瀑布沟水电站泄洪洞出口岸坡防护

张 娅 琴

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

瀑布沟水电站水库正常蓄水位850m，汛期运行限制水位841m，死水位790m，设计水头186m，总库容53.37亿m3，调节库容38.94亿m3，为不完全年调节水库。枢纽总布置为：河床中建砾石土心墙堆石坝，引水发电建筑物、一条岸边开敞式溢洪道、一条深孔无压泄洪洞均布置于左岸，右岸设置一条放空洞。

泄洪建筑物按重现期500年洪水设计、最大可能洪水校核。下游河道及雾化边坡防护按100年一遇洪水设计。相应入库洪水流量为8 230m3/s，控泄出库流量为7 900m3/s(叠加尼日河来流量10 750m3/s)。

为减轻泄洪洞泄洪对右岸成昆铁路和尼日车站的雾化影响，当来水量为100年一遇洪水和水库水位为850.00m时，泄洪洞按2 000m3/s流量控泄，溢洪道控泄4 500m3/s，通常情况下，为保证坝脚安全，泄洪建筑物运行应优先使用泄洪洞。

2 泄洪洞及下游冲刷区基本情况

泄洪洞布置于左岸，总长2 024.82m，为无压洞，出口采用挑流消能。泄洪洞进口底板高程795m，洞身段底坡i=0.058，出口挑坎起挑高程为677.89m，最大泄量3 418m3/s，挑坎上的最大单宽流量164.5m3/s·m，最大泄洪水头183m，洞身最大流速约40m/s，鼻坎顶的最大流速为33.86m/s。

泄洪洞出口位于瀑布沟沟口上游，距上游溢洪道出口约2km，出口挑坎形式为扭曲斜切鼻坎。泄洪洞不同工况下出口挑距及水垫深度计算值见表1：

表1 泄洪洞出口挑射水流挑距及水垫深度成果

泄洪洞出口冲刷区河段，水面宽120～140m，水深6～12m，河床覆盖层厚45～63m；左右岸谷坡均为流纹斑岩，具有良好的抗冲蚀能力，自然边坡稳定性好，但河床漂卵石层及漂块卵石层抗冲能力较弱。

泄洪洞挑流鼻坎地基岩性为流纹斑岩，地基承载力和抗变形能力经灌浆处理后满足设计要求；护坦地基为冲积漂卵石层，结构松散，抗冲能力低，须采取防冲措施，防止溯源冲刷危及护坦。泄洪洞出口下游的大渡河两岸低线公路以下河岸覆盖层由表及里主要为人工堆积、崩坡积及河床冲积层。左岸覆盖层分布于古崩塌体至尾水出口、泄洪洞出口一带，其余区段主要为基岩。

3 出口水流冲刷情况和雾化成果

泄洪洞单体水工模型试验表明：下游河道中水流受挑射水流的影响，两侧均形成一定的回流。设计洪水时，左侧岸边水流回流流速为6.91m/s，右侧回流流速为5.13m/s。下泄Q=3 029m3/s流量时(下游河道流态参见图1)，河床最大冲坑深度31.9m，受回流淘刷，左岸河道覆盖层坍塌，岩体裸露，淘刷范围约40m。右岸较大范围内波浪较大，形成较大爬高，间隙性波浪最大爬高在设计及常年洪水情况下分别为5.3m和4.0m；左岸波浪高于右岸1～2m。

试验表明：水舌落于河床后在河道两侧产生的回流对两岸覆盖层淘刷较为严重，以及挑流水舌进入河道后产生的主流对左岸有一定的冲刷作用，需结合岩基地质条件对该段河流的两岸采取保护措施。

根据泄洪洞雾化数模计算成果：控泄流量Q=2 000m3/s时，雨强大于20mm/h的纵向长度661m，雨强分布参见图1。

图1 下游河道流态及雨强等值线分布

4 出口河段冲刷防护范围的研究思路

瀑布沟水电站泄洪流量大、泄洪水头高，泄洪雾化严重，挑流消能区淘刷脉动破坏严重，左岸有电站尾水出口、开关站等建筑物，右岸在740m高程(路基高程，高于河水面约60m)有成昆铁路和尼日车站，在690m高程(高于河水面约10m)有至甘洛县的永久改线公路通过。鉴于省道和成昆铁路的重要性和防护治理复杂，必须对两岸河道岸坡及公路的防护范围和防护措施进行详细研究，确保泄洪运行不危及成昆铁路和两岸公路及岸坡安全。

以往对下游河道两岸山体稳定的泄洪建筑物，其护岸工程防护设计思路一般是先冲刷一个汛期，再根据实际冲刷情况进行防护；或者，首先根据模型试验冲刷区范围初步确定防护范围，后期根据破坏情况再修复。瀑布沟泄洪洞出口对岸岸坡是成昆铁路的压脚基础，不能在泄洪时出现破坏，防护范围要足够，防护措施要得当。泄洪洞出口本岸岸坡一旦出现破坏不会立即危及挑流鼻坎和上部开关站建筑物安全。

出口下游河道岸坡破坏分为小流量砸护坦区、水舌落水淘刷区、淘刷区外强涌波区及泄洪雾化强雨雾区，确定出上述四个区域范围后，即可确定防护范围。根据泄洪洞出口冲刷模型试验成果确定淘刷区，根据现场地形条件和冲刷模型试验成果确定强涌波区，根据雾化数模计算成果确定雾化强雨雾区。

4.1 防护范围确定

两岸低线公路及岸坡处于泄洪冲刷雨雾区，根据该区域可能产生泥石流的雨强和类比工程实践，确定对雨强大于20mm/h、模型试验冲刷区及强涌波区两岸范围及低线公路进行防护，以防止泄洪时回流及强溅水对河道岸坡和公路的淘刷、脉动破坏。具体范围：尾水出口至瀑布沟大桥顺河向长865m。

4.2 防护高程确定

(1)右岸公路路面上下游分别按尼日河大桥、瀑布沟大桥桥面高程控制，在满足100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高的条件下，对公路坡度作相应调整；

(2)左岸防护高程按100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高控制；

(3)充分考虑尼日河出现100年一遇洪水对河岸防护的影响；

因此，右岸防护高程为684.21～690.00m，左岸防护高程为685.21m。考虑常年枯水期水位为668m，贴坡基础高程确定为668.00m。

5 出口河道岸坡防冲护措施

5.1 出口对岸岸坡防护区的防护设计

泄洪洞出口河道对岸(大渡河右岸)低线公路及岸坡处于冲刷及雾化强降雨范围，此地层表面为覆盖层和人工堆积，下层为阶地冲积物，均不能承受强降雨和淘刷作用。泄洪洞出口对岸消能区重点保护段为泄洪雾化强降雨区和水位变幅巨大波浪淘刷强烈区域，承担690.00m高程以上雾化区边坡固脚的作用，同时也是通往甘洛县的省道，该段河道整治工程设计原则：将公路路基以下覆盖层挖除后回填混凝土，达到既保护岩面、防止冲刷，又可形成公路路基，外侧采用C30贴坡混凝土面板，厚1.0m，公路路面厚0.3m，采用C30混凝土。对于泄洪洞消能区以外与上下游之间衔接段，泄洪雾化降雨强度和水位变幅波浪淘刷相对较弱，保留该段原路面混凝土结构，对原路面损坏部位进行修复, 清除岸坡覆盖层，采用C25贴坡混凝土面板，厚0.8m。对岸坡贴坡混凝土进行系统锚筋支护和设置系统排水孔，系统锚筋参数：φ25、L=4.5m、间排距2.0m。排水孔参数：在高程680.00m和683.00m各设置一排排水孔，排水孔孔径φ100、入岩3.0m、仰角5°、水平间距3.0m，交错布置，并用PVC管φ100引出至贴坡混凝土板外。贴坡面板坐落在贴坡基础上，基础尺寸2m×2m(宽×高)，在基础外抛投块石压脚防冲保护，压脚高程673m。参见图2。

图2 泄洪洞出口对岸岩质岸坡防护断面

5.2 出口本岸岸坡防护区的防护设计

为方便泄洪洞枯期检修，结合左岸河道岸坡治理，增设下游厂房交通洞口至泄洪洞出口的检修道路，为减轻对岸740.00m高程成昆铁路和尼日车站雾化影响，设计的泄洪洞出口水流在中小流量时水舌偏本岸并有砸本岸现象，因此，在泄洪洞护坦下游消能区预挖冲坑形成挑流水垫，以减轻对本岸淘刷。检修道路路基及河床岸坡顺河向总长约494m，路基宽4m，路面采用C30混凝土，厚30cm。

公路路基以上边坡清除覆盖层至基岩，并采用挂网喷混凝土和锚杆支护，同时布置排水孔。

对水流回流冲刷较强区域，路基采用C20混凝土浇筑，基础坐落在基岩上，抛块石护脚，岩质岸坡坡面布置锚筋，公路外侧岸坡采用C30贴坡混凝土面板，厚1.0m进行封闭，岸坡布置排水孔，锚筋和排水孔具体参数同对岸岩质边坡防护。水流回流冲刷较弱的交通洞口区域，为满足景观布置需要，清除部分人工堆渣，局部路基采用砂卵石回填，路基以下岸坡采用C20贴坡混凝土面板，沿岸坡布置排水孔，坡脚坐落在紧密的砂卵石层上，抛投块石压脚，防止水流直接冲刷，压脚高程670m。参见图3。

图3 泄洪洞出口本岸覆盖层岸坡防护断面

5.3 出口护坦修复设计

由于瀑布沟承担向下游泄放327m3/s流量的供水任务，2010年汛期瀑布沟电力系统出现故障，由泄洪洞局部开启小流量放水，时间较长。泄洪洞出口护坦临河侧部分基础是覆盖层，部分覆盖层出现掏空破坏现象，为防止小流量冲刷护坦危及挑坎基础，对护坦底部覆盖层和基岩进行固结灌浆处理，基岩基础固结灌浆参数：孔径φ50、孔深8m、排距2m；覆盖层基础固结灌浆参数：孔径φ50、孔深12m、排距2m。对局部掏空部位进行水下C25混凝土回填，并对护坦末端抛填大块石。

6 运行情况

通过对泄洪洞出口消能区河道岸坡防护，使原河道两岸岸坡抗冲刷能力大大加强，目前已经受住2010年汛期控制水库蓄水期库水位上升速度泄洪和2011、2012年汛期泄洪的考验。

泄洪洞出口左岸消能区2010年汛期受库水位上升速度的限制和向下游供水的要求，泄洪洞长期处于小流量运行，水流砸本岸情况严重，护坦部分基础被掏空，经修复处理后，经受住2011、2012年汛期泄洪考验，目前结构完好。

泄洪洞2010年运行时间长达1 940h，相当于几个汛期泄洪时间，2011、2012年又历经整个汛期运行考验，期间最大泄量达2 550m3/s，最小泄量为200m3/s，泄洪洞出口消能区河道岸坡防护经受雨雾、水流淘刷和涌波考验，护坦结构完好无损。

7 结 论

根据泄洪洞出口对岸成昆铁路雾化防护重要性，确定雾化及防冲标准和研究防护范围的方法是合理的。依据该工程水工模型试验、雾化数模计算、地形条件和工程类比确定的防护范围和高程是合适的。对泄洪洞消能区两岸河道边坡重点部位采取将公路路基及以下覆盖层挖除后回填混凝土，岸坡采取贴坡混凝土加锚筋与岩面紧密结合和系统排水等综合措施是可行的。

瀑布沟水电站挡水建筑物为当地材料坝，坝体本身不具备泄洪能力，其泄洪建筑物均布置于岸边，根据各泄洪建筑物的功能不同分别设置在不同高程，但对小流量泄洪时，会出现挑射水流未达到起挑流量而导致严重砸本岸现象，且历时较长，须对泄洪建筑物的本岸进行工程防护，以便宣泄小流量时得到保护。

目前防冲护岸设计暂无规程规范可依，值得借鉴已成功的工程实例较少，瀑布沟水电站泄洪洞出口消能区河道护岸的设计经验值得其它类似工程借鉴和参考。