梁 瓊 ，王 千 ，荊 凱

（1.遼寧省電力有限公司本溪供電公司，遼寧本溪117000；2.東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽110006）

低水頭水工建筑物一般位于河流中下游流域處地勢(shì)較為平緩的地區(qū)，此類水利工程特點(diǎn)是水頭較低、下游水位變動(dòng)較大，消能不穩(wěn)定，對(duì)河床沖刷嚴(yán)重[1]。在實(shí)際工程中，往往由于消能問題不能夠得到很好的解決，下泄水流具有較大的動(dòng)能，導(dǎo)致河床形成沖坑，岸坡沖毀，在下游水位降低的條件下，進(jìn)一步惡化了消能防沖的水力條件，對(duì)水工建筑物的安全威脅增大，因此有效的解決低水頭當(dāng)今水利界人士廣為關(guān)注的問題之一[1～3]。

1 概況

紅石水電站位于吉林省樺甸市，是第二松花江上白山與豐滿間的梯級(jí)電站。上游距白山水電站39.00 km，下游距豐滿水電站210.00 km。紅石水電站為河床式徑流電站，水庫系日調(diào)節(jié)水庫。

樞紐建筑物由左、右岸擋水壩、溢流壩、河床式電站廠房、開關(guān)站等組成。大壩為混凝土重力壩，壩長(zhǎng)438.00 m，最大壩高46.00 m，壩頂高程298.00 m。

溢流壩布置在右岸主河床上，長(zhǎng)128.00 m，共8孔，每孔凈寬12.00 m，堰頂高程為280.00 m，堰型為WES實(shí)用堰；溢流壩為平底消力戽的消能型式，挑角300，戽底高程為257.00 m，挑坎高程260.20 m，消力戽長(zhǎng)13.87 m。1987年紅石發(fā)電廠竣工后，縱向混凝土圍堰沒有拆除，該圍堰將8孔泄水閘分成左3孔和右5孔兩個(gè)消能區(qū)域。左側(cè)溢流壩寬度為44.00 m，右側(cè)溢流壩寬度為76.00 m。工程為Ⅱ級(jí)建筑物，按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核。

2 消力戽消能引起的破壞狀況及原因分析

2.1 破壞狀況

紅石大壩原泄洪消能設(shè)施經(jīng)過20余年的運(yùn)行和8次泄洪沖刷，對(duì)消力戽及混凝土縱向圍堰造成了較大破壞，泄流時(shí)對(duì)下游沖刷和淤積都很嚴(yán)重。

經(jīng)過水下地形檢查探明：消力戽挑坎混凝土破壞是結(jié)構(gòu)破壞，已影響泄洪時(shí)消能效果，泄洪時(shí)流態(tài)紊亂，對(duì)挑坎后已有沖刷坑的沖刷進(jìn)一步加劇，影響到大壩基礎(chǔ)尾部巖體的穩(wěn)定。1996年對(duì)大壩第一次定檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)消力戽的下游形成了較大的沖坑，最大沖坑深度3 m。此后的運(yùn)行過程中，沖坑深度逐漸發(fā)展，2005年5月大壩第二次定檢時(shí)檢測(cè)到縱向圍堰右側(cè)在壩軸線下60 m處基礎(chǔ)已被淘空一半以上，圍堰左側(cè)在壩軸線下58 m處基礎(chǔ)已被淘空三分之一?；炷量v向圍堰處存在嚴(yán)重的不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時(shí)有倒塌的可能。

下游河道由于放流沖刷，使河道局部堆積大量砂石，下游水位抬高，影響發(fā)電效益。1995年8月大水后，實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，下游砂洲有較大變化，在大壩下游0+250～0+500之間有兩個(gè)砂洲，一個(gè)靠近右岸，高程為264.47 m，面積5500 m2，另一個(gè)位于河道中央，高程264.68 m，面積7000 m2，嚴(yán)重影響尾水過流能力。

2.2 破壞原因分析

紅石水利樞紐初設(shè)和試驗(yàn)都開展在70年代，當(dāng)時(shí)把設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的重點(diǎn)都放在宣泄大流量洪水對(duì)壩體安全運(yùn)行的影響上，以溢流壩施放設(shè)計(jì)、校核頻率洪水的流量，作為選擇和衡量消能措施的首要條件。而實(shí)際運(yùn)行中，中、小流量頻繁宣泄與設(shè)計(jì)建議的調(diào)度方式有著較大的差異。模型試驗(yàn)局限在恒定流的前提下開展，而溢流壩泄流過程是非恒定狀態(tài)下進(jìn)行，下游水位在泄流的初始和持續(xù)一段時(shí)間之后是有差別的，在流量1000 m3/s左右的水位差可達(dá)4.5 m，所以溢流壩宣泄小流量洪水時(shí)，下游水位起初不足以形成戽流流態(tài)，為水流出鼻坎后形成挑流，這也是導(dǎo)致坎下沖刷加大的主要原因。

在1980年的水工整體模型試驗(yàn)中，縱向混凝土圍堰不存在，而實(shí)際情況縱向混凝土圍堰沒有拆除，出戽斗水流不能有效擴(kuò)散，從而造成壩下河道沖刷加深。

從1986年到2005年的消力戽下游的地形變化來看，原體實(shí)際沖刷較嚴(yán)重，大于1980年模型試驗(yàn)結(jié)果（對(duì)于4500 m3/s流量，1980年試驗(yàn)沖深2 m；對(duì)于3960 m3/s流量，原體實(shí)際沖深3 m，1997年以后，沖坑又逐漸加深3 m，其中最大泄流為2001年8月7日，放流2927 m3/s），初步分析是由大壩下游水位在建壩后降低所致。下游河道尾水下降是由于消力戽下游河道的自然下切以及人為因素如采沙等原因造成。

3 消能工改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 水工整體模型試驗(yàn)成果

根據(jù)2007年3月《紅石水電站水工整體模型試驗(yàn)報(bào)告》中試驗(yàn)結(jié)果，消能工采用在原戽流消能的基礎(chǔ)上，改為底流消能的消能形式，即將消力戽鼻坎拆除，戽底長(zhǎng)度加長(zhǎng)變?yōu)橄Τ匾患?jí)池池底，并在一級(jí)池末端設(shè)連續(xù)坎，其下游增設(shè)二級(jí)池的消能布置[1]。

3.2 消能工改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置

依據(jù)水工模型試驗(yàn)，底流消能的消能工結(jié)構(gòu)為二級(jí)消力池結(jié)構(gòu)，下游以護(hù)坦與尾水渠相連。

1）一級(jí)池。根據(jù)水工整體模型試驗(yàn)，消力戽戽坎需拆除，消力戽戽坎拆除與戽斗底平段相同高程后再向下鑿除0.50 m，新澆筑混凝土至257.00 m高程。為保證新澆筑的混凝土與老混凝土結(jié)合牢固，在混凝土結(jié)合面涂刷混凝土界面劑；并在澆筑面范圍布置直徑28 mm錨筋，錨筋深入巖石4.0 m，間排距1.5 m。

消力戽挑坎基礎(chǔ)齒槽混凝土從高程260.20 m至253.00 m范圍內(nèi)被破壞，破壞深度1.40～2.10 m。為了消力池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證泄洪安全，把消力戽挑坎基礎(chǔ)開挖后回填的混凝土全部挖除。

一級(jí)消力池長(zhǎng)36.37 m，寬124.00 m，底板頂高程257.00 m，底板厚度為2.00 m，表層0.5 m為硅粉C35F300W6三級(jí)配混凝土，底層1.5 m厚混凝土采用C25F200W6混凝土，在底板混凝土表層設(shè)置Φ16間距20 cm鋼筋網(wǎng)，鋼筋保護(hù)層厚度20 cm。為保證底板穩(wěn)定設(shè)置直徑28 mm錨筋，錨筋深入巖石4.0 m，錨筋間排距1.5 m。

一級(jí)池底板沿水流方向按11.00 m設(shè)一結(jié)構(gòu)縫，垂直水流方向結(jié)構(gòu)縫與壩體分縫一致，為16.00 m。為增加底板整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)縫設(shè)鍵槽。一級(jí)消力池底板結(jié)構(gòu)縫設(shè)一道水平銅止水和一道橡膠止水帶。

2）二級(jí)池。二級(jí)消力池長(zhǎng)39.30 m，寬121.48 m，底板頂高程256.00 m，底板厚度為1.20 m，混凝土采用C25F200W6混凝土，表層設(shè)置Φ16間距20 cm鋼筋網(wǎng)，鋼筋保護(hù)層厚度10 cm。

二級(jí)消力池底板沿水流方向按12.25 m設(shè)一結(jié)構(gòu)縫，垂直水流方向結(jié)構(gòu)縫與壩體分縫一致，為16.00 m。為增加底板整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)縫設(shè)鍵槽；二級(jí)消力池結(jié)構(gòu)縫設(shè)一道銅止水。二級(jí)池底板設(shè)置直徑22 mm錨筋，錨筋深入巖石3.0 m，錨筋間排距1.5 m。

3）尾坎。紅石水電站四臺(tái)機(jī)發(fā)電尾水位265.70 m，一臺(tái)機(jī)發(fā)電尾水位263.90 m，在枯水期不發(fā)電時(shí)下游水位260.00 m，考慮運(yùn)行時(shí)檢修方便，同時(shí)根據(jù)水工整體模型試驗(yàn)結(jié)果，尾坎頂高程確定為263.00 m，坎寬 4.00 m，上游面鉛直，下游坡 1∶0.6。

上游面及頂面表層0.5 m厚混凝土采用硅粉C35F300W6三級(jí)配混凝土，其余部位混凝土采用C25F200W6三級(jí)配混凝土。表層鋼筋沿水流方向受力主筋設(shè)2Φ25間距20 cm，沿尾坎長(zhǎng)度方向設(shè)Φ20間距20 cm鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度與二級(jí)池底板相接水平段10 cm，其余部位20 cm。

尾坎沿長(zhǎng)度每16 m設(shè)一結(jié)構(gòu)縫。結(jié)構(gòu)縫處表面設(shè)一道銅止水。與一級(jí)消力池底板相接水平結(jié)構(gòu)縫設(shè)一道銅止水和一道橡膠止水帶；與二級(jí)消力池相連結(jié)構(gòu)縫設(shè)一道水平銅止水。

由于尾坎直接受水流沖擊作用，承受的時(shí)均壓力較大。根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算和基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，需在上游側(cè)設(shè)5排錨筋，錨筋直徑28 mm，間排距1.20 m，深入巖石3.5 m。

4）護(hù)坦。下游以護(hù)坦與尾水渠相連，護(hù)坦長(zhǎng)度15.00 m，底板頂高程259.00 m。垂直水流方向結(jié)構(gòu)縫與壩體分縫一致，為16.00 m，與二級(jí)消力池底板相連結(jié)構(gòu)縫設(shè)一道水平銅止水。

護(hù)坦厚度為1.00 m，采用C25F200W6三級(jí)配混凝土，表層設(shè)Φ16間距20 cm鋼筋網(wǎng)，鋼筋保護(hù)層厚度10 cm。

5）固結(jié)灌漿。消力池一、二級(jí)池底板及尾坎護(hù)坦基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖后地質(zhì)揭露情況，對(duì)裂縫發(fā)育部位進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔梅花型布置，孔深入巖石5 m，間、排距3 m，固結(jié)灌漿孔距離底板結(jié)構(gòu)分縫處至少保證0.5 m。固結(jié)灌漿分兩序施工，Ⅰ序孔灌漿壓力不大于0.3 MPa，Ⅱ序孔灌漿壓力不大于0.5 MPa。

3.3 閘門調(diào)度原則

為確保消能工良好運(yùn)行，使池內(nèi)流態(tài)好并減少對(duì)大壩下游沖刷，依據(jù)《紅石水電站水工整體模型試驗(yàn)報(bào)告》制定了閘門調(diào)度原則，原則要求盡量避免閘門全開，以閘門均勻齊步開啟為好[4]。

4 消能工改造后運(yùn)用效果

4.1 工程實(shí)際應(yīng)用測(cè)試效果

2008年7月8日下午對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，8孔閘門全部開啟進(jìn)行泄流，完建后的流量為1200 m3/s左右，一級(jí)池及二級(jí)池內(nèi)水流平穩(wěn)，水流出護(hù)坦后明顯趨于平穩(wěn)，紊流狀態(tài)基本消失；對(duì)兩岸的淘刷大大減小。

2010年第二松花江流域遭遇百年一遇洪水期間，紅石大壩7月28日至8月6日連續(xù)大流量泄洪的考驗(yàn)。汛后，通過現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查和水下檢查，消能工外露部分（一級(jí)池尾坎及兩岸邊墻）完好無損，水下檢查，亦未發(fā)現(xiàn)消能工損壞現(xiàn)象。

4.2 原型觀測(cè)泄洪試驗(yàn)效果分析

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)技術(shù)改造后消力池的消能效果，為運(yùn)行調(diào)度和修訂運(yùn)行規(guī)程，2010年8月7日，紅石水電站對(duì)消能工附近的水位及流速等進(jìn)行了原型觀測(cè)泄洪試驗(yàn)。在試驗(yàn)中從流態(tài)來看，過壩水流進(jìn)入下游的消能工后，消能工內(nèi)的水體雖然在消能工改造前后均存在水流的起跳和涌浪，但兩者有較大的差異，可以歸納為以下三點(diǎn)。

1）消能工內(nèi)水體起跳的位置差異。消能工改造前過壩水流水體起跳的位置是正對(duì)過流孔，改造后水體起跳的位置是在過流孔的臨側(cè)，這種差別是二者的消能機(jī)理不同所致。改造前的戽流消能是通過“三滾一浪”的流態(tài)進(jìn)行，第一滾在消能工戽斗內(nèi)，其消耗的能量占消能工總消能效果的一半以上；緊接第一滾的下面是戽坎末端表面水體的“一浪”，這一浪包括了戽坎附近表面水體的起跳和涌浪兩部分，是過壩水體受戽坎的挑流作用所致，水體起跳位置正對(duì)所開啟閘孔，浪的下游緊接著是第二滾和第三滾。第二滾在水下，無法從表面看到，其消耗的能量對(duì)消能工消能效果的貢獻(xiàn)基本可以忽略，但消能工對(duì)戽坎末端出現(xiàn)垂直淘刷有緩解作用；第三滾在戽坎的下游，是戽流消能下游河道波浪向下游傳播的起始位置。消能工改造后為底流消能，過壩水流在消力池內(nèi)翻滾，與側(cè)向水體碰撞產(chǎn)生起跳，起跳發(fā)生在過流孔的鄰側(cè)位置。

2）消能工改造前后過壩水流的最大起跳高度基本相同，與堰高相當(dāng)，但消能工內(nèi)水體起跳量相差較大。消能工改造前，由于戽坎的挑流作用，戽坎附近表面水體的“浪”是戽流消能的組成部分，過壩水流的起跳量較大；改造后過壩水流在底流消力池內(nèi)的能量已有較大的消耗，在消能過程中，消力池內(nèi)隨機(jī)碰撞的水體雖然最大起跳高度與堰高相當(dāng)，但水體起跳的數(shù)量卻有數(shù)倍的減少。

3）消能工下游波浪的產(chǎn)生原因和強(qiáng)度不同。消能工改造前，消能工下游河道的波浪為周期性波浪；消能工改造后下游河道為陣發(fā)性波浪，水流波動(dòng)強(qiáng)度顯著減弱。紅石水電站消能工改造前，水流出消力戽后有相當(dāng)大的余能，戽流消能的第三滾在戽坎的下游產(chǎn)生周期性的波浪，與第一滾產(chǎn)生的隨機(jī)性波浪疊加，強(qiáng)度大且不宜衰減，波浪向河道下游傳播很遠(yuǎn)。消能工改造后，底流的消能效果遠(yuǎn)高于戽流消能，出消力池水流的波浪是由消力池內(nèi)的水體隨機(jī)碰撞產(chǎn)生，具有陣發(fā)性，水流經(jīng)過二級(jí)消力池的進(jìn)一步消能后，出池水流余能較小，波浪衰減較快。

4.2 改造后對(duì)發(fā)電量影響分析

結(jié)合消力戽改造，對(duì)尾水河道進(jìn)行了清挖，降低了尾水水位，增加了發(fā)電水頭，從而增加了發(fā)電量，直接經(jīng)濟(jì)效益明顯。

尾水清挖工程施工前停機(jī)時(shí)水位262.89 m，4臺(tái)滿發(fā)時(shí)水位266.49 m。清挖后停機(jī)時(shí)水位262.64 m，4臺(tái)滿發(fā)時(shí)水位266.08 m，分別降低0.25 m和0.41 m。機(jī)組狀態(tài)在停機(jī)、1臺(tái)正常發(fā)電、1臺(tái)滿發(fā)、2臺(tái)滿發(fā)、3臺(tái)滿發(fā)、4臺(tái)滿發(fā)的情況下，施工前后尾水位平均降低了0.49 m。

5 結(jié)論

紅石水電站通過對(duì)消力斛的改造，改變了原來消能方式，解決了泄洪時(shí)消能效率低,下游存在較大波浪狀況現(xiàn)象，減少了對(duì)下游岸坡、河床的沖刷，消除了危及紅石大壩安全運(yùn)行的隱患。通過工程改造，清除了下游河床大量砂石淤積，改善了尾水過流能力，降低了尾水水位，提高了發(fā)電效益。對(duì)同類工程的改造具有借鑒意義。

［1］郭之中著.消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，1982.

［2］周明德，柴恭純等著.閘壩工程水力學(xué)與設(shè)計(jì)管理［M］.北京：水利電力出版社，1995.

［3］嚴(yán)曉達(dá)等著.低水頭引水防沙樞紐［M］.北京.水利電力出版社，1990.

［4］紅石水電站水工整體模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.