紫坪铺水利枢纽工程泄洪排沙洞抗磨蚀设计

陈惠君

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

紫坪铺水利枢纽工程泄洪排沙洞抗磨蚀设计

陈惠君

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

紫坪铺1#、2#泄洪排沙洞由导流洞以龙抬头方式改建而成，两洞均穿过沙金坝向斜和F3断层，成洞地质条件差；由于流速高(33m/s～45m/s)、流量大(最大1667m3/s)、水流空化数小(0.15～0.2)、断面形式复杂，极易产生空化空蚀问题。同时，库区泥沙含量大、粒径粗，作为枢纽主要泄洪设施运用十分频繁，且承担泄洪兼排沙的双重任务，因此两洞防空蚀及抗冲磨是关键技术难题。经过大量试验研究和精心设计，采取优化洞身体型、合理布置掺气减蚀设施、控制施工不平整度，以及抗磨材料采用C50硅粉混凝土与环氧砂浆面层保护相结合等综合措施，解决了工程突出的抗磨蚀问题。

紫坪铺水利工程 泄洪排沙洞 抗磨蚀 掺气设计

1 工程概况

紫坪铺大型水利枢纽工程，位于四川省成都市西北65km的岷江上游，距都江堰市9km，工程以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益。枢纽主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电系统、冲沙放空洞、1#泄洪排沙洞、2#泄洪排沙洞。水库校核洪水位883.10m，相应洪水标准为可能最大洪水，流量12700m3/s；设计洪水位871.20m，相应洪水标准为千年一遇(P=0.1%)，流量8300m3/s；正常蓄水位877.00m，汛限水位850.00m，死水位817.00m，总库容11.12亿m3，正常水位库容9.98亿m3。混凝土面板堆石坝坝高156m，电站装机4×190MW，保证出力168MW，多年平均发电量34.17亿kW·h。

紫坪铺泄洪排沙建筑物由溢洪道、冲沙放空洞、1#、2#泄洪排沙洞组成，由于水库具有不完全年调节性能，洪水峰高量小，泄洪频繁。本工程具有防洪任务，要求各泄洪、泄水建筑物协同运用，使百年一遇洪水按十年一遇洪水下泄。由于冲沙放空洞的主要任务是保证电站引水洞进口“门前清”，故本工程泄洪建筑物采用河岸式溢洪道和1#、2#泄洪排沙洞相结合的方式，以满足不同运行调度的要求。由于溢洪道堰顶高程较高，为避免泄水对挑流鼻坎下游F3断层的直接冲刷，当水库水位接近设计洪水位达到870.00m时，才开启闸门泄洪，故1#、2#泄洪排沙洞担负着常遇、设计及校核洪水的泄洪及排沙双重任务。

1#、2#泄洪排沙洞由1#、2#导流洞改建而成，为“龙抬头”式有压短管进水口明流洞，进出口水头差近140m，洞内流速高(33m/s～45m/s)、流量大(最大1667m3/s)、水流空化数小(0.15～0.2)、断面形式复杂，极易产生空化空蚀问题。同时，库区泥沙含量大、粒径粗，高速夹沙水流对建筑物的磨损不可忽视，故防空蚀及抗冲磨是1#、2#泄洪排沙洞的关键性技术难题。而且两洞均穿过沙金坝向斜和F3断层，成洞地质条件差，两洞的运行安全直接关系到大坝及整个工程的安全。经过大比尺试验研究和精心设计，两洞采取优化洞身体型、合理布置掺气减蚀设施、控制施工不平整度以及抗磨材料采用C50硅粉混凝土与环氧砂浆面层保护等综合措施，解决了工程突出的抗磨蚀问题。

1#、2#泄洪排沙洞进口底高程均为800.00m，进水口按有压短管形式布置，工作门孔口尺寸6.2m×8.0m(宽×高)，各水位下泄流流量相同，且两洞出口高程基本相近，洞身体型及布置型式也基本一致，故本文仅以1#泄洪排沙洞为例，阐述该工程泄洪排沙洞抗磨蚀设计。

1#泄洪排沙洞出口底高程为745.50m，全长812.35m，洞身长694.38m，其中利用原导流洞488.34m。斜井段长157.526m，为6.20m×15.18m～13.70m(宽×高)的城门洞型断面，经反弧连接段、斜切线段、反弧段与原导流、泄洪结合洞段相接。结合段为缓坡洞段，底坡0.5432%，为底宽7.83m的10.7m×10.7m马蹄型断面，末端40m渐变为10.7m×10.7m的城门洞断面。渐变段后接异型挑流鼻坎段，将水流挑射入下游河道。

2 龙抬头体型及掺气设计

洞身在高速水流作用下的防蚀设计，首先要使体形设计合理，在此基础上设置掺气设施，才能达到好的效果。结合中国水利水电科学研究院承担的水工模型试验，设计进一步对龙抬头段进口体型、竖曲线方程、断面形式、掺气槽坎位置及尺寸等都进行了优化。通过以上优化设计，龙抬头段及导、泄结合段无论水流流态、水流空化数及掺气浓度等均能满足要求；通过减压箱试验论证，未发现空化现象。

龙抬头段体型研究主要考虑了如下两个问题：

(1)龙抬头段应水流平稳，底板和边墙沿程有足够的掺气，以保护龙抬头段的过流面；

(2)龙抬头段为城门洞型，缓坡结合段为马蹄型，断面形状不同，断面尺寸也差异较大，如断面衔接不好，在高速水流作用下极易产生分离。龙抬头段始端断面宽度为6.2m(闸门宽)，缓坡段为底宽7.83m断面10.7m×10.7m的马蹄洞型。如采用闸门后设置扩散段，由6.2m渐变至龙抬头末端7.83m×10.7m的城门洞型，在龙抬头末端再设置渐变段，将7.83m×10.7m城门洞与缓坡段10.7m×10.7m马蹄型扩散衔接，在高速水流作用下极易产生分离。

基于以上两点，在反弧末端采用以突扩突跌掺气坎取代渐变扩散段的优化布置方案。即将龙抬头段始端的宽度6.2m等宽延伸到反弧末端，然后在反弧末端设置突扩突跌掺气坎。通过大比尺模型试验，1#、2#泄洪排沙洞共设置了3道掺气设施，分别位于工作闸门后、龙抬头中部及反弧末端。

第1道掺气坎位于工作门后，坎高2m；第2道掺气坎位于斜井段的中部，坎高约1.0m。其中，挑坎高0.15m、坡度为1∶20。设置此两道掺气坎后，可保证反弧末端水流的充分掺气，并能够满足斜井段的掺气减蚀要求。

第3道掺气坎位于反弧末端，1#、2#洞龙抬头段的断面为城门洞形，其宽与工作门的宽度一致，即6.2m，末端断面高度为13.7m，而原导流洞为底宽7.83m断面10.7m×10.7m的马蹄型，两部分断面形状和尺寸均有很大差异，为将城门洞型斜井段和马蹄型断面的缓坡段连接起来，采用了一种簸箕状突扩掺气跌坎。

突扩跌坎一般布置于偏心铰弧形闸门下游，既满足了偏心铰弧形门的止水要求，又改善了泄洪洞掺气减蚀性能。此类突扩突跌布置，在突扩下游边墙易发生空蚀破坏。究其原因，这类突扩都是布置在紧接弧形闸门的下游，水流由有压变无压，出闸水舌均为清水，侧掺气效果不明显，起不到掺气减蚀作用。对紫坪铺1#、2#泄洪排沙洞而言，突扩突跌设在反弧末端，由于第一、二道掺气坎的作用，此处水舌已充分掺气，足以避免边墙的空蚀，而且突扩比为0.263～0.726，远大于一般弧形闸门后的突扩，有利于坎后边墙的掺气保护。

采用突扩跌坎方式连接，由于侧扩比在0.263～0.726范围内变化，远大于工程中弧门后突扩采用的侧扩比，如果不采取其他措施，会造成比较强烈的水翅，加剧雾化，并影响明流段的流态。通过多次试验，利用水流自由扩散的原理，设计了一种结构简单、易于施工的簸箕状掺气跌坎。该掺气坎与反弧末端相连接，挑坎长8.5m，边墙为三角形，墙高从反弧末端的5.0m线性减小到出口的0.0m。采用这种型式的挑坎后，掺气量大，水舌先后出坎，形成上宽下窄的三维自由射流，从而有效地抑制了水翅的产生，大大地改善了反弧下游的水流流态(结构型式见图1)。

图1 1#泄洪排沙洞簸箕状掺气坎体型示意

3 结合段掺气设计

结合段底坡为缓坡段，本段结合水流特性和掺气浓度的变化规律，论证设置掺气设施的必要性，确定掺气坎的结构型式。

缓坡段最大流速超过40m/s，沿程水流空化数在0.15～0.41之间，多数断面的水流空化数在0.2～0.3范围内。因此，必须采用掺气减蚀措施保护缓坡段的安全。

3.1 掺气坎道数选择

按《溢洪道的设计规范》(DL/T5166-2002)，直线段的保护长度约100m～150m，按此建议紫坪铺1#、2#泄洪洞缓坡段宜设置两道掺气设施。考虑泄洪洞担负着常遇、设计及校核洪水的泄洪及排沙双重任务，运行十分频繁，由于下泄水流的泥沙含量高、粒径大，汛期泄洪排沙时，高速含沙水流将对泄洪洞过流表面造成一定程度的磨损，从而产生新的空化源，加剧过流表面的空蚀破坏。因此，为安全起见，紫坪铺泄洪洞的保护长度宜控制在150m左右，即1#、2#泄洪洞的缓坡段均增设两道掺气坎。

3.2 掺气设施的设计原则

从水流流动角度看，掺气设施(如掺气坎、掺气槽)处水流流态存在着突变，因此在掺气设施设计时不仅要满足掺气量的需求，即坎下要有稳定和足够长度的空腔，同时还应使水流流态过渡平稳，对于明流洞而言，还应保证泄洪洞具有足够的洞顶余幅。

紫坪铺泄洪洞缓坡段的坡度相当小，1#洞为0.005432，2#洞为0.007547，掺气设施的设计具有相当的难度。在设计掺气坎坎型和尺寸(如坎高和挑角)时，应在水流流态和挟气量这两方面寻求较优的方案，掺气坎高度和挑角越大，坎下空腔越长，掺气效果越好，但是洞顶余幅较小；反之，掺气坎高度和挑角越小，水流流态越平稳，但是空腔长度短，水舌的挟气效果较差。

由于导流洞段沿程的高度不存在突变，因此该缓坡段的掺气设施只能设计成掺气挑坎的形式，根据缓坡段为马蹄型断面的特点，采用了一种“环形掺气挑坎”。此挑坎的特点是，底板上的挑坎将水流挑出，水舌下面形成底空腔，同时两边墙上增加侧收缩，使水流在边墙收缩，出坎后扩散形成侧空腔，如果侧空腔和底空腔能够连通，则类似于突扩跌坎，能够取得良好的掺气效果，且有利于空腔的稳定。

高速水流流过环形掺气挑坎时，水流在垂向和侧向存在突变，如果突变太大，则类似于突扩式跌坎，水流壅高，并形成比较强烈的水翅，影响泄洪洞的安全运行。对于突扩跌坎而言，合适的突扩比是减小水翅较有效的方法，工程中常用的突扩比在0.04～0.16范围内变化。设计缓坡段两道掺气坎的型式为环形掺气挑坎，底挑坎高0.7m，坡度1∶12，侧坎出口厚度0.42m，坡度1∶20。

试验证明，缓坡段“环形掺气挑坎”具有较好的掺气效果，坎后的水流流态也较好，能够满足小底坡马蹄洞的掺气减蚀要求。

4 抗冲耐磨及不平整度控制设计

库区多年平均悬移质输沙量792万t，平均含沙量0.572kg/m3，汛期平均含沙量0.886kg/m3，入库悬沙中径d50=0.078mm，d>0.1mm粒径所占比重为37%，粗粒径组成比黄河、长江含沙粒径粗。为了长期保持库容，在来沙集中的汛期应尽量排沙。在水库汛期限制水位850.00m下，过流建筑物有电站引水洞、冲沙放空洞、1#、2#泄洪排沙洞，其中1#、2#洞是主要的泄洪排沙设施。因此，夹沙水流对建筑物的磨损是不可忽视的。关于抗冲耐磨材料，隧洞龙抬头段过流断面采用厚C50硅粉混凝土衬砌，缓坡段底板采用0.5m厚的C50硅粉混凝土衬砌，侧墙断面下半洞5.35m高度范围内采用C50硅粉混凝土衬砌，同时底板及侧墙过流表面用环氧砂浆护面，所选环氧砂浆与混凝土具有相同的线膨胀系数。

在体形设计合理及采用抗冲耐磨材料基础上，施工时严格控制不平整度。否则，高速夹沙水流经过混凝土表面的孤立凸体或凹陷时，将出现局部绕流及分离，使压力降低，可能产生空蚀破坏。施工控制要求顺水流方向不平整度控制在3mm以内，垂直水流方向不平整度控制在5mm以内。环氧砂浆保护层的设置有利于实现表面不平整度的控制，尤其是导流、泄洪结合段，经历四个汛期导流后，混凝土表面冲磨严重，采用环氧砂浆较好地修复了此缺陷。

5 结论及建议

紫坪铺1#、2#泄洪排沙洞由导流洞以龙抬头方式改建而成，两洞均穿过沙金坝向斜和F3断层，成洞地质条件差；由于流速高、流量大、水流空化数小、断面形式复杂，极易产生空化空蚀问题。同时，库区泥沙含量大、粒径粗，作为枢纽主要泄洪设施运用十分频繁，且承担泄洪兼排沙的双重任务，因此两洞防空蚀及抗冲耐磨是关键技术难题。经过大量试验研究和精心设计，通过采取优化洞身体型、合理布置掺气减蚀设施、控制施工不平整度，以及抗磨材料采用C50硅粉混凝土与环氧砂浆面层保护相结合等综合措施，解决了工程突出的抗磨蚀问题。

1#、2#泄洪排沙洞经10年的正常运行及“5.12”汶川地震的考验，验证了该设计方案合理可靠。由于高速水流的特殊性，今后仍需加强监测工作，对于表面局部损坏及时采取环氧砂浆修复。

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2095-1809(2016)01-0036-04

陈惠君(1968-)，女，四川省水利水电勘测设计研究院副总工程师。