周文妍,鮑 倩

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

城南水電站位于攀枝花市米易縣境內(nèi)的安寧河上,壩址上距米易縣城0.8 km,下距攀枝花市78 km。電站裝機(jī)容量2×8.5 MW,水庫正常蓄水位1 079.5 m,相應(yīng)庫容130萬m3,工程任務(wù)為發(fā)電和旅游,無供水、防洪等其它綜合利用要求。根據(jù)GB 50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和 SL 252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,該電站為Ⅳ等小(1)型工程。永久性主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì),次要及臨時(shí)性建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。擋水、泄水建筑物及河床式發(fā)電廠房均采用相同的洪水標(biāo)準(zhǔn),以30 a一遇洪水設(shè)計(jì),100 a一遇洪水校核,相應(yīng)的洪峰流量分別為3 360,4 060 m3/s。

泄洪閘位于左岸主河道,寬163 m,布置13孔?？卓趦魧?0m,中墩厚2.0 m,縫墩厚2×1.5m,閘室每2孔設(shè)一分縫,故每段寬25 m;閘室段長22 m,上游側(cè)設(shè)置12 m寬的交通橋,閘門布設(shè)于閘室下游側(cè);閘室設(shè)平板工作閘門和平板檢修閘門各1道。閘底板頂高程1 072.50 m,底板底高程1 070.50 m,板厚2m,最大閘高8.5 m,閘前混凝土防滲鋪蓋長5.5 m,下設(shè)全封閉厚0.6 m的混凝土垂直防滲墻;閘后設(shè)15m長的混凝土護(hù)坦 (其中7～10號(hào)閘后設(shè)消力池,池長15 m,池深1 m),在其末端設(shè)混凝土齒墻,后接22m長的海漫,海漫采用鋼筋混凝土網(wǎng)格石籠與鉛絲石籠相結(jié)合的方式,鋼筋混凝土網(wǎng)格石籠厚0.6 m,長13.6 m,鉛絲石籠長為4.4 m,海漫末端設(shè)大塊石齒墻,齒墻深4 m。

沖沙閘緊靠電站進(jìn)水口左側(cè)即泄洪閘的右側(cè)布置,寬13 m,設(shè)1孔,孔口凈寬10 m,2邊墩厚1.5 m。閘底板頂高程1 072 m,底板底高程1 070m,最大閘高9 m,閘后設(shè)15 m長的混凝土消力池,池深0.5 m,其余同泄洪閘。工程平面布置見圖1。

2 水毀情況

工程建成運(yùn)行幾年后,設(shè)消力池的4孔泄洪閘段,消力池以下護(hù)坦、海漫及防沖槽等全部被毀壞,消力池底板以下被淘空,最大沖深11.00 m,至高程1 061.0 m左右;不設(shè)消力池的其它閘段,護(hù)坦下游建筑物全部被沖毀,現(xiàn)有消力池、護(hù)坦段混凝土已存在開裂沉降等破壞現(xiàn)象。

3 修復(fù)方案設(shè)計(jì)及方案比較

根據(jù)水毀工程現(xiàn)場情況,結(jié)合水工模型試驗(yàn)提出3個(gè)修復(fù)方案,各方案的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水工模型試驗(yàn)結(jié)果如下:

3.1 修復(fù)方案1

3.1.1 工程布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

維持原布置不變,消力池段0+034.50～0+037.00 m范圍內(nèi)設(shè)混凝土齒槽,齒槽采用1∶1的斜坡開挖至1 068.5 m,槽底寬50 cm。全段底板采用C20鋼筋混凝土澆筑,內(nèi)設(shè)有PVC排水管(孔徑15 cm,間距2.0 m,梅花型排列),底板下設(shè)置10 cm厚的C10混凝土墊層。根據(jù)水毀情況采用環(huán)氧砂漿對消力池及其兩側(cè)的護(hù)坦底板裂縫進(jìn)行修補(bǔ),并對底板基礎(chǔ)淘空處采用C15混凝土進(jìn)行充填。

因0+037.00 m下游已完全被洪水毀壞,因此設(shè)計(jì)采用35 m長的海漫,海漫末端設(shè)17 m的防沖槽。海漫采用1∶50的坡度,起點(diǎn)高程1 072.5 m,終點(diǎn)高程1 071.8 m;海漫段底板厚1m,采用C20鋼筋混凝土澆筑,前端設(shè)有混凝土齒槽,槽深2 m,槽底寬50 cm,坡度1∶1。海漫末端0+072.00～0+084.00 m防沖槽底部為混凝土底板,底板厚1 m。防沖槽內(nèi)回填直徑80～100 cm的大塊石,回填總方量為1.1萬m3,總投資約100萬元。海漫與防沖槽的混凝土底板下均設(shè)置1層10 cm厚的C10混凝土墊層,基礎(chǔ)沖毀處采用 ρ≥2.2 g/cm3,相對密度d≥0.75的砂卵石碾壓回填至底板底高程。修復(fù)方案1的消力池段工程剖面布置見圖2。

3.1.2 水工模型試驗(yàn)成果

試驗(yàn)表明一級(jí)消力池池深不夠,且池長不足,當(dāng)閘門開度＞1 m時(shí),水流出閘后在消力池內(nèi)均形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍,在坎上呈現(xiàn)挑流狀態(tài),砸擊護(hù)坦,消力坎后水流不穩(wěn)定,水面波動(dòng)劇烈。

為了觀測消力池后護(hù)坦末端河床的沖刷情況,驗(yàn)證修復(fù)方案1的消能效果,進(jìn)行了局部動(dòng)床沖刷試驗(yàn)。動(dòng)床范圍為海漫末端 0+072.00～0+170.00 m。河道底高程為1 070.50 m,消力池至海漫段按不可沖的剛性材料考慮,動(dòng)床沖刷區(qū)內(nèi)樁號(hào)0+072.00～0+089.00 m斷面按設(shè)計(jì)要求回填大塊石 (用3～4 cm的碎石模擬)。

泄洪閘分別開啟1.0,2.0,3.0 m的1個(gè)沖刷試驗(yàn)周期后(約合原型7.5 h),防沖槽內(nèi)的大塊石已基本被沖光,防沖槽末端沖刷坑最深點(diǎn)位于0+088.00 m附近,最深點(diǎn)高程約1 063.8m。此時(shí)防沖槽末端0+084.00m斷面處最低點(diǎn)沖刷至約1 065.3 m,混凝土齒槽末端已經(jīng)被水流淘空。因此,該方案有待改進(jìn)?；炷笼X槽末端沖刷后地形見圖2。

圖2 修復(fù)方案1沖刷7.5 h后沖刷坑形態(tài)圖

3.2 修復(fù)方案2

3.2.1 工程布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄洪閘的不設(shè)消力池段結(jié)構(gòu)布置同修復(fù)方案1。

對7～10號(hào)孔閘下消力池進(jìn)行改造:改造后的消力池池長28.0 m,池深2 m,上游側(cè)采用1∶4.0的斜坡 (水平段長8 m)與50 cm長的平段銜接,其頂高程1 072.5 m;中游為19 m長的水平段,底板頂高程1 070.5 m;下游側(cè)為消力池尾坎,尾坎高程1 072.5 m,坎厚50 cm。消力池段0+022.00～0+047.50 m的底板底高程為1 069.5 m,0+047.50～0+050.00 m范圍設(shè)混凝土齒槽,齒槽采用1∶1的斜坡開挖至1067.5m,槽底寬50 cm。全段底板采用C20鋼筋混凝土澆筑。樁號(hào)0+050.00 m后接鋼筋混凝土護(hù)坦,護(hù)坦總長28 m,從0+050.00～0+050.50 m段底板厚2 m,頂高程1 072.5m,其后以1∶4的斜坡 (水平段長16 m)將護(hù)坦頂高程降至1 068.5 m,再接11.5 m長的水平段至0+078.00 m處;護(hù)坦底板厚1 m,采用C20鋼筋混凝土澆筑,末端設(shè)有垂直混凝土齒墻,齒墻深6.5 m,墻底高程為1062.00 m。消力池及護(hù)坦底板內(nèi)設(shè)有PVC排水管(孔徑15 cm,間距2.0 m,梅花型排列,末端包無紡布),底板下設(shè)置10 cm厚的C10混凝土墊層。修復(fù)方案2的消力池段工程剖面布置見圖3。

圖3 修復(fù)方案2工程布置剖面圖

3.2.2 水工模型試驗(yàn)成果

當(dāng)閘門開度1.0 m時(shí),一級(jí)池內(nèi)水躍不是很穩(wěn)定,水流左右擺動(dòng),在右側(cè)形成狹長的回流區(qū)。其原因主要是流量小,池內(nèi)水深大,并且左右閘墩厚度不均。當(dāng)閘門開度＞1.0 m時(shí),一級(jí)消力池內(nèi)形成完整和穩(wěn)定的水躍,略呈淹沒,護(hù)坦下游斷面上泥沙起動(dòng),河床開始受到?jīng)_刷。水流過坎后在下游護(hù)坦段內(nèi)形成水躍,躍后水流平穩(wěn),消能充分。

泄洪閘分別開啟1.0,2.0,3.0,4.0m的1個(gè)沖刷試驗(yàn)周期后,護(hù)坦下游最大沖深點(diǎn)位于樁號(hào)0+086.75 m處,最深點(diǎn)高程約為1 065.2 m。

3.3 修復(fù)方案3

3.3.1 工程布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樁號(hào)0+037m以前均保持現(xiàn)狀,其結(jié)構(gòu)修補(bǔ)方案同修復(fù)方案1。樁號(hào)0+037.00 m后接鋼筋混凝土護(hù)坦,護(hù)坦總長53 m,頂高程1 072.5 m,從0+037.00～0+037.50 m底板厚2 m,其后以1∶4的斜坡 (水平段長16 m)將護(hù)坦頂高程降至1 068.5 m,再接36.5 m長的水平段至0+090.00 m。護(hù)坦底板厚1m,采用C20鋼筋混凝土澆筑,末端設(shè)有垂直混凝土齒墻,齒墻深6.5 m,墻底高程為1 062.00 m。消力池及護(hù)坦底板內(nèi)設(shè)有PVC排水管(孔徑15 cm,間距2.0m,梅花型排列,末端包無紡布),底板下設(shè)置10 cm厚的C10混凝土墊層。修復(fù)方案3消力池段工程剖面布置見圖4。

圖4 修復(fù)方案3工程布置剖面圖

3.3.2 水工模型試驗(yàn)成果

總體來看,各工況水流流態(tài)比較相似,水流出閘后為急流,呈遠(yuǎn)驅(qū)水躍,消能任務(wù)落到一級(jí)池后的護(hù)坦上。雖然水流過挑坎后在護(hù)坦段內(nèi)形成二次水躍消能,但是二級(jí)池內(nèi)的水流流態(tài)同修復(fù)方案2相比,流速較大,消能效果略差。閘門各開度時(shí)泄流情況如下:

當(dāng)閘門開度1.0 m時(shí),水流在一級(jí)池內(nèi)產(chǎn)生水躍,躍首位于0+031.10 m斷面,水流過一級(jí)池后在下游護(hù)坦段內(nèi)產(chǎn)生水躍,躍首位于0+045.20 m斷面,躍尾位于0+055.50m斷面;0+080.00 m斷面流速分布較均勻。當(dāng)閘門開度2.0 m時(shí),水流出閘后為急流,在護(hù)坦段內(nèi)產(chǎn)生水躍,躍首位于0+053.70 m斷面,且兩側(cè)主流壓縮各1/2孔;護(hù)坦段內(nèi)水躍躍尾位于0+062.50 m斷面。此時(shí)護(hù)坦下游地形最大沖深點(diǎn)高程約1 065.3 m。當(dāng)閘門開度3.0 m時(shí),水流在下游護(hù)坦段內(nèi)躍首位于0+058.30 m斷面,躍尾位于0+064.60m斷面;護(hù)坦末端0+090.00 m處主流寬約38.50 m,此時(shí)護(hù)坦下游最大沖深點(diǎn)高程約1 064.7 m。當(dāng)閘門開度4.0 m時(shí),水流在下游護(hù)坦段內(nèi)躍首位于0+058.30 m斷面,主流壓縮至33.25 m;護(hù)坦段內(nèi)水躍躍尾位于0+065.30 m斷面。

經(jīng)過1個(gè)沖刷試驗(yàn)周期后,護(hù)坦下游最大沖深點(diǎn)位于0+118.00m附近,最深點(diǎn)高程約1063.0m,相比修復(fù)方案2沖刷略嚴(yán)重。但是由于修復(fù)方案3與修復(fù)方案2相比節(jié)省大量工程投資,若拆除水毀的消力池、護(hù)坦及消力池兩側(cè)的導(dǎo)墻,在工程實(shí)施過程中不僅存在較大的施工難度,而且將危及泄洪閘主體工程安全。經(jīng)綜合考慮后最終推薦采用修復(fù)方案3,即保留現(xiàn)有的一級(jí)池布置,降低護(hù)坦段高程進(jìn)行消能的方案。

4 結(jié) 語

經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證,工程水毀的主要原因是由于現(xiàn)狀一級(jí)消力池池深不夠且池長不足,導(dǎo)致出閘水流消能不充分。當(dāng)閘門開度＞1 m時(shí),水流出閘后在消力池尾坎上呈現(xiàn)挑流狀態(tài),砸擊護(hù)坦;且消力坎后水流不穩(wěn)定,水面波動(dòng)劇烈,對下游河道地形產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷,進(jìn)而淘刷消力池以及護(hù)坦底板。

通過理論計(jì)算和水工模型試驗(yàn),比較了3個(gè)修復(fù)方案,結(jié)合工程現(xiàn)場施工難度,最后推薦維持一級(jí)池不變同時(shí)降低護(hù)坦高程,形成二次水躍的消能方式 (方案3),并建議海漫末端進(jìn)行垂直防護(hù),以減輕河道沖刷,確保護(hù)坦和海漫的安全。另外,為了確保工程安全運(yùn)行,應(yīng)制定合適的閘門調(diào)度原則:盡量利用設(shè)置消力池的4孔泄洪閘多泄洪,在滿足下游河道安全的前提下,再利用其余閘孔泄洪。成果對類似工程具有參考價(jià)值。

[1]鮑倩,包中進(jìn).城南水電站消能防沖修復(fù)水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

[2]孫江南.葛洲壩大江電廠尾水護(hù)擔(dān)沖抗成因及修復(fù)設(shè)計(jì)[J].人民長江,1999(30):21-22.

[3]李煒.水利計(jì)算手冊 [M].北京:中國水利水電出版社,2006.

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