兩河口水電站分流擋渣圍堰設(shè)計研究

呂海艷，張仁東

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 研究背景

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為雅礱江中下游梯級電站的龍頭水庫，壩址位于慶大河河口以下約1.8 km河段上，控制流域面積約65 599 km2，壩址處多年平均流量664 m3/s，水庫正常蓄水位為2865.0 m，水庫總庫容為108億m3，消落深度為80 m，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。兩河口水電站樞紐建筑物由土質(zhì)心墻堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、豎井旋流泄洪洞、發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物等組成，采用“攔河堆石壩+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)+左岸泄洪、放空系統(tǒng)+左、右岸導(dǎo)流洞”的工程樞紐總體布置格局。心墻堆石壩最大壩高295 m，引水發(fā)電系統(tǒng)為大型地下洞室群結(jié)構(gòu)，廠內(nèi)安裝6臺500 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均年發(fā)電量110億kW·h。

大壩采用全年施工，施工導(dǎo)流宜采用全年導(dǎo)流，根據(jù)壩址區(qū)地形、地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置特點及施工進(jìn)度要求，推薦采用斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式。

根據(jù)工程建設(shè)規(guī)劃，兩河口水電站初期導(dǎo)流洞過流后，電站進(jìn)水口、開關(guān)站、壩肩及左岸泄水建筑物出口開挖及支護(hù)進(jìn)行施工，施工工期持續(xù)1年9個月，由于壩區(qū)河床狹窄，兩岸邊坡較陡，在岸坡無法形成集渣平臺，開挖過程中不可避免有渣料下河。為滿足環(huán)保水保要求，初期導(dǎo)流洞具備過流條件后，在河床填筑上下游分流圍堰，形成河床集渣平臺，電站進(jìn)水口、開關(guān)站、壩肩及左岸泄水建筑物出口開挖渣料可直接翻渣至河床集渣平臺出渣。

2 分流檔渣圍堰設(shè)計

根據(jù)已有經(jīng)驗［1-8］，兩河口水電站分流擋渣圍堰進(jìn)行了初步設(shè)計：上游分流擋渣圍堰軸線位于1#導(dǎo)流洞進(jìn)口下游110 m處，推薦采用土石類圍堰，圍堰頂部采用1 m厚的混凝土面板進(jìn)行保護(hù)；圍堰下游斜坡水面以上部分，采用1 m厚的混凝土面板疊壓澆筑成階梯型防沖，坡比1∶4，混凝土面板尺寸8 m×8 m，混凝土標(biāo)號C25；層與層混凝土面板間用插筋連接，相鄰混凝土面板間用聯(lián)系筋連接，增強(qiáng)整體性并適應(yīng)變形；混凝土面板與堰體石渣填料間設(shè)置砂礫料的墊層；為減小在過水時對混凝土面板的揚(yáng)壓力，堰面上的混凝土面板設(shè)排水孔。堰前斜坡和堰后斜坡水面以下部分及堰腳考慮施工因素采用拋大塊石防護(hù)，3～5塊石塊之間用鋼絲繩連成串，以增加其抗沖能力。下游分流圍堰軸線位于1#導(dǎo)流洞出口上游170 m處，堰體型式與上游分流圍堰相同；上下游分流擋渣圍堰距離約為1.25 km，該處河段基本無坡降。

根據(jù)兩河口水電站壩址處分期設(shè)計洪水及實測汛期洪水資料以及將上下游水位差平分給上下游分流擋渣圍堰的原則，進(jìn)行導(dǎo)流洞和基坑聯(lián)合泄流水力計算，初擬如下4種方案進(jìn)行比選：（1）方案一：上游分流圍堰堰頂高程為2608 m，攔擋流量751 m3/s（枯水期11月10年一遇洪水流量），下游分流圍堰堰頂高程為2608 m；（2）方案二：上游分流圍堰堰頂高程2611m，攔擋流量1170 m3/s（汛期多年平均洪水流量），下游分流圍堰堰頂高程2608.5 m；（3）方案三：上游分流圍堰堰頂高程2614 m，攔擋流量2000 m3/s，下游分流圍堰堰頂高程2610.5 m；（4）方案四：上游分流圍堰堰頂高程2622.2 m，攔擋流量2820 m3/s（汛期2年一遇洪水流量），下游分流圍堰堰頂高程2615 m。

典型結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 分流圍堰典型結(jié)構(gòu)布置（單位：m）

3 試驗方案優(yōu)選

為進(jìn)一步研究分流擋渣圍堰初步設(shè)計方案的可行性和可靠性，確保圍堰度汛安全，給設(shè)計及工程實施提供有效依據(jù)和可靠的技術(shù)支撐，通過理論分析與水力學(xué)模型試驗研究相結(jié)合的方式，進(jìn)行了方案比選，試驗方式方法參考了已有試驗研究經(jīng)驗［9-11］。

3.1 方案比選水力學(xué)模型試驗按相似原理進(jìn)行設(shè)計，采用正態(tài)、動床模型，模型比尺為1∶60，以天然流量4140 m3/s為試驗流量，對設(shè)計的分流圍堰4種方案進(jìn)行了試驗，根據(jù)上下游分流圍堰堰前、堰面及堰腳水力條件，分別對4種方案的圍堰穩(wěn)定性進(jìn)行了對比。

試驗表明：隨著上游堰頂高程抬高，上游水位抬高，上下游水位差有所增加，方案一上下游水位差為2.7 m，而方案四上下游水位差增大至13 m，水位差增大，堰后流速隨之增大，增加了圍堰的穩(wěn)定難度，但是隨著水位升高，導(dǎo)流洞過流量增大，圍堰過流量相應(yīng)減小，又能夠減小對圍堰堰腳以及下游堰面的沖刷，對保證圍堰整體穩(wěn)定有利。

綜合比較，方案一和方案二水力學(xué)指標(biāo)相對較好，且工程量較省，但方案一和方案二分流圍堰的擋水保證率較低，方案一分流圍堰過水天數(shù)占約86.4%，過水頻繁；方案二分流圍堰過水天數(shù)占約42.1%，過水較為頻繁。方案四分流圍堰的過水天數(shù)僅約占1.5%，過流流量小，堰體穩(wěn)定有保障，但堰體高度大，工程量大，施工強(qiáng)度大，存在較大工期風(fēng)險，且投資較高。方案三水力學(xué)指標(biāo)較方案一與方案二略差，工程量較方案一、方案二略大，但是過水天數(shù)僅占約8.9%，擋水保證率較高。綜合比較，選定方案三為推薦方案。

表1 各方案分流圍堰水力特性值

3.2 體型優(yōu)化選定方案后，針對該方案進(jìn)行了體型優(yōu)化。試驗中發(fā)現(xiàn)，上游圍堰的破壞方式首先是下游護(hù)腳材料被水流沖走，然后防沖平臺下鋪設(shè)的1m厚的拋石護(hù)坡被沖失，繼而防沖平臺下的堰體填筑料失去防護(hù)不斷被水流挾帶沖失，造成混凝土柔性板發(fā)生凹陷、傾覆，繼而被水流沖走；下游圍堰的破壞方式主要受水流涌動及回流淘刷的影響，護(hù)腳材料先被淘走，再淘刷防沖平臺下鋪設(shè)的1m厚拋石護(hù)坡以及護(hù)坡防護(hù)下的堰體填筑料，導(dǎo)致防沖平臺的幾塊混凝土柔性板向下不規(guī)則凹陷，從而失穩(wěn)。

針對這一現(xiàn)象，試驗中的修改思路為：（1）通過抬高下游圍堰的堰高，減小上游圍堰承擔(dān)的水位差，降低上游圍堰下游堰面與堰腳水流流速，同時延長下游防沖平臺，使水躍發(fā)生在防沖平臺上，成為有效的消能區(qū)，減輕過堰后高流速水流對護(hù)腳材料的直接沖刷。（2）通過抬高下游圍堰的堰高，加大下游圍堰的堰后流速，擴(kuò)大正向流的范圍，減少回流對下游堰腳的淘刷，將下游圍堰的下游堰面防沖平臺以上以一坡到底型式鋪設(shè)混凝土柔性板，混凝土柔性板均采用前后、左右順縫銜接方式鋪設(shè)，進(jìn)一步加大下游圍堰的堰后流速；延長下游防沖平臺，使回流發(fā)生在防沖平臺上，減輕其對護(hù)腳材料的涌動淘刷。（3）對比不同的護(hù)腳材料，從根本上保證堰腳穩(wěn)定。經(jīng)修改優(yōu)化后，上游圍堰堰頂高程保持2614.0m不變，下游圍堰堰頂高程由2610.5m抬高至2611.0m；上游圍堰的防沖平臺高程保持2604.0m不變，長度由12m延長至20 m；下游圍堰防沖平臺高程由2603.5m抬高至2604.0 m，并將長度由6m延長至16m。

由于下游圍堰堰頂高程抬高，上游圍堰的堰后水位升高，上游圍堰承擔(dān)水位落差為3.3m，下游圍堰承擔(dān)水位落差為3.2m，上、下游圍堰均形成淹沒水躍，水躍發(fā)生在防沖平臺上，上游圍堰堰面實測最大流速10.4m/s，過堰后實測最大回流流速為-2.4m/s，下游圍堰堰面實測最大流速12.5m/s，過堰后最大回流流速為-1.3m/s。根據(jù)已有的研究經(jīng)驗［12-15］以及本工程的具體需求，選取四面體、單個大塊石、石串等幾種護(hù)腳材料進(jìn)行了對比，經(jīng)試驗，堰腳防護(hù)材料采用大塊石較四面體穩(wěn)定性更好，而將3～5塊石塊之間用鋼絲繩連成串，變形適應(yīng)能力更強(qiáng)，石串之間相互纏繞，不容易沖失，最終選取了石串作為護(hù)腳材料。優(yōu)化后，上游圍堰堰腳的護(hù)腳石串部分被沖失，堰后河床有輕微沖刷；下游圍堰堰腳及堰后河床有較輕微的淘刷；上下游圍堰堰體穩(wěn)定性均較好。最終推薦體型見圖2。

3.3 分流檔渣圍堰應(yīng)用情況水力學(xué)試驗最終推薦的分流擋渣堰方案在現(xiàn)場施工并成功過流后，水流流態(tài)與模型試驗結(jié)果相符，現(xiàn)場過流形態(tài)見圖3。由圖3可見，上、下游分流圍堰均能形成水躍，且水躍發(fā)生在下游平臺上，有效保護(hù)了堰腳防護(hù)材料，從根本上確保了圍堰穩(wěn)定。運(yùn)行至今，堰體穩(wěn)定性均較好，有效的攔擋電站進(jìn)水口、開關(guān)站、壩肩及左岸泄水建筑物出口開挖滾落至河床的石渣，避免水土流失，滿足了環(huán)保水保要求。

圖2 分流擋渣圍堰推薦體型結(jié)構(gòu)布置（單位：m）

圖3 分流圍堰過流形態(tài)

4 結(jié)論

（1）分流擋渣圍堰設(shè)計綜合考慮了圍堰過流方式、過流標(biāo)準(zhǔn)及擋渣效果，經(jīng)模型優(yōu)化后推薦的圍堰體型經(jīng)實踐證明是實際可行的，同時對類似工程的分流圍堰防護(hù)設(shè)計有一定的參考價值。（2）上游圍堰在下游堰面2604m高程設(shè)置長度為20m的消能防沖平臺，使水躍消能區(qū)發(fā)生在防沖平臺上，避免過堰水流直接沖刷堰后護(hù)腳材料；下游圍堰在下游堰面2604m高程設(shè)置長度為16m的消能防沖平臺，使回流淘刷區(qū)發(fā)生在防沖平臺上，避免過堰水流淘刷護(hù)腳材料，從根本上保證堰體穩(wěn)定。（3）上下游圍堰水位差分配是圍堰防護(hù)的關(guān)鍵，合理分配上、下游水位差，分擔(dān)水頭壓力，能夠增強(qiáng)圍堰的穩(wěn)定性，本工程分流擋渣圍堰所在河段幾乎沒有落差，所以最終選取了將上下游水位差均分的方式，即上游圍堰承擔(dān)水位落差為3.3m，下游圍堰承擔(dān)水位落差為3.2m，能量消耗分配合理，上下游圍堰穩(wěn)定性均較好。（4）圍堰堰腳采用抗沖流速高、變形適應(yīng)能力強(qiáng)的材料防護(hù)堰腳下游河床，可使沖坑遠(yuǎn)離堰腳，以防止堰腳沖刷破壞導(dǎo)致的堰體整體失穩(wěn)，本工程將3～5塊直徑為0.7～1.2m的石塊之間用鋼絲繩連成串，形成石串后變形適應(yīng)性更強(qiáng)，石串之間相互纏繞，抗沖失能力明顯提高，保證了堰腳的穩(wěn)定，從而從根本上保證了圍堰的穩(wěn)定。