樂昌峽水利樞紐攔河壩泄流消能防沖設(shè)計

李少科

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

樂昌峽水利樞紐位于廣東韶關(guān)樂昌市境內(nèi)的北江支流武江上，是北江上游及韶關(guān)防洪安全不可替代的關(guān)鍵性防洪控制工程，是一座以防洪為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧航運(yùn)、灌溉等綜合利用的水利樞紐工程。壩址以上集雨面積為4 988 km2，防洪庫容為2.11億m3，總庫容為3.44億m3，電站裝機(jī)容量為132 MW，工程等別為II等，規(guī)模為大(2)型，主要建筑物級別為2級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇。

樞紐主要由攔河壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房等建筑物組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，由溢流壩段和非溢流壩段組成，壩頂高程為164.2 m，最大壩高為84.2 m，壩頂長度為256.0 m，壩頂寬度為7.0 m。溢流壩共5孔，單孔凈寬為12m，采用收縮邊墩+寬尾中墩+差動式鼻坎挑流消能，攔河壩下游立視如圖1所示。輸水發(fā)電系統(tǒng)布置于大壩左岸山體內(nèi)，采用1管1機(jī)布置，廠內(nèi)安裝3臺單機(jī)容量為44 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。

圖1 攔河壩下游立視示意(單位：高程m,尺寸mm)

樞紐主體工程于2009年6月開工建設(shè)，2012年3月下閘蓄水，2013年6月3臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，目前樞紐已安全運(yùn)行8 a。

2 地形地質(zhì)條件

壩址處河面狹窄，枯水期寬為60～70 m，河床高程約為89～93 m。正常蓄水位154.5 m高程對應(yīng)的河谷寬度為170～220 m。兩岸山體雄厚，地形較對稱，橫剖面上呈較開闊的“V”型，左岸山坡坡度為35°～40°，右岸山坡坡度為40°～45°。

壩址河床巖性以青灰、深灰綠色厚層變質(zhì)石英砂巖為主，夾淺灰色變質(zhì)粉細(xì)粒石英砂巖和薄層狀絹云母板巖，巖層產(chǎn)狀總體走向?yàn)镹W、傾向NE，受斷層F1、F6、F7、f5和向斜褶皺影響產(chǎn)狀變化較大，巖質(zhì)堅硬，裂隙較發(fā)育，巖體完整性一般～較好，整體呈弱風(fēng)化狀，局部斷層及其影響帶為強(qiáng)風(fēng)化巖。左岸岸坡巖性為灰黑、灰綠色中厚層石英砂巖、粉砂巖，巖體整體為弱風(fēng)化，斷層發(fā)育部位為強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體較完整。右岸岸坡巖性為灰綠、青灰色中厚石英砂巖、粉砂巖，夾薄層狀板巖，近壩區(qū)以弱風(fēng)化為主，完整性較好，下游端層理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，完整性較差，基礎(chǔ)均為強(qiáng)風(fēng)化巖，未能挖至弱風(fēng)化巖體。

3 溢流壩設(shè)計

3.1 設(shè)計難點(diǎn)與特點(diǎn)

1) 壩址兩岸地形陡峭，地層巖性為砂巖，裂隙構(gòu)造發(fā)育，右岸邊坡巖體為順向坡，地質(zhì)條件較差，兩岸巖體穩(wěn)定及抗沖能力較弱，需盡量減小沖刷坑范圍和深度，且下游河床狹窄，溢流壩寬度受河床寬度的限制。

2) 攔河壩與電站尾水隧洞出水口、廠房交通洞口等相距較近，需嚴(yán)格控制水舌挑距及沖刷坑深度，減少泄流霧化對邊坡及廠房運(yùn)行的影響，以保證攔河壩、下游邊坡穩(wěn)定及電站出水口安全。

3) 大壩下泄流量大，校核流量達(dá)8 470 m3/s；在低水位(汛限水位)時仍需下泄流量為3 190 m3/s，導(dǎo)致較低的堰頂高程和較高的孔口高度。

3.2 防洪調(diào)度方式

樂昌峽水庫與湞江灣頭水庫聯(lián)合調(diào)度[1]，共同保護(hù)下游防洪安全。為了充分利用湞江灣頭水庫的防洪庫容，灣頭水庫采用湊泄方式，樂昌峽水庫采用分級控泄的方式，在汛期4—8月以汛限水位為144.5 m起調(diào)。樂昌峽水庫調(diào)洪原則如下：① 當(dāng)樂昌峽來水小于3 190 m3/s時，樂昌峽水庫按天然來量泄放；② 當(dāng)樂昌峽來水大于3 190 m3/s，且灣頭水庫來水小于5 800 m3/s時，樂昌峽水庫根據(jù)庫水位進(jìn)行分級控泄；③ 當(dāng)灣頭水庫來水大于5 800 m3/s時，樂昌峽水庫按機(jī)組滿發(fā)流量泄放；當(dāng)樂昌峽水庫水位超過校核水位162 m時，考慮水庫安全，按不大于入庫洪峰流量泄放。

3.3 堰頂高程及泄流凈寬選擇

根據(jù)水庫調(diào)洪原則，溢流壩除承擔(dān)下泄設(shè)計、校核流量3 900 m3/s、8 470 m3/s外，還應(yīng)滿足下泄設(shè)計以下各級流量和常遇下泄流量的任務(wù)，特別是滿足汛限水位為144.5 m時下泄3 190 m3/s的要求。

壩址處地形狹窄，選擇合理的溢流壩寬度尤為重要。根據(jù)樞紐運(yùn)行調(diào)度要求及壩址的地形條件，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)和本工程擋水高度，溢流壩單孔凈寬擬定為12 m，選取了4孔、5孔、6孔即對應(yīng)的過流總凈寬和堰頂高程分別為48 m、60 m、72 m和133.3 m、134.8 m、135.9 m 3種方案進(jìn)行比選，經(jīng)投資估算，溢流壩孔數(shù)越少，工程直接投資越少；溢流壩孔數(shù)越多，工程直接投資越多。

5孔溢流壩總長度為78 m，其長度比枯水期河床寬度略寬，考慮溢流壩兩側(cè)邊墩的收縮，5孔溢流壩渲泄洪水時對下游的影響較小；4孔溢流壩總長度為63 m，小于枯水期河床寬度，渲泄洪水時的單寬流量增加，沖刷坑的影響范圍增大直接影響發(fā)電尾水出口的安全，導(dǎo)致出水口需適當(dāng)下移，尾水隧洞增長，既不利于水力過渡過程，又增加工程投資，另外下游兩岸邊坡防護(hù)范圍也相應(yīng)增加；6孔溢流壩總長度為93 m，超出河床寬度較多，即使邊墩收縮至河床寬度，其收縮率較大，將影響溢流壩的水流流態(tài)，反弧段的紊動加劇，不利于工程安全，同時工程投資增加；綜上分析，從節(jié)省工程投資、利于下游消能防沖及邊坡穩(wěn)定、奇數(shù)孔方便運(yùn)行調(diào)度的角度，選擇了5孔每孔凈寬為12 m、堰頂高程為134.8 m的溢流壩方案。

3.4 溢流壩體型設(shè)計

圖2 溢流壩典型剖面示意(單位：高程m，尺寸mm)

3.5 溢流壩布置

溢流壩共布置5孔，每孔凈寬為12 m，溢流前沿總凈寬為60 m，中墩、邊墩厚均為3.0 m，溢流壩段總長度為78.0 m。由于溢流壩堰頂較低，為降低閘門擋水高度，采用雙胸墻與弧形閘門共同擋水的形式，鑒于本大壩未設(shè)置排漂設(shè)施，考慮在汛限水位時由溢流壩排漂，在滿足過流能力的情況下，胸墻底部高程比汛限水位高1.0 m，胸墻頂與壩頂齊平，相應(yīng)孔口高度為10.7 m。閘門擋水最大水頭為28.2 m，單孔閘門門葉重約250 t，單孔總水壓力達(dá)31 000 kN，為省內(nèi)最大。交通橋位于事故檢修門槽的下游側(cè)，橋面凈寬為7.0 m。

每孔溢流壩均設(shè)弧形工作門1扇，在中墩、邊墩下游側(cè)閘墩內(nèi)布置固定液壓式啟閉機(jī)，操控弧形閘門啟閉。在工作弧形門的上游側(cè)設(shè)置1道檢修門槽，5孔共用事故檢修門1扇，由壩頂移動式門機(jī)控制啟閉。設(shè)置1扇排漂閘門方便排漂，與檢修閘門共用門槽，并在左邊孔設(shè)置有排漂閘門門庫。

3.6 消能防沖設(shè)計

根據(jù)工程實(shí)際情況及分析研究[9-10]，并結(jié)合水工模型試驗(yàn)[6-8]成果，溢流壩采用收縮邊墩+寬尾中墩+差動式鼻坎挑流的綜合消能工。

溢流壩邊墩收縮可減小溢流壩泄流時水流對下游兩岸山體的沖刷和近壩區(qū)發(fā)電尾水出口的影響。邊墩分別在壩縱0+017.000、壩縱0+028.000斷面收縮，對應(yīng)收縮角分別為4.677°和8.656°，溢流總寬度由前緣的78.0 m縮小到60.0 m，減小了挑射水舌入水?dāng)嗝娴膶挾取?/p>

溢流壩中墩尾部采用寬尾墩，可使水流呈水冠狀，形成高而窄的水舌躍起，往下游挑射，有利于空中碰撞、摻氣消能。閘墩在壩縱0-013.100～壩縱0+017.000中墩厚度均為3.0 m；壩縱0+017.000～壩縱0+028.000中墩厚度由3.0 m對稱加厚至5.3 m，壩縱0+028.000～壩縱0+028.500中墩厚度為5.3 m。

溢流出口采用高低坎差動式鼻坎體型，讓水流盡可能在空中碰撞、摻氣消能及下游入水?dāng)嗝娴目v向拉開，減小挑射水舌對兩岸邊坡以及電站尾水的沖刷；經(jīng)多年運(yùn)行驗(yàn)證，消能充分效果良好。

3.7 挑流消能水力計算成果及下游岸坡防護(hù)

攔河壩下游為裂隙較發(fā)育的弱風(fēng)化石英砂巖，沖刷系數(shù)k取1.1。針對校核洪水位和設(shè)計洪水位、汛限水位情況下泄流量及各級常遇流量的挑流水舌拋距、最大沖坑深度計算[2-5]可知，溢流壩挑流形成的最大沖刷坑深度為10.5 m，相應(yīng)水舌拋距為120.9 m。水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證在下泄設(shè)計流量為6 860 m3/s時，水舌挑距為110 m，沖刷坑深為13 m，較計算值大；河床面為弱風(fēng)化巖，按1:2.5的邊坡考慮，按最不利情況沖刷坑邊坡頂部至溢流壩壩趾、發(fā)電尾水洞出水口上游邊墻的距離均大于20 m，不會危及大壩和發(fā)電出水口的安全。

溢流壩和放水底孔泄流時，下泄水流流速、流態(tài)及剩余能量，將對河床及兩岸岸坡產(chǎn)生沖刷。為保證岸坡穩(wěn)定不影響上部道路交通和邊坡安全，下游兩岸岸坡消能防沖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按照50年一遇洪水高程以下采用厚度不小于0.8 m的鋼筋混凝土護(hù)坡，護(hù)腳底部嵌入弱風(fēng)化巖，對于右岸弱風(fēng)化埋深較大的特殊地段，采取沖孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力錨索加固處理。

3.8 抗沖防裂設(shè)計

溢流面最大泄流流速為30 m/s，為提高溢流面耐磨和抗沖刷的能力[12]，減少溢流面表面裂縫，確保溢流面的完整性、耐久性和運(yùn)行的安全性。溢流面采用C30混凝土混外摻40 kg/m3的鋼纖維和0.9 kg/m3的聚丙烯纖維，在滿足施工振搗的情況下盡可能降低水灰比等措施。實(shí)踐證明混摻鋼纖維和聚丙烯纖維后，降低了混凝土的干縮性，提高了混凝土抗拉強(qiáng)度和抗裂性能，具有良好的抗碳化性能，減輕了混凝土的碳化深度，從而提高溢流面的抗沖耐磨能力。

3.9 溢流壩消能防沖分析

攔河壩建成運(yùn)行至今，最大下泄為2 600 m3/s，根據(jù)水下測量及掃描成像結(jié)果[11](見圖3)顯示此時沖刷坑位置與計算基本相符，但沖刷坑深度[13]較計算值大，說明沖刷坑位置的巖石沖刷系數(shù)較計算取值大，經(jīng)反演復(fù)核，巖石沖刷系數(shù)[14]為1.44，屬于交易沖的巖石，現(xiàn)場沖刷坑位置與F6、F72條斷層位置吻合。當(dāng)巖石整體沖刷系數(shù)為1.44的極端情況下，計算校核洪水位時沖坑底高程為71.2 m，設(shè)計洪水位時沖坑底高程為76.38 m。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場沖刷坑位置河床平均高程約為84.7 m，此時對應(yīng)綜合巖石沖刷系數(shù)為1.25，計算校核洪水位時沖坑底高程為77.1 m，設(shè)計洪水位時沖坑底高程為80.54 m。在后續(xù)大壩泄流次數(shù)增加的情況下，下游河床整體下降的幅度不大，不會危及大壩的安全。實(shí)踐表明，下游巖石沖刷系數(shù)的選取需要綜合考慮巖石風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育情況及斷層破碎帶的影響后選取，才能實(shí)際反映沖刷坑深度。

圖3 下游沖坑分布示意

4 結(jié)語

樂昌峽水利樞紐工程的泄流消能防沖設(shè)計克服了地形地質(zhì)等客觀條件的制約，在滿足各工況泄流要求的前提下，重點(diǎn)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等角度分析研究消能防沖方案，提出了溢流壩收縮邊墩+寬尾中墩+差動式鼻坎挑流的綜合消能工。樞紐多年安全運(yùn)行表明，溢流壩泄流消能充分、安全可靠，沖刷坑位置、深度與計算基本吻合，工程結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，驗(yàn)證了消能防沖設(shè)計布置的合理性和可靠性。樂昌峽水利樞紐工程消能防沖設(shè)計的成功經(jīng)驗(yàn)，對于峽谷地形條件下的泄流建筑物消能防沖設(shè)計具有一定的借鑒意義。