溪洛渡水电站水垫塘断面型式研究

黄 庆，雷 军，陈亚琴

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水电站洪水流量大，设计洪水洪峰流量43 700m3/s，校核洪水洪峰流量52 300m3/s,经上游梯级电站白鹤滩水电站调整蓄后为50 900m3/s, 总泄洪功率高达100 000MW，位居世界之首。电站拦河大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高278.00m，枢纽泄洪采取“分散泄洪、分区消能”的布置原则，泄洪设施由坝身7个表孔、8个深孔和左右岸各2条泄洪洞组成，坝身最大泄量为32 278m3/s，约占总泄量的66%。坝身孔口采用“分层出流、空中碰撞”的布置形式，坝后设水垫塘和二道坝消能。水垫塘的消能效果直接关系到坝身能否下泄超过30 000m3/s的洪水，其安全稳定直接关系到大坝的安全稳定，因此在可行性研究阶段结合“九五”攻关对坝身孔口体型和水垫塘的体型做了大量的科研工作，在技术上有很大的突破，满足了溪洛渡工程泄洪消能的技术要求。推荐的水垫塘的体型为反拱型水垫塘。在深化设计阶段对水垫塘断面型式进行了更加深入全面的分析研究，以期找出更适合溪洛渡水电站的水垫塘断面型式。

2 坝后消能区地形地质条件

坝后水垫塘段河道顺直，枯水期370m时江面宽80～100m。两岸410～420m高程以下为10°～30°的宽缓谷底的“U”形河谷，基岩多裸露。河床覆盖层厚11～22m，基岩顶板高程335～345m，弱风化岩体厚度一般为10～22m。水垫塘底板地基上游段约40%为玄武岩3层上部含凝灰质角砾(集块)熔岩，完整性较好，错动带和裂隙不发育，钻孔岩芯多呈柱状；下游段约60%为4层下部玄武岩，受层间和层内错动带影响，陡缓裂隙较发育，岩体完整性较差。水垫塘两侧地基及边坡由4、5层和6层下部玄武岩组成，受浅表风化卸荷影响，破碎带较宽，结构松弛，性状较差。

3 水垫塘断面型式的拟定

经拱坝坝身自由跌落的水舌，由于向心作用形成的冲刷坑最深点一般在河床中心，向四周逐渐增高，呈锅底形，采用简单的平底板复式梯形断面或反拱型底板接复式梯形断面来拟合自然冲坑形状都是合适的。

3.1 平底板水垫塘断面型式

根据坝身孔口水舌入水特性和水垫塘地形地质条件，拟定水垫塘为复式梯形断面，底宽60.00m，底板顶高程340.00m，底板厚4m。水垫塘360.00m高程以下坡度为1∶1.2，边墙厚4.0m；360.00～385.00m高程坡度为1∶1.0，边墙厚3.0m；高程385.00m以上边坡为1∶0.75，边墙厚2.0m。 在360.00m和385.00m高程设置5.0m宽的马道。水垫塘底边墙与底板直线相交，易产生冲蚀破坏，因此在此交角处(迎水面)采用圆弧衔接，反弧半径5.0m。

水垫塘设计水位(P=1%)为403.76m，校核水位(P=0.1%)为410.87m，考虑塘内消能水体的旋滚波高及安全超高，确定水垫塘顶高程为412.00～413.00m。在水垫塘顶设有1m高的导浪墙。在412.00m高程，水垫塘宽度为204.00m。在大坝校核洪水(P=0.01%)工况，二道坝下游水位为416.20m，水位高于水垫塘顶高程413.00m，考虑泄洪雾化暴雨冲刷，在水垫塘两岸430.00m高程以下均以80cm厚混凝土衬护。

3.2 反拱型水垫塘断面型式

反拱型水垫塘为反拱形底板接复式梯形断面，反拱底板为圆弧形，半径81.25m，圆心角为77.76°，弦长102m，底板弧顶高程336.00m，底板厚4m，在360.00m高程设有拱座。高程360.00m以上边坡为1∶1.0，在高程385.00m处设有5m宽的马道。在高程360.00m以上边墙厚3m。考虑塘内消能水体的旋滚波高及安全超高，水垫塘顶混凝土衬砌高程为411.00m，在411.00m平台设有1m高的导浪墙。在411.00m高程，水垫塘宽度为224m。

4 水垫塘断面型式比较

水垫塘两种断面型式的比较见图1。

图1 反拱型底板水垫塘与平底板水垫塘比较

4.1 地形地质条件

溪洛渡坝址天然河道为“U”形，由于坝身泄洪入水宽度的要求，两种型式水垫塘均能较好地拟合地形，虽有一定程度的开挖，但边坡开挖对两岸山坡及抗力体的影响都较小。由图1可以看出，两种体型的开挖断面基本相同，只是平底板水垫塘在385.00m高程以上开挖边坡略陡，开挖量减少。

4.2 水力条件

(1) 水垫塘的流态很大程度上取决于泄洪水舌的入水形态，而水舌的入水形态取决于坝身孔口的平面布置以及流道和出口体型，水垫塘的底板型式对塘内流态影响很小。

(2) 水垫塘底板最大冲击压力与水垫深度密切相关。平底板水垫塘与反拱底板水垫塘相比，平底板水垫塘在底板60m范围内水垫较反拱底板略浅，最大水垫深相差4.0m，与水垫塘40～60m水垫深度相比，相差极小。两种水垫塘其他部位的水垫深度相同。在高程385.00m马道以上，为减少对大坝抗力体的开挖，平底板水垫塘边坡坡度为1∶0.75，陡于反拱底板水垫塘的1∶1.0，在385.00m高程水垫塘的宽度为178.0m，大于水舌入水的最大宽度103.0m。两种体型均可满足水垫塘的消能作用。

(3) 针对相同的坝身孔口的布置，对两种水垫塘断面型式都进行了水工模型试验。在校核洪水工况，反拱底板水垫塘型式在上游水位607.94m、下游水位414.19m时，表孔、深孔联合泄洪下最大动水冲击压力为22.1×9.81kPa，位置在坝0+180.00桩号水垫塘中心线上；平底板水垫塘型式测得上游水位607.79m、下游水位414.42m时，表孔、深孔联合泄洪下最大动水冲击压力为24.19×9.81kPa，位置在坝0+185.00桩号水垫塘中心线上。二者模型试验结果比较接近。

还进行了两种水垫塘型式的水工试验比较分析。试验时水垫塘分缝分块12m×12m，不设止水。从单块底板所受上举力实测结果分析，在校核洪水工况，水库水位602.34m、水垫塘内水位409.97m时，平底板单块上举力为29 008.17kN，反拱底板单块上举力为22 916.16kN，相差较小。

水工模型试验还表明，两种型式水垫塘塘内水体水力条件相似，水流在塘内消能和下游防冲均没有本质区别。

4.3 结构稳定条件

平底板水垫塘抗浮稳定分析计算表明，所有工况都满足抗浮稳定要求(见表1)。

表1 平底板水垫塘底板抗浮稳定计算成果

反拱底板抗浮稳定分析计算表明，所有工况都满足抗浮稳定要求(见表2)。因检修情况下，水垫塘内无水，对反拱底板来说，此时拱作用最明显，安全性较高，因此未作计算。

表2 反拱板水垫塘底板稳定计算成果

两种型式水垫塘底板下部均设有纵横排水廊道和排水孔幕，在底板周边设有排水暗沟，排水孔口高程以下设有集水井并有抽水设备保证抽排，且纵、横缝设有可靠的止水设施，二道坝设有防渗帷幕及排水幕。排水廊道具有检修条件，虽然局部止水可能失效，但抽排系统不会失效，因此可以保证塘底板渗透压力很小，水垫塘底板稳定安全度较高。

反拱型底板的整体稳定性取决于拱座的稳定。由模型试验知，动水压力产生的上举力通过反拱型底板传到拱座的推力较小，拱座稳定满足要求。

4.4 施工检修条件

水垫塘表面铺设抗冲磨性能较好的硅粉混凝土，并要求与底层混凝土紧密结合。硅粉混凝土容易裂缝，要求振捣密实，否则容易被水流冲坏。平底板水垫塘结构简单，便于施工和检修，混凝土浇筑质量容易控制，硅粉混凝土浇筑质量较易得到保证。反拱型底板水垫塘由于两面浇筑模板是弧形的，施工工序复杂，施工难度较大，可能振捣不充分，难以保证施工质量，容易出现质量问题，而这恰恰是水垫塘质量保证的关键。

4.5 工程量比较

经比较，两种型式水垫塘的工程量基本相同。

4.6 综合比较分析

从地形地质条件、水流条件、工程量和结构稳定条件等方面比较，水垫塘的两种断面型式都是可行的，并且差异不大。但从施工检修条件来讲，平底板水垫塘结构简单、便于施工和检修，而反拱底板施工工序复杂，难以保证施工质量，因此平底板水垫塘相对更优。另外，反拱型底板水垫塘在国内外工程实例均较少。英古里拱坝消力塘是反拱型，但该工程的万年一遇洪水泄量较小，仅为2 500m3/s，已运行过的泄量不足1 000m3/s。而平底板水垫塘应用较多，国内已有二滩等工程较成熟的设计、施工及运行管理经验。溪洛渡工程泄洪规模巨大，其泄洪设施应采用技术成熟、安全可靠的结构型式，因此溪洛渡水垫塘的断面型式推荐为平底板型式。

5 水工模型试验成果

对溪渡渡最终的坝身孔口布置方案和平底板水垫塘断面型式，做了比尺为1∶100的水工模型试验，试验表明平底板水垫塘断面型式是合适的。主要试验成果为：

(1)千年一遇洪水工况，表、深孔全开联合泄洪时，坝身孔口水舌入水宽度为88.0m，万年一遇洪水工况时为96.5m；7个表孔单独泄洪时水舌入水宽度为81.00m，8深孔单独泄洪时为79.00m，超过水垫塘底宽60.00m，但都没有超过水垫塘360.00m高程宽度118.00m；虽有部分水舌落在1∶1.2的斜坡边墙部位，但由于该部位的水深仍有约50m，实测边墙未产生较大的冲击压力。

(2)大坝校核洪水工况(P=0.01%)，坝身泄洪流量为32 278m3/s，水垫塘底板最大动水冲击压力最大为14.78×9.8kPa。大坝设计工况(P=0.1%)，坝身泄洪流量为21 644m3/s，最大动水冲击动压为4.1×9.8kPa。7表孔单独泄洪工况，由于表孔设置了分流齿坎，对跌落水流分散很好，因此其最大动水冲击压力较小，为7.78×9.8kPa。8深孔单独泄洪工况，由于挑距远、水舌入水角度小、水垫较深，挑流水舌未冲击到水垫塘底板，最大动水冲击压力较小，为3.76×9.8kPa。所有工况下的最大动水冲击压力均小于15×9.8kPa，与二滩水电站的水平相当。

(3)万年一遇工况下水垫塘底板最大流速为24.25m/s，千年一遇工况由于水舌没有达到水垫塘的底部，临底最大流速仅为9.75m/s。

6 结束语

通过从地形地质条件、水流条件、工程量、结构稳定条件和施工检修条件等方面，对平底板水垫塘和反拱底板水垫塘进行了分析比较，结果表明水垫塘两种断面型式都是可行的，但从施工检修条件来讲，平底板水垫塘结构简单，施工质量容易保证，因此平底板水垫塘相对更优。从国内外工程实例来看，平底板水垫塘应用较多，设计、施工及运行管理经验成熟。因此，溪洛渡水垫塘最终采用平底板型式。通过水工模型试验验证，平底板水垫塘是合适的。