安宁河小三峡水电站枢纽下游冲刷破坏试验研究

刘 锦，刘少斌，卞 丹，杨朝军

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

水利工程中，水闸的各类破坏以闸下冲刷破坏所占比例最大，冲刷破坏位置绝大多数发生在消力池、下游海漫及两岸护坡等部位，消能防冲设施的破坏有的会危及闸坝安全，甚至会造成闸坝工程报废[1]。产生闸下冲刷破坏的原因很多，主要有消能设计标准选择不当、消能设计条件不合理[2]、平面布置不合理、较差的基础条件、河床过量采砂造成下游河床下切[3]、汛期枢纽运行调度、闸门开启问题、闸门运行管理不当、过闸流量加大、河床及下游水位变化[4]、以及跃前断面水流弗氏数低产生不稳定水跃或波状水跃使消能不充分，水流扩散不良等问题[5]。

小三峡属于低水头水电站枢纽，具有“流量大、弗劳德数低、消能不充分”等特点，泄水建筑物下游消力池、海漫及岸坡多处遭到冲刷破坏，直接影响到枢纽的运行安全[6]。本文通过比例尺1∶80的物理模型，对其冲刷破坏原因进行全面分析，提出合理可行的基础修复方案；对闸门开启孔口数量以及开度限制进行分析研究，提出合理的闸门调度方式，为工程现场的抢修加固和安全运行提供了参考依据。

1 工程概述

小三峡水电站位于四川省攀枝花市米易县境内，安宁河下游河段，电站坝址距下游米易县城大桥约5.5 km，控制流域面积10 063 km2，控制流域流量59.6亿m3。校核标准[7-8]为1000年一遇洪水，对应流量为5 470 m3/s，闸前水位1 103.60 m、下游水位1 094.60 m；设计标准为50年一遇洪水，对应流量3 580 m3/s，闸前水位1 099.40 m、下游水位1 093.34 m；消力池设计标准为30年一遇洪水，流量3 330 m3/s。工程发电运行时，闸前正常蓄水位为1 103.00 m。

1.1 枢纽布置

小三峡水电站工程枢纽为河床式厂房的布置型式，首部枢纽从左到右由左副坝段、厂房坝段、泄洪冲沙闸段和右副坝段组成(见图1)。主河槽采用全闸方案，拦河闸主要以4孔泄洪闸和2孔冲沙闸组成，全长86.0 m。泄洪闸段长64.5 m，闸顶高程1 105.00 m，底板高程1 089.00 m，闸孔净宽12.0 m。冲沙闸段长21.5 m，底板高程1 086.00 m，闸孔净宽7.0 m。泄洪闸和冲沙闸的闸室沿河流方向长30.0 m，上游设10.0 m长防冲铺盖，下游设50.0 m长消力池，后接35.0 m海漫，海漫末端设宽18.0 m、深5.0 m的防冲槽。

图1 枢纽平面布置实景

1.2 水库运行方式

小三峡水电站进行日内调节，平、枯期水库水位在正常蓄水位1 103.00 m和死水位1 102.00 m之间消落。当河流来流量小于装机引用流量262.80 m3/s的枯、平水时期，水库能发挥日调节作用；当河流来水量大于或等于装机引用流量时，水库的日调节作用即不存在，利用满足发电后的弃水排泄水库泥沙，保证水库的调节库容；同时采取其它工程措施以保证水库厂房进水口前“门前清”；当来水流量大于或等于900 m3/s时，水库泄洪、排沙闸全部开启，采用泄洪拉沙运行来解决库内泥沙淤积问题，以确保本工程不对上一级电站尾水产生回水顶托影响，并保持水库的调节库容[9]。

目前现场泄水建筑物闸门开启运行方式为：

(1)Q≤600 m3/s时，冲沙闸关闭，泄洪闸任意开启1孔，库水位1 102.50～1 103.00 m；

(2) 600 m3/s

(3) 900 m3/s

(4)Q>1 300 m3/s时，泄洪闸和冲沙闸所有闸门全开，库水位1 097.00～1 103.60 m。

2 模型设计

依据DL/T 5244-2010《水电水利工程常规水工模型试验规程》[10]，根据试验要求、原型水流特性结合试验场地等条件,确定模型几何比尺为λL=80，相应的其它水力要素比尺为：

压力比尺：λP=λL=80

模型上游模拟至坝轴线以上300 m，可以满足水流相似要求。下游河道消能区位于坝下150 m范围，接着是150 m左右的水流调整区，因此拟定模型下游至坝轴线500 m以下，可满足试验要求[11-12]。

3 下游河道冲淤地形

图2 2020年多波束探测成果

根据业主提供现场检测的2020年多波束检测成果(见图2)可以直观看出泄水建筑物的消力池下游海漫几乎完全破坏、下游河道右岸护堤基础被掏空破坏严重、冲沙闸消力池下游左侧边墙坍塌、冲沙闸右边墙下游河床冲刷坑较深，最大冲坑深度超过10.0 m。为了还原工程现场水毁情况、找出破坏原因，试验分别对原设计方案消力池下游“无海漫防护”和“有海漫防护”2种情况进行了部分工况的下游河道冲刷试验。

根据1.2节现场闸门开启运行方式，试验选取部分工况(见表1)对原方案的下游河道冲淤情况进行研究，下游河道冲刷深度计算以1 086.00 m为基准。

表1 放水组合

3.1 无海漫防护

(1) 大流量—泄洪闸、冲沙闸全开泄洪

组次①～③：校核洪水、设计洪水和30年一遇洪水，泄洪闸、冲沙闸全部开启泄洪，机组关闭不运行，库水位分别是1 103.60、1 099.40、1 098.80 m，上下游水位差分别是9.0、6.1、5.9 m。从试验情况看，校核洪水时，泄洪闸和冲沙闸消力池内水流自尾坎处挑起，表面形成微弱漩滚，类似于戽流流态(见图3)，尾坎后水面跌落较大，下游河道冲刷范围较大，冲刷情况严重。设计洪水和30年一遇洪水时，消力池内形成远驱水跃，跃首位于消力池中部，水流未充分掺混即冲出池外，出池水流有明显的水面跌落，下游河道冲淤范围仍然较大，冲沙闸下游冲坑最深(见图4)。

图3 校核洪水、下游流态

(2) 泄洪闸泄洪

组次④⑤：10年一遇洪水时，不管是泄洪闸2孔全开还是泄洪闸4孔局开，冲沙闸关闭，库水位1 103.00 m，下游水位1 092.10 m，消力池出池水流均发生远驱水跃，尾坎处水面跌落较大，下游河道冲刷范围较大，冲刷情况比较严重。组次⑥：当枢纽下泄流量900 m3/s时，库水位1 103.00 m，下游水位1 090.00 m，机组运行发电，冲沙闸不参与泄洪。该工况泄洪闸2孔局开3.85 m，由于上下游水头差13.0 m，加之下游水位较低，出闸水流在消力池内形成不完全水跃，尾坎后有明显的水面跌落，消力池尾坎下游形成较大范围的冲刷坑，尾坎下游和右岸护堤基础大范围被淘刷。

图4 30年洪水、冲淤地形

(3) 小流量—泄洪闸、冲沙闸全开泄洪

组次⑦：当枢纽下泄流量900 m3/s，下游水位1 090.00 m，机组关闭，泄洪闸和冲沙闸全开泄洪时库水位为1 093.00 m。该工况上下游水头差仅3.0 m，消力池内形成淹没水跃，出池水流与下游水位平顺衔接，虽然没有防护，但是泄洪闸下游河道基本没有形成冲刷，冲沙闸下游海漫流速在3.0～4.0 m/s之间，下游河道最低冲坑高程1 076.60 m，最大淤积高程1 084.20 m。

3.2 海漫防护后

从3.1节试验结果可以看出，在机组运行发电、上下游水位差较大时，下游河道局部冲刷最为严重，因此本节主要选取组次⑥～⑧进行试验。试验采用2.0 cm×2.0 cm×5.0 cm(长×宽×高)、重量为45.0 g左右的水泥块对钢筋笼海漫进行模拟，防护范围为消力池尾坎下游50.0 m，铺设一层。

(1) 组次⑥：下游河道未形成冲淤时，泄洪闸2孔出流在消力池内汇合后向右偏转，下游河道右岸护坡部分防护最先被冲毁，待消力池尾坎下游冲坑形成后，出流汇合后直接冲出消力池，此时，下游海漫逐渐被冲毁，破坏的水泥块散落在冲刷范围内。该工况消力池内主流流速6.0～7.0 m/s，下游河道主流最大流速4.0～5.0 m/s，下游河道其余部位平均流速小于2.0 m/s。消力池尾坎下游50.0 m长的海漫防护都被冲坏，形成较深的冲刷坑，冲坑最低点高程1 075.70 m，冲刷深度10.3 m，尾坎末端最低冲刷高程1 078.50 m，冲刷深度7.5 m，下游河道最大淤积高程1 087.80 m(见图5)。

图5 海漫防护、组次⑥、冲刷形态

(2) 组次⑧：当枢纽下泄流量900 m3/s时，库水位1 103.00 m，机组关闭，冲沙闸局开。该工况上下游水位差13.0 m，消力池主流流速12.8～14.3 m/s，尾坎末端至坝下0+300.00 m范围河道主流流速均超过4.0 m/s，大于下游河道覆盖层抗冲流速，因此主流流经河道范围冲刷较为严重。该工况冲沙闸的下游河道淤积范围较大，消力池下游海漫全部塌落，下游冲坑最低点高程1 072.40 m，冲刷深度13.6 m，最大淤积高程1 088.20 m(见图6)。

图6 海漫防护、冲沙闸冲刷形态

3.3 水毁现状原因分析

(1) 冲沙闸消力池内消能不充分，加上尾水右侧导墙与泄水建筑物边墙连接处结构型式存在突变，使消力池出池水流在此形成绕流、流态紊乱[13]，导致消力池尾坎下游形成较深的冲刷坑，而该冲坑是引起冲沙闸左侧挡墙倒塌的直接原因。

(2) 机组运行发电时，泄洪闸部分孔口局开，上下游水头差大于10.0 m，闸后为流态复杂的三元水流，主流出闸后经两侧静水挤压产生水跃，随后在消力池后发生扩散继而在海漫上形成二次水跃，导致下游河道形成较大范围的冲刷坑[14]。因此，判断“机组运行发电、泄洪闸部分孔口开启”是导致下游河道形成冲刷的主要工况。

(3) 若机组运行发电、泄洪闸1孔或者2孔局开泄洪，不对称或者集中的闸门开启运行方式，其出池水流易形成偏流，流向会随着下游冲坑形成等因素发生改变，也可能对右岸护堤基础或海漫基础形成直接淘刷。

4 修复方案试验

4.1 修复思路

从原方案试验可以看出，本工程泄洪闸和冲沙闸消力池深度(1.5 m)不足，直接导致泄水建筑物下泄水流难以在消力池内形成完整的水跃，从而消能率较低，出池水流能量较大，下游河道冲刷破坏严重。试验将消力池尾坎加高1.0 m，在泄洪闸和冲沙闸消力池内设置一定数量的消力墩后，当低水位运行时，消力池内能够形成水跃，消能率有所提高；当高水位时，即使泄水建筑物多孔、小开度开启，消力池内消能效果仍较差，下游河道还是会造成严重冲刷。

从修复方案的试验结果看，将下游河床回填至原高程，通过调整消力池尾坎高度和增加消力墩，可以起到一定“提高消力池消能率、减轻下河道冲刷”的效果，但不能解决根本问题。考虑到本工程已建成运行，现场不管是尾坎加高还是增加消能墩均存在新旧混凝土的衔接等问题，不仅施工技术要求高，而且后期破坏概率较大，因此试验改变思路，计划从“基础防护修复”上着手，选择有效的基础防护来确保工程后期的安全运行。

4.2 基础防护修复方案

“基础防护修复”即在水毁现场基础上直接对剩余海漫和右岸护堤基础采用钢筋笼防护。

(1) 海漫基础防护

首先，试验选用单个长、宽、高为1.5 cm×1.5 cm×3 cm(原型尺寸1.2 m×1.2 m×2.4 m)的水泥块堆砌来模拟钢筋笼，先对剩余海漫(宽度约60.0 m)和右岸护堤基础淘刷部分进行填补，然后铺设一定体积水泥块模拟钢筋笼海漫防护。试验选取组次⑥(泄洪闸2孔局开)和组次⑧(冲沙闸2孔局开)进行方案对比，下游河道地形按照水毁现场冲坑情况模拟，各防护方案及试验结果如下。

防护方案1：海漫末端铺设 “高度和长度均为6.0 m、下游坡坡度1∶1”的三角形防护体。试验放水发现，泄洪闸中间2孔局开时，消力池水流向左侧偏转，海漫左侧基础防护块全部被冲走，右侧基础防护水泥块全部塌落散开；泄洪闸2孔间隔开启时，虽然出流分散，但是水流所经之处的水泥块防护也被冲散塌落。

防护方案2：海漫末端铺设“高度4.0 m、长度8.0 m、下游坡坡度1∶2”的三角形防护体。泄洪闸2孔(3号和5号、4号和6号、3号和6号)间隔开启，海漫末端水泥块基本没有遭到破坏，防护效果较好；2孔(3号和4号、4号和5号、5号和6号)集中开启时，水流所经之处的水泥块防护遭到局部破坏；经过泄洪闸2孔任意组合(间隔开启和集中开启共计6种工况)开启放水并达到冲淤平衡后，最终海漫基础防护体表层和下游部分水泥块被冲塌散落，但最底层防护块完好无损；冲沙闸2孔局开时，尾坎基础防护未遭到破坏，厂房尾水渠右侧挡墙基础防护全部塌落被冲走。

防护方案3：海漫末端铺设“高度6.0 m、长度12.0 m、下游坡坡度1∶2”的三角形防护体。泄洪闸任意2孔组合，仅海漫末端基础防护的表层水泥块个别冲散，其余部位未遭到破坏；经过泄洪闸所有2孔组合(间隔开启和集中开启共计6种工况)开启放水并达到冲淤平衡后，下游河道冲坑虽有加深，但海漫基础防护的水泥块仍然完好无损(见图7)；冲沙闸2孔局开时，尾坎基础防护未遭到破坏，厂房尾水渠右挡墙基础防护全部塌落被冲走，倒塌的挡墙滑落塌陷至冲坑中心位置。

(2) 右岸护堤基础防护

试验首先对右岸护堤基础淘刷部分进行填补，然后在护堤基础铺设宽度8.0 m防护体，不管防护厚度2.5 m还是4.0 m，试验结论基本相同：如果泄洪闸3号和5号、3号和6号、4号和6号两孔间隔开启，消力池内水流相对分散，右岸护堤基础没有冲刷；泄洪闸3号和4号、4号和5号两孔集中开启，消力池出流向左偏转，下泄水流不会对右岸护堤基础造成冲刷；当泄洪闸右侧5号和6号两孔集中开启时，出池水流向右偏转，顺着右岸护堤流至下游河道，右岸边护堤基础遭受冲刷。

图7 6种2孔开启组合冲淤地形(方案二)

(3) 基础防护修复结论

当机组正常运行时，不管是泄洪闸1孔还是2孔开启，海漫基础防护方案3均能起到有效的保护作用，但是右岸护堤基础防护不能保证所有闸门开启运行工况时的防护安全。

5 建筑物运行方式研究

泄水建筑物下游采用推荐的基础防护措施后，基本解决了消力池下游的防护问题，但是却不能完全解决“厂房尾水渠右侧挡墙基础、右岸护堤基础和下游河道冲刷”的问题。于是试验考虑通过“限制运行水位”和“保证消力池内形成完整的淹没水跃”，以期在满足泄流和发电的前提下，最大限度减小对下游河床的冲刷。

5.1 各频率洪水运行情况

试验对各频率洪水不同组合时“库水位变化、消力池内水跃情况、下游河道消能效果、形成完整水跃时的开启孔口数量以及闸门开度的限制”进行了详尽的研究后，得出以下结论：

(1) 当库区来流量Q>1 200 m3/s时，首先泄洪闸全开泄洪，当库水位降低后，再全开或者局开冲沙闸，保证冲沙闸消力池内可形成完整的淹没式水跃，出池水流经过消能后进入下游河道，与下游水位可以平顺衔接，可有效避免下游河道造成严重冲刷；若开启孔少于4孔，库水位升高会导致冲沙闸下游的完整水跃转换成远驱水跃，对下游造成严重淘刷，所以此流量范围应保证泄洪闸4孔全开。

(2) 当库区来流量Q=1 200 m3/s时，泄洪闸4孔全开，冲沙闸关闭，消力池内形成远驱水跃。

(3) 当库区来流量Q<1 200 m3/s时，库水位维持在1 102.00～1 103.00 m，下游河道水位分别是1 088.50(Q=350 m3/s)～1 089.50 m(Q=700 m3/s)，泄洪闸局开开度不超过2.0 m时、泄洪闸下游消力池内可形成完整水跃。

(4) 库水位维持在1 102.00～1 103.00 m，下游河道水位分别是1 088.00 m(Q=220 m3/s)、1 089.50 m(Q=700 m3/s)和1 090.40 m(Q=1 200 m3/s)，对应冲沙闸局开开度小于或等于1.0、1.5、2.0 m时，冲沙闸下游消力池内可形成完整水跃。

5.2 闸门运行方式建议

试验观察知，若泄水建筑物闸门保持小开度、均匀、对称开启，将闸下水跃控制在闸室和闸室末端，此时水跃强度弱，水流在消力池内形成漩涡，闸孔出流得以充分扩散、平顺流入下游河道，此时消能效果较好。结合本工程各频率洪水运行情况，建议闸门调度运行方式如下：

(1) 冲沙闸高水位局开运行时进口流速很小，难以起到拉沙效果。建议当下泄流量小于或等于1 000 m3/s时，冲沙闸关闭不参与泄洪，仅泄洪闸局开运行，库水位1 102.00～1 103.00 m。泄量小于250 m3/s时，泄洪闸1孔运行，开度不超过2.0 m；泄量250 ～500 m3/s时，泄洪闸2孔局开运行，开度不超过2.0 m，并应避免5号和6号孔联合开启；泄量500 ～750 m3/s时，泄洪闸3孔局开运行，开度不超过2.0 m，可任意组合开启；泄量750～1 000 m3/s时，泄洪闸4孔局开运行，开度不超过2.0 m。

(2) 来流量大于1 000 m3/s 且不超过1 200 m3/s时，库水位仍维持在1 102.00～1 103.00 m，泄洪闸和冲沙闸全部局开运行，开度不超过2.0 m，以保证消力池内形成完整水跃。

(3) 来流量大于1 200 m3/s且不超过10年一遇洪水流量2 560 m3/s时，泄洪闸和冲沙闸全部打开，开启顺序为：泄洪闸所有闸门全部打开，待水位降低并稳定后，再打开冲沙闸拉沙，库水位1 093.60～1 097.10 m。

(4) 来流量大于2 560 m3/s且不超过20年一遇洪水流量3 000 m3/s时，泄洪闸所有闸门全部打开，待水位降低并稳定后，再将冲沙闸局开运行，开度不超过8.0 m，库水位1 097.10m～1 098.20 m。

(5) 来流量大于3 000 m3/s且不超过设计洪水流量3 580 m3/s时，泄洪闸所有闸门全部打开，待水位降低并稳定后，再将冲沙闸局开运行，开度不超过6.0 m，库水位1 098.20～1 100.70 m。

(6) 来流量大于设计洪水流量3 580 m3/s时，泄洪闸及冲沙闸所有闸门全部打开运行。

6 结 语

造成水闸工程下游消能防冲设施破坏形成的原因都是多方面的，比如设计、施工、运行管理等方面。任何一个工程都具有自身的特点和运行限制，采用的消能工不可能适应各级水位～流量组合和所有闸门开启运行方式。要保证局部破坏工程后期的安全运行，需同时做好两方面工作：一是根据具体破坏原因采取有效防治措施，及时对消能防冲设施暴露缺陷进行抢修加固；二是制定合理的闸门操作制度，严格按调度运行规程启闭闸门，最大限度的保证挡水建筑物的安全运行。