錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化及防護(hù)措施研究

張旻

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化及防護(hù)措施研究

張旻

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

錦屏一級(jí)水電站泄洪洞具有“高水頭、高流速、大泄量”的特點(diǎn)，采用不對(duì)稱“燕尾”挑坎挑流消能，出口及下游河谷較窄，泄洪霧化嚴(yán)重。本文研究了泄洪洞泄洪霧化的成因及影響，根據(jù)物理模型預(yù)報(bào)泄洪水舌與泄洪霧化雨強(qiáng)分布，對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化影響進(jìn)行了綜合分析，并據(jù)此采取防護(hù)措施。

泄洪洞；泄洪霧化；降雨強(qiáng)度；分區(qū)；防護(hù)措施；錦屏一級(jí)水電站

0 前 言

錦屏一級(jí)水電站位于四川省鹽源縣、木里縣交界的雅礱江干流，水庫(kù)正常蓄水位1 880.00 m，死水位1 800.00 m。電站裝機(jī)容量3 600 MW，單機(jī)容量600 MW，為一等大（1）型工程。樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、右岸泄洪洞、右岸岸塔式進(jìn)水口、引水系統(tǒng)、地下廠房等組成。大壩壩頂高程1 885.00 m，最大壩高305.00 m，發(fā)電廠房采用地下廠房布置，安裝6臺(tái)600 MW水輪發(fā)電機(jī)組。

錦屏一級(jí)水電站右岸布置了一條泄洪洞，泄洪洞采用有壓隧洞轉(zhuǎn)彎后接無(wú)壓隧洞、洞內(nèi)“龍落尾”的布置型式，出口采用不對(duì)稱“燕尾”挑坎挑流消能，泄洪洞泄流能力3 254／3 311 m3／s（設(shè)計(jì)／校核），泄洪洞龍落尾反弧段末端流速達(dá)50 m／s。因此，在錦屏一級(jí)水電站設(shè)計(jì)中應(yīng)高度重視泄洪洞泄洪霧化的影響，研究霧化引起的各種危害及工程防護(hù)措施。

1 泄洪洞泄洪霧化的成因及其影響研究

泄洪“霧化”是指泄水建筑物泄洪時(shí)伴生的雨和霧的統(tǒng)稱。通過挑流鼻坎下泄的高速水流，在拋跌入下游河道的過程中，水流不斷地分裂、拋灑、以及水舌在入水時(shí)大量濺水，在下游水面以上及河床兩岸形成小范圍、強(qiáng)度大的降雨區(qū)和大范圍的彌漫水霧，特別是在挑（跌）流消能和運(yùn)用新型消能工的情況下，高速水流“霧化”現(xiàn)象更為顯著。

1.1 錦屏一級(jí)泄洪洞泄洪霧化的兩個(gè)主要霧化源

（1）泄洪水流空中摻氣擴(kuò)散是泄洪霧化源之一。錦屏一級(jí)泄洪洞出口采用不對(duì)稱的燕尾挑坎挑流消能，水舌的形態(tài)類似于“窄縫”的水舌形態(tài)，水舌在縱向拉伸較長(zhǎng)，同時(shí)泄洪洞泄流能力達(dá)3 254／3 311 m3／s（設(shè)計(jì)／校核），泄洪水流的消能過程中，水流在空中摻氣擴(kuò)散，空氣被不斷卷入，氣水比沿程增大，水流表面沿程有破碎水體成束、成片飛出，成群體水團(tuán)水滴，并伴雨霧。同時(shí)水舌拖拽空氣，形成強(qiáng)勁的泄洪水舌風(fēng)。尤其采用挑流方式和采用新型消能工消能時(shí)，更加劇了水流在空中摻氣擴(kuò)散。

挑射水舌空中摻氣擴(kuò)散形成的雨、霧與挑流的初始速度密切相關(guān)，流速愈高，紊動(dòng)愈強(qiáng)烈，錦屏一級(jí)泄洪洞龍落尾反弧段末端流速達(dá)50 m／s，使霧化現(xiàn)象發(fā)展尤甚。

（2）水舌入水激濺形成泄流霧化中強(qiáng)度最大的一個(gè)霧化源。根據(jù)模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)1 880 m水位時(shí)，錦屏一級(jí)泄洪洞水舌挑距84～204 m，最大波浪高度約為3 m左右，水舌入水點(diǎn)位置偏左岸，但水流不沖頂左岸。泄洪水流，尤其是挑流水舌主體以高流速下落與下游水面相撞擊，產(chǎn)生強(qiáng)烈的反彈激濺作用，使水舌入水周圍出現(xiàn)劇烈的濺水，激濺而起的水體獲得比入射水流更高的速度，向四周飛濺，并伴生強(qiáng)大氣流，在水舌入水點(diǎn)的兩岸及其下游，產(chǎn)生一個(gè)大面積的高強(qiáng)度降水區(qū)，濃霧彌漫。該區(qū)是霧化水流的暴雨中心，是主要的霧源地。

1.2 錦屏一級(jí)泄洪洞泄洪霧化影響的主要表現(xiàn)

（1）霧化形成的降水浸入巖體后一方面增加泄洪霧化影響區(qū)內(nèi)自然邊坡的下滑力，另一方面在邊坡內(nèi)形成上浮力，降低坡體的抗滑能力，影響邊坡穩(wěn)定，誘發(fā)滑坡。

（2）在泄洪濃霧區(qū)大雨如注，能見度低，時(shí)常伴有風(fēng)速10 m／s以上的大風(fēng)，影響兩岸交通；

（3）在濃霧區(qū)霧流會(huì)影響工作人員正常工作和生活。

2 泄洪洞泄洪霧化雨強(qiáng)分布

經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，泄洪洞出口霧化區(qū)相對(duì)獨(dú)立。泄洪洞挑流水舌入水點(diǎn)處在樁號(hào)（壩）1＋200.0～1＋320.0 m之間，位置偏左岸，水舌入水激濺影響區(qū)內(nèi)降雨強(qiáng)度達(dá)到100～300 mm／h（高程1 710.0 m以下），左岸泄洪霧化影響范圍大于右岸霧化影響范圍。

結(jié)合模型試驗(yàn)成果及類似工程原觀資料分析，壩下左岸樁號(hào)（壩）1＋200～1＋500 m高程1 710～1 730 m以下、右岸樁號(hào)（壩）1＋200～1＋400 m高程1 710 m以下雨強(qiáng)q＞50 mm／h；壩下左岸樁號(hào)（壩）1＋100～1＋650.00 m、右岸樁號(hào)（壩）1＋100～1＋550.00 m，高程1 710～1 770 m之間及1 710 m以下其它部位雨強(qiáng)10 mm／h＜q＜50 mm／h；泄洪洞周圍其它范圍內(nèi)雨強(qiáng)q＜10 mm／h。泄洪洞泄洪霧化降雨預(yù)測(cè)見圖1。

3 泄洪霧化強(qiáng)度分級(jí)

暴雨與持續(xù)時(shí)間有關(guān)，日降水量與每小時(shí)降水量不同，一般10～20 mm／h持續(xù)3～5 h，即相當(dāng)于暴雨以上，由于泄洪霧化所形成的是短時(shí)間、小范圍的暴雨，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于氣象定義的暴雨，所以采用我國(guó)東南地區(qū)南京初夏降水為我國(guó)暴雨各級(jí)降水標(biāo)準(zhǔn)，其每日及每小時(shí)降水量見表1。

圖1 錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化降雨預(yù)測(cè)等值線（單位：mm／h）

表1 各級(jí)降水的24h與1h相應(yīng)降水量

在錦屏一級(jí)水電站泄洪消能建筑布置和泄洪霧化區(qū)基本地形地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，綜合錦屏一級(jí)水電站泄洪霧化模型試驗(yàn)，以及二灘等工程原型觀測(cè)成果，結(jié)合表1氣象部門對(duì)暴雨強(qiáng)度的定義和分級(jí)，對(duì)泄洪霧化強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，見表2。

表2 霧化強(qiáng)度及降雨強(qiáng)度分級(jí)

4 邊坡穩(wěn)定安全控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL／T5353－2006）規(guī)定，邊坡級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3，在采用極限平衡方法中的下限解時(shí)，其設(shè)計(jì)安全系數(shù)不低于表4規(guī)定的數(shù)值。

表3 水工建筑物邊坡等級(jí)劃分

表4 水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)

規(guī)范中規(guī)定：針對(duì)具體邊坡工程所采用的設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)對(duì)邊坡與建筑物關(guān)系、邊坡工程規(guī)模、工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度以及邊坡穩(wěn)定分析的不確定性等因素的分析，從表4中所給的范圍內(nèi)選取。對(duì)于失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)度大的邊坡，或穩(wěn)定分析中不確定因素較多的邊坡，設(shè)計(jì)安全系數(shù)宜取上限值，反之取下限值；邊坡穩(wěn)定分析的基本方法是平面極限平衡下限解法，當(dāng)有充分論證時(shí)，可以采用上限解法，其設(shè)計(jì)安全系數(shù)按表4規(guī)定不變。

錦屏一級(jí)水電站工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為一等，其永久性主要建筑物—混凝土拱壩、泄水消能建筑物、引水及地下廠房建筑物等按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。其臨時(shí)性水工建筑物—圍堰、導(dǎo)流洞等按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

泄洪洞出口霧化區(qū)邊坡相對(duì)獨(dú)立，如其失穩(wěn)，主要影響對(duì)象不涉及1級(jí)永久性主要建筑物。根據(jù)水工建筑物邊坡等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，泄洪洞出口下游霧化邊坡為3級(jí)邊坡，在采用極限平衡方法進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，其設(shè)計(jì)安全系數(shù)不低于表5規(guī)定的數(shù)值。

表5 泄洪洞出口霧化邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)

5 泄洪洞泄洪霧化防護(hù)措施

泄洪洞出口樁號(hào)（壩）1＋100～1＋600 m范圍內(nèi)受霧化影響較嚴(yán)重的右岸邊坡主要由6層大理巖組成，左岸邊坡由7、8層大理巖組成，淺表部巖體卸荷強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)松弛，穩(wěn)定性較差?？紤]到泄洪隧洞出口區(qū)泄洪霧化對(duì)岸坡的影響，在樁號(hào)（壩）1＋100～1＋650 m范圍內(nèi)對(duì)雨強(qiáng)q＞10 mm／h的兩岸邊坡采用淺層錨噴保護(hù)，q＞50 mm／h的兩岸邊坡多采用混凝土護(hù)坡；清除河道兩岸邊坡支護(hù)區(qū)的覆蓋層及危石，做好排水和攔石設(shè)施。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)揭示的邊坡不利結(jié)構(gòu)面組合加強(qiáng)了錨索支護(hù)。

泄洪洞泄洪霧化邊坡防護(hù)分為左右岸區(qū)域，具體措施為：

（1）左岸自然邊坡主要防護(hù)區(qū)域如下：

左岸A區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋200～1＋260 m，防護(hù)高程1 710.00～1 770.00 m；

左岸B區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋260～1＋304.70 m，防護(hù)高程1 710.00～1 770.00 m；

左岸C區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋304.70～1＋400 m，防護(hù)高程1 710.00～1 775.00 m；

左岸D區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋400～1＋500 m，防護(hù)高程1 710.00～1 775.00 m；

左岸E區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋500～1＋550 m，防護(hù)高程1 710.00～1 750.00 m；

左岸F區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋550～1＋600 m，防護(hù)高程1 685.00～1 740.00 m；

左岸G區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋600～1＋650 m，防護(hù)高程1 685.00～1 710.00 m。

左岸I區(qū)：左岸樁號(hào)（壩）1＋550～1＋650 m，防護(hù)高程1 680.00～1 685.00 m。左岸樁號(hào)（壩）1＋100～1＋200 m，防護(hù)高程1 670 m／1 680 m高程以上清除覆蓋層后的邊坡。

左岸H區(qū)：左岸樁號(hào)1＋200～1＋550 m，防護(hù)高程1 680.00～1 710.00 m。

左岸A、B、C、D、E、F、G區(qū)巖石邊坡采用“錨桿＋噴混凝土＋掛鋼筋網(wǎng)”防護(hù)，錨桿采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，間排距1.5 m，交錯(cuò)、交替布置；噴10 cm厚C25混凝土，掛鋼筋網(wǎng)φ6.5＠15 cm ×15 cm，排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m，仰角5°，梅花形布置。其中左岸樁號(hào)（壩）1＋340～1＋550 m段覆蓋層邊坡采用“坡腳混凝土擋墻＋框格梁＋噴錨＋排水”進(jìn)行支護(hù)處理，框格梁采用C20混凝土，結(jié)點(diǎn)布置錨筋Ф32，L＝9 m，框格梁?jiǎn)卧駜?nèi)掛鋼筋網(wǎng)Ф6.5，網(wǎng)格間距0.15 m，噴C25混凝土，厚度10 cm，布置多孔PVC排水管，孔徑Ф90，入巖3 m，外包土工布，仰角5°。左岸I區(qū)巖石邊坡采用“錨桿＋噴混凝土＋掛鋼筋網(wǎng)”防護(hù)，錨桿采用Ф25，L＝4.5 m，間排距1.5 m，交錯(cuò)、交替布置；噴10 cm厚C25混凝土，掛鋼筋網(wǎng)φ6.5＠15 cm×15 cm，排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m，仰角5°，梅花形布置。

左岸H區(qū)巖石邊坡采用50cm厚鋼筋混凝土襯護(hù)，錨筋采用Ф25、L＝4.5 m，間排距1.5 m，入巖4.0 m；排水孔Ф50，間、排距3 m，入巖3 m，仰角5°，梅花形布置。針對(duì)樁號(hào)（壩）1＋238.00～1＋195.66 m，EL1 655～1 718 m因卸荷裂隙組合形成局部危巖體，采用“貼坡混凝土”防護(hù)，同時(shí)布置錨索支護(hù)，錨索參數(shù)T＝2 000 kN，L＝30／35 m，錨索傾角為5°（仰角）。卸荷裂隙出露部位采用“混凝土塞”封閉處理。

（2）右岸自然邊坡主要防護(hù)區(qū)域如下：

右岸A區(qū)：道班溝溝口上游側(cè)自然邊坡，山梁開口線外55 m范圍，防護(hù)高程1 670.00～1 750.00 m；

右岸B區(qū)：右岸樁號(hào)1＋300～1＋400 m范圍，防護(hù)高程1 670.00～1 740.00 m；

右岸C區(qū)：右岸樁號(hào)1＋400～1＋550 m范圍，防護(hù)高程1 670.00～1 715.00 m。

對(duì)右岸B、C區(qū)巖石邊坡采用系統(tǒng)錨噴支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：鋼筋網(wǎng)Ф6.5，網(wǎng)格間距0.15 m，錨桿Ф28、L＝6 m／Ф25、L＝4.5 m，間排距1.5 m，交錯(cuò)、交替布置；噴C25混凝土，厚度10 cm；排水孔Ф50，入巖3 m，間、排距3 m，仰角5°，梅花形布置。局部處于強(qiáng)卸荷帶，巖體普遍松弛的邊坡采用錨桿Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9.0 m，間、排距1.5 m，交錯(cuò)、交替布置加強(qiáng)支護(hù)。右岸A區(qū)巖石邊坡采用系統(tǒng)錨噴支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：鋼筋網(wǎng)Ф6.5，網(wǎng)格間距0.15 m，錨桿Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9 m，間、排距1.5 m，交錯(cuò)、交替布置；噴C25混凝土，厚度10 cm；排水孔Ф50，入巖3 m，間、排距3 m，仰角5°，梅花形布置。局部發(fā)育大量卸荷張裂隙的強(qiáng)卸荷帶采用錨桿束3Ф32，L＝12 m加強(qiáng)支護(hù)；針對(duì)發(fā)育有大量與道班溝山梁開挖邊坡近平行的卸荷裂隙采用T＝1 000 kN，L＝30 m／35 m錨索支護(hù)。

（3）右岸道班溝山梁削坡防護(hù)：

為避免出口水舌的沖擊，對(duì)道班溝山梁進(jìn)行削坡防護(hù)處理。開挖坡比1∶0.2，在1 670 m、1 690 m、1 710 m、1 730 m、1 750 m高程分別設(shè)置3 m寬?cǎi)R道，1 664 m高程形成平臺(tái)。

1 710 m高程～邊坡開挖開口線淺層支護(hù)采用“錨桿＋噴混凝土＋掛鋼筋網(wǎng)”，錨桿采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，間排距1.5 m，交錯(cuò)、交替布置；噴10 cm厚C25混凝土，掛鋼筋網(wǎng)φ6.5＠15 cm ×15 cm，排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m。1 710～1 664 m高程采用0.5 m厚單層鋼筋混凝土護(hù)坡，錨筋采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，間排距1.5 m，交錯(cuò)、交替布置；排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m。山梁開挖邊坡局部巖體松弛破碎、強(qiáng)卸荷區(qū)域采用Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9 m，間、排距1.5 m錨桿加強(qiáng)支護(hù)。

同時(shí)針對(duì)開挖邊坡局部不穩(wěn)定塊體組合布置了錨索支護(hù)，錨索參數(shù)T＝1 000 kN／2 000 kN，L＝30／35／40／45／55／60 m。

6 結(jié)束語(yǔ)

錦屏一級(jí)水電站泄洪洞采用有壓接無(wú)壓、壓隧洞轉(zhuǎn)彎后接無(wú)壓隧洞、洞內(nèi)“龍落尾”的布置型式，出口采用不對(duì)稱“燕尾”挑坎挑流消能，泄洪洞泄流能力3 254／3 311 m3／s（設(shè)計(jì)／校核），泄洪洞龍落尾反弧段末端流速達(dá)50 m／s，是典型的高水頭、高流速、大流量泄洪洞，因此其泄洪霧化的影響問題非常突出。

通過對(duì)泄洪洞泄洪霧化成因及其影響的研究，結(jié)合模型試驗(yàn)，預(yù)測(cè)了拋射水舌及泄洪雨強(qiáng)分布，對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化影響進(jìn)行了綜合分析，并據(jù)此采取了防護(hù)措施，可供類似工程參考。

TV135.2

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1003－9805（2015）02－0024－04

2014－10－09

張 旻（1982－），男，四川 成都人，工程師，從事水電工程設(shè)計(jì)工作。