向家坝水电站泄洪消能建筑物概况及度汛检修技术探讨

2012-07-19戴雷霓俞洪明代慧涛

水电站机电技术 2012年5期

关键词：表孔中孔向家坝

戴雷霓，俞洪明，代慧涛

（1.向家坝水力发电厂，四川宜宾 644612 2.中国长江三峡集团，北京 100010）

1 概述

向家坝水电站是金沙江下游流域规划的最末端水电站，电站装机6 400 MW，水库总库容51.63亿m3。拦河大坝为混凝土重力坝，最大坝高162 m。

向家坝水电站泄洪建筑物主要有表孔、中孔及消力池建筑物。布置在金沙江河床中部略靠右侧，为减轻泄水雾化对坝址周边城镇环境带来不利影响，采用底流消能形式。

泄洪坝段前沿宽度248.00 m，由12个表孔和10个中孔相间布置组成，下游由中导墙分成两个对称的消力池。表、中孔坝面泄槽由于溢流面高程不同用3 m宽的中隔墙分隔，中隔墙从上游闸墩起一直延伸至表中孔跌坎末端。泄洪坝段设有坝顶门机，启闭表孔检修平板门、中孔事故检修门和中孔进口反钩门。表孔、中孔工作弧门另设启闭设备。

图1 向家坝工程三维效果图

1.1 表孔

溢流表孔（见图2）采用开敞式WES堰，堰顶高程354.00 m，定型设计水头26.00 m，孔口宽8.00 m，闸墩宽12.00 m，每个表孔均跨坝段横缝对称布置，共12个表孔。坝段伸缩缝布置在表孔中心线上。溢流堰顶上游面堰面曲线采用椭圆曲线，，堰顶下游面采用幂曲线，幂曲线再通过1∶0.8的直线坝坡段与下游反弧段相连，反弧半径60.00 m，反弧段后设置水平跌坎。

跌坎末端桩号为0+132.00 m。表孔坝面泄槽上游宽8.00 m，在距跌坎水平距离20.00 m处开始边墙线性对称收缩，至跌坎末端泄槽底宽收缩为6.00 m。边表孔外侧边墙不收缩，采用顺直布置；内侧边墙收缩，收缩角同中间表孔侧墙。

表孔采用弧形工作门，孔口尺寸8.00 m×26.00 m(宽×高)，工作门上游布置一道平板检修门。由于表孔泄洪时下游堰面流速超过30 m/s，为避免空蚀，在溢流面直线段330.00 m高程附近设置掺气槽，并在侧墙上设通气孔，同时溢流面和侧墙过流边壁设抗冲耐磨混凝土。

1.2 中孔

中孔布置在每个泄水坝段的中部，进口底板高程305.00 m，孔口尺寸6.00 m×9.60 m，采用短有压喇叭型进口，进口顶板为椭圆曲线=1，有压段末端布置弧形工作门，工作门上游设置事故检修门，进口设检修门。为方便与下游堰面衔接，短有压进口段底板采用20°底坡。明流泄槽段从工作弧门后开始，泄槽底板坡度为1∶2.051。泄槽斜坡段与半径为55.00m的反弧段连接，反弧段后接水平跌坎。跌坎顶高程为253.00 m，跌坎顶面距消力池底板顶面8.00m，跌坎末端桩号为0+132.00m。泄槽底宽6.00 m，与出口跌坎等宽。由于中孔水头高，泄槽流速大，在中孔弧形工作门下游0+030.00 m桩号处设跌坎掺气，跌坎高1.50m，两侧壁设通气孔，通气孔直径1.40 m（见图3）。

图2 表孔剖面图

中孔属永久性泄水建筑物，担负着主要泄洪任务，其最大运行水头约75 m，控制段出口流速约31 m/s～35 m/s，考虑到抗空蚀、防渗等方面的要求，中孔进口短有压段、工作弧形处两侧边壁和底板采用钢衬保护，中孔下游泄槽边壁设抗冲耐磨混凝土。

图3 中孔典型剖面图

1.3 消力池（见图4～图6）

1.3.1 消力池结构布置

根据泄洪消能模型试验综合比较，确定消力池池长228 m，消力池总宽226 m，由10 m宽的中导墙分隔成两个对称的消力池，单池净宽108 m，消力池底板高程245.00 m，尾坎坎顶高程270.00 m，池内静水水深25 m。消力池左右导墙墙顶高程297.00 m，中导墙顶高程289.00 m。消力池尾坎顶宽7 m，尾坎下游设置长100 m的混凝土护坦，护坦厚1 m。根据基岩面出露情况，左消力池坎后护坦顶面高程250.00 m，右消力池坎后护坦顶面高程260.00 m。

1.3.2 消力池廊道及交通

按照设置独立抽排系统的要求，沿消力池左导墙、中导墙、右导墙及下游尾坎均设置帷幕灌浆廊道，与泄水坝段坝趾部位的下游帷幕灌浆廊道一起形成2个封闭的防渗系统，在左右导墙下游段各自设置集水井和泵房，以进行分区抽排。

2 泄洪消能建筑物抗冲耐磨材料

图4 消力池平面布置图

图5 消力池底板纵剖面图

图6 消力池横剖面图

根据向家坝水电站工程的具体特点，结合工程类比，泄洪消能建筑物使用的抗冲耐磨材料如下：

泄洪表孔反弧段底板、泄洪中孔钢衬段以下部位以及泄洪表孔和泄洪中孔之间的隔墙采用强度等级C9055的混凝土；消力池上游段（桩号约为0+240 m）底板采用强度等级C9050的混凝土，左、右导墙和中隔墙上游段（桩号约为0+240 m）迎水面采用强度等级C9055的混凝土；消力池其余部位采用强度等级C9040的混凝土。强度等级C9055、C9050、C9040的抗冲耐磨混凝土未掺加硅粉。

为进一步改善混凝土抗裂和抗冲磨性能，C9055和C9050混凝土掺加PVA纤维。在施工过程中尽量采用三级配常态混凝土，不适合浇筑三级配常态混凝土的部位优先采用二级配常态混凝土。

不同强度等级的抗冲耐磨混凝土配合比：C9055的水灰比为0.28～0.3、粉煤灰掺量为25%左右、PVA纤维掺量为0.9 kg/m3；C9050的水灰比为0.3、粉煤灰掺量为25%～30%、PVA纤维掺量为0.9 kg/m3；C9040的水灰比为0.33～0.35、粉煤灰掺量为30%～35%。

3 泄洪消能建筑物的规模和特点

向家坝泄洪消能具有高水头、大单宽流量、多泥沙的特点。其主要技术难点可归结为以下三个方面：

（1）典型的高水头、大单宽泄洪消能

向家坝水电站最大坝高162 m，20年、500年(设计洪水)和5000年(校核洪水)一遇洪水的最大入库流量分别为 28 200 m3/s、41 200 m3/s、49 800 m3/s，水库调蓄能力小，洪水调度只能以畅泄为主。泄洪坝段长度受到限制，致使单宽流量增大，消力池最大单宽流量达225 m3/s.m。另外，在各级洪水流量下，上下游水位差达91 m～85 m，最大泄洪功率达40 600 MW。

（2）消能型式受到较多制约

向家坝水电站的泄洪消能型式，因制约因素较多，在选择上存在较多困难。若采用挑流消能方式，会在大坝下游一定范围内出现较强的泄洪雾化降雨，而位于向家坝水电站大坝下游约1.7 km、距右岸岸边仅300 m～400 m距离处的云天化厂区，对因泄洪产生的雾雨与湿度有很严格的要求，因此只能放弃挑流消能方式。另外，向家坝水电站存在下游水位变幅大的特点，且有通航要求，更不宜采用传统的面流消能方式。因此，只能考虑采用底流消能方案。

另外，对于向家坝水电站而言，还存在坝基深层滑动的地质背景，一旦消力池底板遭到破坏，可能会对大坝整体稳定造成不利影响，因此，在泄洪消能设计上应给予特别考虑，要确保消力池底板的安全。

（3）泥沙磨损问题

金沙江为多沙河流，向家坝坝址多年平均悬移质输沙量2.47亿t，多年平均含沙量1.72 kg/m3，汛期实测最大含沙量49.7 kg/m3。当泄洪水流的含沙量较大时，对泄水道及消力池底板易产生磨损，这也是工程所面临的的重大问题之一。因此，在泄洪消能设计方面，应尽可能避免出现过于复杂的水流流态，降低消力池临底流速，以减轻含沙水流对泄水道及消力池底板的磨损。

（4）从运行维护管理的角度来看有以下特点和要求

1）如此大型的底流消能设施是国内外首例，维护管理没有经验可借鉴和参考；

2）消力池的抽干检修的排水工作量大，单个消力池的排水量将近61万m3；

3）金沙江含沙量高，在进行消力池大面积检修时，清淤清沙的工作量较大；

4）消力池抽干排水及清淤等检修作业所需的施工设备重量和尺寸较大，材料多，设备、材料的转运通道和场地受布置的限制，给检修工作带来了困难。

4 度汛检修技术

4.1 消力池度汛期间的检查

4.1.1 检查内容

由于消力池度汛期间水流不稳定，现场检查条件有限，因此首先要充分利用现场安装的大坝安全监测仪器及设备提前发现问题，一旦通过监测数据判断可能有威胁到大坝及消力池安全的问题时，应安排汛期的水下检查进行确认。汛期主要检查消力池是否出现冲坑及冲坑的位置、形态、深度和范围，以此来判断破坏是否对大坝稳定构成安全隐患。

4.1.2 检查手段及比较

汛期检查时间较短，且下游水位高于尾坎高程270 m，单池面积228 m×108 m，检查期间池内可能存在淤积，最大作业水深超过25 m。汛期检查没有条件抽干消力池内的水，只能进行水下检查。目前常用的水下检查方法有潜水员检查、水下电视检查、水下遥控潜水器检查、小型载人潜水艇检查、水下气压沉柜检查及多模式浅地层剖面测量检查等。

汛期水下检查优先选择管供式空气潜水进行近观目视、探摸和水下摄像检查同步进行的水下检查工艺。

4.2 度汛抢修

4.2.1 抢修内容

度汛期间抢修，主要指对消力池内出现危及大坝安全的冲坑及其它隐患部位进行临时抢修。

4.2.2 度汛抢修手段及比较

（1）抛石法

抛石法是指通过机械或人工，按一定的粒径和质量要求，抛投块石、卵石等人工或天然石料，在指定区域堆砌成形，对消力池水下部分进行防护，以保护消力池底板免受水流淘刷破坏，起到稳定底板的目的。抛石法具有就地取材、施工简单、费用低廉等优点，但大量大体积的石块来源不易获得，石料运输困难,且抛石整体性差、抗冲能力差，过流面平整度差。

（2）铰链混凝土沉排法

铰链混凝土是指用钢铰链将预制混凝土块连接，形成柔性排体，既可消能防冲，又可最大限度地适应变形，从而达到防护的目的。

（3）模袋混凝土法

土工模袋是由上下两层土工织物支撑的大面积连续袋状材料，模袋内充填混凝土或水泥砂浆，充填料凝固后即形成防护体模袋混凝土护坡。模袋混凝土防护技术具有地形适应性强、整体性好、抗冲刷能力强、施工快捷、经久耐用、价格合理、可以水下施工等优点，防冲效果较好；最大的困难是在水深流急情况下的施工，包括施工机械、冲灌及沉放工艺等，施工难度较大。

（4）水下混凝土

水下混凝土是指在陆地上拌制而在水环境中灌注和硬化的混凝土，它主要依靠自重和下落时的冲击作用密实。水下混凝土水下施工性能好，施工方便，适应性强，目前广泛应用于已建工程的水下修补。同时，水下混凝土具有灌注过程直观性差，一些异常情况不能及时发现和处理、对原材料及拌和物的质量要求高、造价偏高等缺点。

4.2.3 结合以往的施工经验及本工程的的实际情况，如果时间容许，建议首选水下不分散混凝土（NDC）与水下聚合物混凝土（PBM）相结合的施工方案，主要采用NDC水下不分散混凝土充填消力池底板出现的冲蚀坑；在损坏面积不大的部位（气蚀部位）采用PBM水下聚合物混凝土进行修补。如果时间很短，建议采用抛石法、铰链混凝土沉排法或模袋混凝土法。也可在采用上述方法后，再在表面施工自流平水下抗冲耐磨环氧混凝土进行保护和使表面平整。