)堆渣量巨大，防洪問(wèn)題比較突出。不同的規(guī)范對(duì)渣場(chǎng)截排水措施的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不一致，而且差別較大，針對(duì)水電工程棄渣場(chǎng)，采用NB/T35111-2018規(guī)范執(zhí)行，對(duì)工程較為有利。

曲引朗溝渣場(chǎng)排水方案根據(jù)渣場(chǎng)總體布置方案，以排水隧洞出口水流與下游水流的銜接狀態(tài)、工程投資、施工難度等為主要分析因素，推薦采用擋水壩擋水、右岸隧洞排水，臨時(shí)排水方式為表面明渠排水和圓管涵聯(lián)合排水等綜合排洪設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)對(duì)工程的深入研究，針對(duì)陡坡隧洞半有壓流流態(tài)水力計(jì)算問(wèn)題，提出了“泄流能力下限包絡(luò)線”計(jì)算方法，即按有壓短洞和全洞有壓取泄流能力低值包絡(luò)線，對(duì)工程而言較為穩(wěn)妥，對(duì)于河道坡降較大的抽水蓄能電站導(dǎo)流洞及水電工程渣場(chǎng)排水洞等類似工程，具有一定的借鑒意義。