锦屏一级水电站泄洪洞泄洪雾化及防护措施研究

2015-06-05张旻

水电站设计 2015年2期

关键词：水舌锦屏泄洪洞

张旻

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

锦屏一级水电站泄洪洞泄洪雾化及防护措施研究

张旻

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

锦屏一级水电站泄洪洞具有“高水头、高流速、大泄量”的特点，采用不对称“燕尾”挑坎挑流消能，出口及下游河谷较窄，泄洪雾化严重。本文研究了泄洪洞泄洪雾化的成因及影响，根据物理模型预报泄洪水舌与泄洪雾化雨强分布，对锦屏一级水电站泄洪洞泄洪雾化影响进行了综合分析，并据此采取防护措施。

泄洪洞；泄洪雾化；降雨强度；分区；防护措施；锦屏一级水电站

0 前言

锦屏一级水电站位于四川省盐源县、木里县交界的雅砻江干流，水库正常蓄水位1 880.00 m，死水位1 800.00 m。电站装机容量3 600 MW，单机容量600 MW，为一等大（1）型工程。枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、右岸泄洪洞、右岸岸塔式进水口、引水系统、地下厂房等组成。大坝坝顶高程1 885.00 m，最大坝高305.00 m，发电厂房采用地下厂房布置，安装6台600 MW水轮发电机组。

锦屏一级水电站右岸布置了一条泄洪洞，泄洪洞采用有压隧洞转弯后接无压隧洞、洞内“龙落尾”的布置型式，出口采用不对称“燕尾”挑坎挑流消能，泄洪洞泄流能力3 254／3 311 m3／s（设计／校核），泄洪洞龙落尾反弧段末端流速达50 m／s。因此，在锦屏一级水电站设计中应高度重视泄洪洞泄洪雾化的影响，研究雾化引起的各种危害及工程防护措施。

1 泄洪洞泄洪雾化的成因及其影响研究

泄洪“雾化”是指泄水建筑物泄洪时伴生的雨和雾的统称。通过挑流鼻坎下泄的高速水流，在抛跌入下游河道的过程中，水流不断地分裂、抛洒、以及水舌在入水时大量溅水，在下游水面以上及河床两岸形成小范围、强度大的降雨区和大范围的弥漫水雾，特别是在挑（跌）流消能和运用新型消能工的情况下，高速水流“雾化”现象更为显著。

1.1 锦屏一级泄洪洞泄洪雾化的两个主要雾化源

（1）泄洪水流空中掺气扩散是泄洪雾化源之一。锦屏一级泄洪洞出口采用不对称的燕尾挑坎挑流消能，水舌的形态类似于“窄缝”的水舌形态，水舌在纵向拉伸较长，同时泄洪洞泄流能力达3 254／3 311 m3／s（设计／校核），泄洪水流的消能过程中，水流在空中掺气扩散，空气被不断卷入，气水比沿程增大，水流表面沿程有破碎水体成束、成片飞出，成群体水团水滴，并伴雨雾。同时水舌拖拽空气，形成强劲的泄洪水舌风。尤其采用挑流方式和采用新型消能工消能时，更加剧了水流在空中掺气扩散。

挑射水舌空中掺气扩散形成的雨、雾与挑流的初始速度密切相关，流速愈高，紊动愈强烈，锦屏一级泄洪洞龙落尾反弧段末端流速达50 m／s，使雾化现象发展尤甚。

（2）水舌入水激溅形成泄流雾化中强度最大的一个雾化源。根据模型试验实测1 880 m水位时，锦屏一级泄洪洞水舌挑距84～204 m，最大波浪高度约为3 m左右，水舌入水点位置偏左岸，但水流不冲顶左岸。泄洪水流，尤其是挑流水舌主体以高流速下落与下游水面相撞击，产生强烈的反弹激溅作用，使水舌入水周围出现剧烈的溅水，激溅而起的水体获得比入射水流更高的速度，向四周飞溅，并伴生强大气流，在水舌入水点的两岸及其下游，产生一个大面积的高强度降水区，浓雾弥漫。该区是雾化水流的暴雨中心，是主要的雾源地。

1.2 锦屏一级泄洪洞泄洪雾化影响的主要表现

（1）雾化形成的降水浸入岩体后一方面增加泄洪雾化影响区内自然边坡的下滑力，另一方面在边坡内形成上浮力，降低坡体的抗滑能力，影响边坡稳定，诱发滑坡。

（2）在泄洪浓雾区大雨如注，能见度低，时常伴有风速10 m／s以上的大风，影响两岸交通；

（3）在浓雾区雾流会影响工作人员正常工作和生活。

2 泄洪洞泄洪雾化雨强分布

经模型试验验证，泄洪洞出口雾化区相对独立。泄洪洞挑流水舌入水点处在桩号（坝）1＋200.0～1＋320.0 m之间，位置偏左岸，水舌入水激溅影响区内降雨强度达到100～300 mm／h（高程1 710.0 m以下），左岸泄洪雾化影响范围大于右岸雾化影响范围。

结合模型试验成果及类似工程原观资料分析，坝下左岸桩号（坝）1＋200～1＋500 m高程1 710～1 730 m以下、右岸桩号（坝）1＋200～1＋400 m高程1 710 m以下雨强q＞50 mm／h；坝下左岸桩号（坝）1＋100～1＋650.00 m、右岸桩号（坝）1＋100～1＋550.00 m，高程1 710～1 770 m之间及1 710 m以下其它部位雨强10 mm／h＜q＜50 mm／h；泄洪洞周围其它范围内雨强q＜10 mm／h。泄洪洞泄洪雾化降雨预测见图1。

3 泄洪雾化强度分级

暴雨与持续时间有关，日降水量与每小时降水量不同，一般10～20 mm／h持续3～5 h，即相当于暴雨以上，由于泄洪雾化所形成的是短时间、小范围的暴雨，其强度远大于气象定义的暴雨，所以采用我国东南地区南京初夏降水为我国暴雨各级降水标准，其每日及每小时降水量见表1。

图1 锦屏一级水电站泄洪洞泄洪雾化降雨预测等值线（单位：mm／h）

表1 各级降水的24h与1h相应降水量

在锦屏一级水电站泄洪消能建筑布置和泄洪雾化区基本地形地质条件的基础上，综合锦屏一级水电站泄洪雾化模型试验，以及二滩等工程原型观测成果，结合表1气象部门对暴雨强度的定义和分级，对泄洪雾化强度进行分级，见表2。

表2 雾化强度及降雨强度分级

4 边坡稳定安全控制标准

根据《水利水电工程边坡设计规范》（DL／T5353－2006）规定，边坡级别划分标准见表3，在采用极限平衡方法中的下限解时，其设计安全系数不低于表4规定的数值。

表3 水工建筑物边坡等级划分

表4 水利水电工程边坡设计安全系数

规范中规定：针对具体边坡工程所采用的设计安全标准，应根据对边坡与建筑物关系、边坡工程规模、工程地质条件复杂程度以及边坡稳定分析的不确定性等因素的分析，从表4中所给的范围内选取。对于失稳风险度大的边坡，或稳定分析中不确定因素较多的边坡，设计安全系数宜取上限值，反之取下限值；边坡稳定分析的基本方法是平面极限平衡下限解法，当有充分论证时，可以采用上限解法，其设计安全系数按表4规定不变。

锦屏一级水电站工程规模为大（1）型，工程等别为一等，其永久性主要建筑物—混凝土拱坝、泄水消能建筑物、引水及地下厂房建筑物等按1级建筑物设计。其临时性水工建筑物—围堰、导流洞等按3级建筑物设计。

泄洪洞出口雾化区边坡相对独立，如其失稳，主要影响对象不涉及1级永久性主要建筑物。根据水工建筑物边坡等级划分标准，泄洪洞出口下游雾化边坡为3级边坡，在采用极限平衡方法进行稳定分析时，其设计安全系数不低于表5规定的数值。

表5 泄洪洞出口雾化边坡设计安全系数

5 泄洪洞泄洪雾化防护措施

泄洪洞出口桩号（坝）1＋100～1＋600 m范围内受雾化影响较严重的右岸边坡主要由6层大理岩组成，左岸边坡由7、8层大理岩组成，浅表部岩体卸荷强烈，结构松弛，稳定性较差。考虑到泄洪隧洞出口区泄洪雾化对岸坡的影响，在桩号（坝）1＋100～1＋650 m范围内对雨强q＞10 mm／h的两岸边坡采用浅层锚喷保护，q＞50 mm／h的两岸边坡多采用混凝土护坡；清除河道两岸边坡支护区的覆盖层及危石，做好排水和拦石设施。对现场揭示的边坡不利结构面组合加强了锚索支护。

泄洪洞泄洪雾化边坡防护分为左右岸区域，具体措施为：

（1）左岸自然边坡主要防护区域如下：

左岸A区：左岸桩号（坝）1＋200～1＋260 m，防护高程1 710.00～1 770.00 m；

左岸B区：左岸桩号（坝）1＋260～1＋304.70 m，防护高程1 710.00～1 770.00 m；

左岸C区：左岸桩号（坝）1＋304.70～1＋400 m，防护高程1 710.00～1 775.00 m；

左岸D区：左岸桩号（坝）1＋400～1＋500 m，防护高程1 710.00～1 775.00 m；

左岸E区：左岸桩号（坝）1＋500～1＋550 m，防护高程1 710.00～1 750.00 m；

左岸F区：左岸桩号（坝）1＋550～1＋600 m，防护高程1 685.00～1 740.00 m；

左岸G区：左岸桩号（坝）1＋600～1＋650 m，防护高程1 685.00～1 710.00 m。

左岸I区：左岸桩号（坝）1＋550～1＋650 m，防护高程1 680.00～1 685.00 m。左岸桩号（坝）1＋100～1＋200 m，防护高程1 670 m／1 680 m高程以上清除覆盖层后的边坡。

左岸H区：左岸桩号1＋200～1＋550 m，防护高程1 680.00～1 710.00 m。

左岸A、B、C、D、E、F、G区岩石边坡采用“锚杆＋喷混凝土＋挂钢筋网”防护，锚杆采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，间排距1.5 m，交错、交替布置；喷10 cm厚C25混凝土，挂钢筋网φ6.5＠15 cm ×15 cm，排水孔φ50，入岩3 m，间排距3 m，仰角5°，梅花形布置。其中左岸桩号（坝）1＋340～1＋550 m段覆盖层边坡采用“坡脚混凝土挡墙＋框格梁＋喷锚＋排水”进行支护处理，框格梁采用C20混凝土，结点布置锚筋Ф32，L＝9 m，框格梁单元格内挂钢筋网Ф6.5，网格间距0.15 m，喷C25混凝土，厚度10 cm，布置多孔PVC排水管，孔径Ф90，入岩3 m，外包土工布，仰角5°。左岸I区岩石边坡采用“锚杆＋喷混凝土＋挂钢筋网”防护，锚杆采用Ф25，L＝4.5 m，间排距1.5 m，交错、交替布置；喷10 cm厚C25混凝土，挂钢筋网φ6.5＠15 cm×15 cm，排水孔φ50，入岩3 m，间排距3 m，仰角5°，梅花形布置。

左岸H区岩石边坡采用50cm厚钢筋混凝土衬护，锚筋采用Ф25、L＝4.5 m，间排距1.5 m，入岩4.0 m；排水孔Ф50，间、排距3 m，入岩3 m，仰角5°，梅花形布置。针对桩号（坝）1＋238.00～1＋195.66 m，EL1 655～1 718 m因卸荷裂隙组合形成局部危岩体，采用“贴坡混凝土”防护，同时布置锚索支护，锚索参数T＝2 000 kN，L＝30／35 m，锚索倾角为5°（仰角）。卸荷裂隙出露部位采用“混凝土塞”封闭处理。

（2）右岸自然边坡主要防护区域如下：

右岸A区：道班沟沟口上游侧自然边坡，山梁开口线外55 m范围，防护高程1 670.00～1 750.00 m；

右岸B区：右岸桩号1＋300～1＋400 m范围，防护高程1 670.00～1 740.00 m；

右岸C区：右岸桩号1＋400～1＋550 m范围，防护高程1 670.00～1 715.00 m。

对右岸B、C区岩石边坡采用系统锚喷支护，支护参数为：钢筋网Ф6.5，网格间距0.15 m，锚杆Ф28、L＝6 m／Ф25、L＝4.5 m，间排距1.5 m，交错、交替布置；喷C25混凝土，厚度10 cm；排水孔Ф50，入岩3 m，间、排距3 m，仰角5°，梅花形布置。局部处于强卸荷带，岩体普遍松弛的边坡采用锚杆Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9.0 m，间、排距1.5 m，交错、交替布置加强支护。右岸A区岩石边坡采用系统锚喷支护，支护参数为：钢筋网Ф6.5，网格间距0.15 m，锚杆Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9 m，间、排距1.5 m，交错、交替布置；喷C25混凝土，厚度10 cm；排水孔Ф50，入岩3 m，间、排距3 m，仰角5°，梅花形布置。局部发育大量卸荷张裂隙的强卸荷带采用锚杆束3Ф32，L＝12 m加强支护；针对发育有大量与道班沟山梁开挖边坡近平行的卸荷裂隙采用T＝1 000 kN，L＝30 m／35 m锚索支护。

（3）右岸道班沟山梁削坡防护：

为避免出口水舌的冲击，对道班沟山梁进行削坡防护处理。开挖坡比1∶0.2，在1 670 m、1 690 m、1 710 m、1 730 m、1 750 m高程分别设置3 m宽马道，1 664 m高程形成平台。

1 710 m高程～边坡开挖开口线浅层支护采用“锚杆＋喷混凝土＋挂钢筋网”，锚杆采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，间排距1.5 m，交错、交替布置；喷10 cm厚C25混凝土，挂钢筋网φ6.5＠15 cm ×15 cm，排水孔φ50，入岩3 m，间排距3 m。1 710～1 664 m高程采用0.5 m厚单层钢筋混凝土护坡，锚筋采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，间排距1.5 m，交错、交替布置；排水孔φ50，入岩3 m，间排距3 m。山梁开挖边坡局部岩体松弛破碎、强卸荷区域采用Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9 m，间、排距1.5 m锚杆加强支护。

同时针对开挖边坡局部不稳定块体组合布置了锚索支护，锚索参数T＝1 000 kN／2 000 kN，L＝30／35／40／45／55／60 m。