溢流坝护坦末端基岩冲坑成因分析及处理

2014-12-06文德合

湖南水利水电 2014年4期

文德合

（五凌电力公司近尾洲水电厂衡阳市 421127）

前言

2005年9月，近尾洲水电厂汛后对溢流坝下游消能建筑物及河床进行了水下摄像检查。检查发现13#、14#溢流坝的消力池及16#、17#溢流坝的护坦末端有淘空现象，淘空深度（0.4～2）m，高度（0.45～1.7）m。 15#～16#溢流坝下游（坝轴线以下）（55～140）m处河床形成约40m宽的冲坑，其中在15#溢流坝下约70m处冲坑底部高程为47.7m（河床高程约为54.0m），在16#溢流坝下约50m处冲坑底部高程为48.7m，冲坑沿上游及左侧较陡，约为1∶1左右，沿下游及右侧坡度较缓，约为1∶5以上，冲坑长约95m，宽约36m，面积为3 500m2左右,最深约6m，平均深约2.5m（具体见图1）。

从2000年电站投产发电至2005年，电站溢流坝和消能工经过了5年汛期的考验。通过检测发现，虽然冲坑对大坝安全暂未构成较大危害，但冲坑已发展到护坦和消力池下游端，护坦下游侧面混凝土部分已完全裸露，并有部分底部出现基岩淘空现象，随着冲坑进一步向上游发展和深度的加深，必将对混凝土护坦和消力池产生破坏，并最终对闸坝的安全稳定构成危害。

图1 水下地形图

1 枢纽工程布置情况

近尾洲水电站位于湘江中游，地处衡南、常宁、祁东三县交界处，是湘江干流开发规划中的第五级电站。大坝主要由混凝土重力坝、河床式厂房、混凝土闸坝、均质土坝组成，全长810m，最大坝高24 m。其中混凝土闸坝布置于主河床位置，设有22孔泄洪闸，采用露顶式弧门，左侧6孔泄洪闸采用平底堰，其孔口尺寸为14m×11.5m，堰顶高程为55.00 m，右侧16孔泄洪闸采用WES堰，其孔口尺寸为14 m×9.5m，堰顶高程为57.00m。闸坝底宽24m，最大坝高26m，其中0#闸墩厚4m，1#～6#闸墩厚2.2m，7#～21#闸墩厚2m，22#闸墩厚3m。水库属于日调节水库，正常蓄水位66.0m、死水位65.10m，可调节库容0.246亿m3，水库库容4.6亿m3，坝址多年平均流量752m3/s、多年平均径流量237亿m3。工程以发电为主，兼有灌溉和航运等综合效益。装有3台单机为21.06MW的灯泡贯流式机组、总装机容量63.18 MW，接入系统电压为110 kV，2000年12月28日首台机组并网发电，2002年2月18日3台机组全部投产发电，设计年发电量2.92亿kW·h。

2 冲坑成因分析

经组织设计人员和专家对原工程设计、地质资料、模型试验结果和闸门调度方式进行了成因分析，认为造成溢流坝下游冲坑形成的主要原因是水力因素和地质特点综合作用而产生的。

（1）地质因素方面。消力池段和护坦段溢流坝坝基岩石主要有细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩三大类，且有浅层破碎夹层出露，节理裂隙较发育。在14＃～17＃闸坝护坦下游有部分区域存在岩石软弱破碎带，抗冲流速较低，易冲刷破坏。

（2）水力因素方面。电厂弧门按正常调度，2002年7月最大下泄流量10 067m3/s，8月最大下泄流量10 477 m3/s；2003年5月最大下泄流量 11 600 m3/s；2004年5月最大下泄流量7 400m3/s。每年汛后均进行了水下检查，未发现有损坏情况。2005年6月最大下泄流量为7 400m3/s，但在弧门调度过程中 15#、16#、17#、18#弧门均在 7#～14#弧门开度为 7.8 m的情况下小开度参与泄洪，且时间较多。

对于多孔泄洪的低坝工程，闸门调度是一个十分重要又复杂的问题，由于模型试验与实际工程运行情况存在一定差别，不排除在消力池段下泄中小流量而护坦段闸坝没有开闸泄洪时，3＃导墙处出现水流集中，并在消力池段14＃闸坝和护坦段15＃～17＃闸坝下游出现回流现象，且流速较大。当岩石抗冲流速低于水流流速时，易被冲刷并形成一定范围的冲坑。从冲坑的实际构成范围和深度的变化来分析，冲坑最深处集中在3＃导墙下游，从消力池段最右侧14＃孔右侧的护坦下游向3＃导墙右侧护坦段17＃孔的护坦下游发展，深度从左至右由深变浅，基本符合回流冲刷破坏的原理。

3 工程处理措施

（1）水下混凝土浇筑。为了防止冲坑进一步扩展，预防水流淘刷对消能工和大坝安全较大危害，需利用枯水期及时对冲坑和混凝土海漫后淘空部位进行修复处理，并采取措施减小3＃导墙下游的回流。

对冲坑处理最简单有较的措施就是进行回填。若单纯采用抛石回填，因电站附近缺少合适的石材，开采运输成本较高；在下泄洪水的余能作用和长期运行情况下，块石粒径将逐渐变小，易被冲走。若全部用水下混凝土回填至原河床高程，由于冲坑面积较大，约需混凝土8 000m3，修补工程投资太大，且完全没有必要。故经综合考虑，采用上游靠消能工位置局部回填水下混凝土加局部抛填钢筋笼块石的方式进行处理，而下游端因远离大坝，此次修补暂不处理，留待观测1年，若继续扩展则再作进一步处理，若基本稳定不再发展则可不作处理。

通过优化设计，16#～17#闸孔海漫下游冲坑在坝轴线向桩号H0+385.0至H0+410.0范围内，从上游侧顺河向桩号Z0+054.5由高程53.6m、宽1.5m，再以高程52m、高程51m宽1m高的阶梯向下游浇筑水下混凝土至高程49.6m，冲坑底部用混凝土回填至高程49.6m；桩号Z0+054.5上游至混凝土海漫未端用混凝土填平至53.6m高程，混凝土海漫末端底部淘空部位用混凝土回填。水下混凝土工程量为400m3，标号为C25，采用导管法水下立模浇筑。混凝土在岸上拌和，通过混凝土输送泵或导管利用停泊在冲坑上的浮箱工程船进行水下浇筑。水下混凝土台阶未端设置2排1.4m×1.4m×1.2m（长×宽×高）钢筋笼，内填块石，钢筋笼间用抛石填充，块石为弱风化灰岩、花岗岩或青石，粒径大于0.3m。

13#～14#溢流坝消力坎与岩石结合部位，为了防止冲刷扩大，危及消力坎及大坝的安全，对消力坎未端淘空部位采用导管法立模浇筑2m宽C25水下混凝土，并在其后设置1排11.4m×1.4m×1.2m（长×宽×高）钢筋笼，内填块石（冲坑处理的具体设计断面图如图2）。

图2 冲坑处理设计断面图

（2）闸门调度方式调整。电站在实际操作中根据设计标准进行闸门调度：近尾洲水库洪水调节起调水位为正常蓄水位66.0m，滞洪超过该水位，闸门全部开启，自由泄洪。弧门依据设计调度规定进行调度，具体调度方式为：

● Ⅰ区（7#～14#弧门）调度

当通过弧门下泄流量小于800m3/s时，只调度7#～9#弧门，三孔弧门必须同步开启，控制单宽流量小于19m3/s，闸门开启高度小于2.0m。

当通过弧门下泄流量在（800～2 100）m3/s时，再调度10#～14#弧门，五孔弧门必须同步开启，控制单宽流量小于19m3/s，闸门开启高度小于2.0m。

当通过弧门下泄流量在（2 100～5 570）m3/s时，调度7#～14#弧门，八孔弧门必须同步开启，随着流量变化调整弧门开度。

● Ⅱ区（15#～22#弧门）调度

当通过弧门下泄流量在（5 570～6 662）m3/s时，加开 15#～16#弧门。

当通过弧门下泄流量在（6 662～7 555）m3/s时，加开 15#～18#弧门。

当通过弧门下泄流量在（7 555～8 250）m3/s时，加开 15#～20#弧门。

当通过弧门下泄流量在（8 250～8 800）m3/s时，加开 15#～22#弧门。

增开的孔数以2孔为一组进行调度，闸门应全开，确保水位不超过66.0m，水流流态已成面流。

● Ⅲ区（1#～6#弧门）调度

当来水流量大于8 800m3/s时，1#～22#孔弧门必须全开。

调整后的调度方式为：

●当通过弧门下泄流量小于800m3/s时，调度7#～9#弧门，三孔弧门必须同步开启，控制单宽流量小于19m3/s，闸门开启高度小于2.0m。通过原型观测，若护坦下游出现回流，则同步增加开启15#～16#弧门，闸门开启高度小于0.5m，控制单宽流量小于8 m3/s；若护坦下游不出现回流，则不需增加开启 15#～16#弧门。

●当通过弧门下泄流量在（800～2 100）m3/s时，再调度 10#～14#弧门，弧门必须同步开启，控制单宽流量小于19m3/s，闸门开启高度小于2.0m。过原型观测，若护坦下游出现回流，则同步增加开启15#～16#弧门，闸门开启高度小于0.5m，控制单宽流量小于10m3/s；若护坦下游不出现回流，则不需增加开启15#～16#弧门。

● 当通过弧门下泄流量在（2 100～5 570）m3/s时，调度7#～14#弧门，八孔弧门必须同步开启，随着流量变化调整弧门开度。同时开启15#、16#弧门，闸门开启高度小于1m，控制单宽流量小于15m3/s；若仍有回流产生，则再同步开启17＃、18＃弧门，闸门开启高度小于1m。

●当通过弧门下泄流量大于5 570m3/s时，调度方式同原调度操作方式。