两河口水电站分流挡渣围堰设计研究

吕海艳，张仁东

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 研究背景

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，为雅砻江中下游梯级电站的龙头水库，坝址位于庆大河河口以下约1.8 km河段上，控制流域面积约65 599 km2，坝址处多年平均流量664 m3/s，水库正常蓄水位为2865.0 m，水库总库容为108亿m3，消落深度为80 m，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。两河口水电站枢纽建筑物由土质心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、竖井旋流泄洪洞、发电厂房、引水及尾水建筑物等组成，采用“拦河堆石坝+右岸引水发电系统+左岸泄洪、放空系统+左、右岸导流洞”的工程枢纽总体布置格局。心墙堆石坝最大坝高295 m，引水发电系统为大型地下洞室群结构，厂内安装6台500 MW的水轮发电机组，多年平均年发电量110亿kW·h。

大坝采用全年施工，施工导流宜采用全年导流，根据坝址区地形、地质条件、枢纽建筑物布置特点及施工进度要求，推荐采用断流围堰、隧洞导流方式。

根据工程建设规划，两河口水电站初期导流洞过流后，电站进水口、开关站、坝肩及左岸泄水建筑物出口开挖及支护进行施工，施工工期持续1年9个月，由于坝区河床狭窄，两岸边坡较陡，在岸坡无法形成集渣平台，开挖过程中不可避免有渣料下河。为满足环保水保要求，初期导流洞具备过流条件后，在河床填筑上下游分流围堰，形成河床集渣平台，电站进水口、开关站、坝肩及左岸泄水建筑物出口开挖渣料可直接翻渣至河床集渣平台出渣。

2 分流档渣围堰设计

根据已有经验［1-8］，两河口水电站分流挡渣围堰进行了初步设计：上游分流挡渣围堰轴线位于1#导流洞进口下游110 m处，推荐采用土石类围堰，围堰顶部采用1 m厚的混凝土面板进行保护；围堰下游斜坡水面以上部分，采用1 m厚的混凝土面板叠压浇筑成阶梯型防冲，坡比1∶4，混凝土面板尺寸8 m×8 m，混凝土标号C25；层与层混凝土面板间用插筋连接，相邻混凝土面板间用联系筋连接，增强整体性并适应变形；混凝土面板与堰体石渣填料间设置砂砾料的垫层；为减小在过水时对混凝土面板的扬压力，堰面上的混凝土面板设排水孔。堰前斜坡和堰后斜坡水面以下部分及堰脚考虑施工因素采用抛大块石防护，3～5块石块之间用钢丝绳连成串，以增加其抗冲能力。下游分流围堰轴线位于1#导流洞出口上游170 m处，堰体型式与上游分流围堰相同；上下游分流挡渣围堰距离约为1.25 km，该处河段基本无坡降。

根据两河口水电站坝址处分期设计洪水及实测汛期洪水资料以及将上下游水位差平分给上下游分流挡渣围堰的原则，进行导流洞和基坑联合泄流水力计算，初拟如下4种方案进行比选：（1）方案一：上游分流围堰堰顶高程为2608 m，拦挡流量751 m3/s（枯水期11月10年一遇洪水流量），下游分流围堰堰顶高程为2608 m；（2）方案二：上游分流围堰堰顶高程2611m，拦挡流量1170 m3/s（汛期多年平均洪水流量），下游分流围堰堰顶高程2608.5 m；（3）方案三：上游分流围堰堰顶高程2614 m，拦挡流量2000 m3/s，下游分流围堰堰顶高程2610.5 m；（4）方案四：上游分流围堰堰顶高程2622.2 m，拦挡流量2820 m3/s（汛期2年一遇洪水流量），下游分流围堰堰顶高程2615 m。

典型结构布置见图1。

图1 分流围堰典型结构布置（单位：m）

3 试验方案优选

为进一步研究分流挡渣围堰初步设计方案的可行性和可靠性，确保围堰度汛安全，给设计及工程实施提供有效依据和可靠的技术支撑，通过理论分析与水力学模型试验研究相结合的方式，进行了方案比选，试验方式方法参考了已有试验研究经验［9-11］。

3.1 方案比选水力学模型试验按相似原理进行设计，采用正态、动床模型，模型比尺为1∶60，以天然流量4140 m3/s为试验流量，对设计的分流围堰4种方案进行了试验，根据上下游分流围堰堰前、堰面及堰脚水力条件，分别对4种方案的围堰稳定性进行了对比。

试验表明：随着上游堰顶高程抬高，上游水位抬高，上下游水位差有所增加，方案一上下游水位差为2.7 m，而方案四上下游水位差增大至13 m，水位差增大，堰后流速随之增大，增加了围堰的稳定难度，但是随着水位升高，导流洞过流量增大，围堰过流量相应减小，又能够减小对围堰堰脚以及下游堰面的冲刷，对保证围堰整体稳定有利。

综合比较，方案一和方案二水力学指标相对较好，且工程量较省，但方案一和方案二分流围堰的挡水保证率较低，方案一分流围堰过水天数占约86.4%，过水频繁；方案二分流围堰过水天数占约42.1%，过水较为频繁。方案四分流围堰的过水天数仅约占1.5%，过流流量小，堰体稳定有保障，但堰体高度大，工程量大，施工强度大，存在较大工期风险，且投资较高。方案三水力学指标较方案一与方案二略差，工程量较方案一、方案二略大，但是过水天数仅占约8.9%，挡水保证率较高。综合比较，选定方案三为推荐方案。

表1 各方案分流围堰水力特性值

3.2 体型优化选定方案后，针对该方案进行了体型优化。试验中发现，上游围堰的破坏方式首先是下游护脚材料被水流冲走，然后防冲平台下铺设的1m厚的抛石护坡被冲失，继而防冲平台下的堰体填筑料失去防护不断被水流挟带冲失，造成混凝土柔性板发生凹陷、倾覆，继而被水流冲走；下游围堰的破坏方式主要受水流涌动及回流淘刷的影响，护脚材料先被淘走，再淘刷防冲平台下铺设的1m厚抛石护坡以及护坡防护下的堰体填筑料，导致防冲平台的几块混凝土柔性板向下不规则凹陷，从而失稳。

针对这一现象，试验中的修改思路为：（1）通过抬高下游围堰的堰高，减小上游围堰承担的水位差，降低上游围堰下游堰面与堰脚水流流速，同时延长下游防冲平台，使水跃发生在防冲平台上，成为有效的消能区，减轻过堰后高流速水流对护脚材料的直接冲刷。（2）通过抬高下游围堰的堰高，加大下游围堰的堰后流速，扩大正向流的范围，减少回流对下游堰脚的淘刷，将下游围堰的下游堰面防冲平台以上以一坡到底型式铺设混凝土柔性板，混凝土柔性板均采用前后、左右顺缝衔接方式铺设，进一步加大下游围堰的堰后流速；延长下游防冲平台，使回流发生在防冲平台上，减轻其对护脚材料的涌动淘刷。（3）对比不同的护脚材料，从根本上保证堰脚稳定。经修改优化后，上游围堰堰顶高程保持2614.0m不变，下游围堰堰顶高程由2610.5m抬高至2611.0m；上游围堰的防冲平台高程保持2604.0m不变，长度由12m延长至20 m；下游围堰防冲平台高程由2603.5m抬高至2604.0 m，并将长度由6m延长至16m。

由于下游围堰堰顶高程抬高，上游围堰的堰后水位升高，上游围堰承担水位落差为3.3m，下游围堰承担水位落差为3.2m，上、下游围堰均形成淹没水跃，水跃发生在防冲平台上，上游围堰堰面实测最大流速10.4m/s，过堰后实测最大回流流速为-2.4m/s，下游围堰堰面实测最大流速12.5m/s，过堰后最大回流流速为-1.3m/s。根据已有的研究经验［12-15］以及本工程的具体需求，选取四面体、单个大块石、石串等几种护脚材料进行了对比，经试验，堰脚防护材料采用大块石较四面体稳定性更好，而将3～5块石块之间用钢丝绳连成串，变形适应能力更强，石串之间相互缠绕，不容易冲失，最终选取了石串作为护脚材料。优化后，上游围堰堰脚的护脚石串部分被冲失，堰后河床有轻微冲刷；下游围堰堰脚及堰后河床有较轻微的淘刷；上下游围堰堰体稳定性均较好。最终推荐体型见图2。

3.3 分流档渣围堰应用情况水力学试验最终推荐的分流挡渣堰方案在现场施工并成功过流后，水流流态与模型试验结果相符，现场过流形态见图3。由图3可见，上、下游分流围堰均能形成水跃，且水跃发生在下游平台上，有效保护了堰脚防护材料，从根本上确保了围堰稳定。运行至今，堰体稳定性均较好，有效的拦挡电站进水口、开关站、坝肩及左岸泄水建筑物出口开挖滚落至河床的石渣，避免水土流失，满足了环保水保要求。

图2 分流挡渣围堰推荐体型结构布置（单位：m）

图3 分流围堰过流形态

4 结论

（1）分流挡渣围堰设计综合考虑了围堰过流方式、过流标准及挡渣效果，经模型优化后推荐的围堰体型经实践证明是实际可行的，同时对类似工程的分流围堰防护设计有一定的参考价值。（2）上游围堰在下游堰面2604m高程设置长度为20m的消能防冲平台，使水跃消能区发生在防冲平台上，避免过堰水流直接冲刷堰后护脚材料；下游围堰在下游堰面2604m高程设置长度为16m的消能防冲平台，使回流淘刷区发生在防冲平台上，避免过堰水流淘刷护脚材料，从根本上保证堰体稳定。（3）上下游围堰水位差分配是围堰防护的关键，合理分配上、下游水位差，分担水头压力，能够增强围堰的稳定性，本工程分流挡渣围堰所在河段几乎没有落差，所以最终选取了将上下游水位差均分的方式，即上游围堰承担水位落差为3.3m，下游围堰承担水位落差为3.2m，能量消耗分配合理，上下游围堰稳定性均较好。（4）围堰堰脚采用抗冲流速高、变形适应能力强的材料防护堰脚下游河床，可使冲坑远离堰脚，以防止堰脚冲刷破坏导致的堰体整体失稳，本工程将3～5块直径为0.7～1.2m的石块之间用钢丝绳连成串，形成石串后变形适应性更强，石串之间相互缠绕，抗冲失能力明显提高，保证了堰脚的稳定，从而从根本上保证了围堰的稳定。