金沙水电站深厚覆盖层条件下明渠出口动态防护措施研究

2022-03-21胡田清崔金鹏陈超敏

水利水电快报 2022年3期

胡田清崔金鹏陈超敏

摘要：为解决金沙水电站导流明渠大流量、高流速及深厚覆盖层条件下的岸坡冲刷防护问题，采用物理模型试验方法，模拟研究了不同工况下的导流明渠出口下游河床流速分布及河床冲刷情况，提出了采用合金网石兜、格宾石笼护脚加钢丝石笼护坡的动态组合防护方案。经过多个汛期的实践检验，防护措施取得了良好效果，可为类似工程借鉴。

关键词：导流明渠出口; 动态防护措施; 深厚覆盖层; 合金网石兜; 模型试验; 金沙水电站

中图法分类号：TV551.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.007

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0028 - 04

0 引言

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，正常蓄水位1 022 m，电站装机容量56万kW（560 MW），最大坝高66.0 m，多年平均发电量为21.77亿kW·h。金沙坝址河谷开阔，呈不对称U型，施工采用明渠分期导流方案，共分3期，导流明渠布置于河床右岸[1]。

导流明渠出口下游河道右岸分布一处大型人工堆积体，顶部布置众多工业厂房。明渠出口河床基础为深厚砂砾石和粉细砂，抗冲能力弱。动床模型试验表明，河床冲坑最大深度达35.5 m。导流明渠过流期间，高速水流会冲刷下游河床及堆积体前缘，极易导致堆积体变形滑坡，危及堆积体顶部人员、厂房安全，甚至有可能因堆积体垮塌而堵塞河道，威胁下游攀枝花市区防洪安全。因此，金沙水电站导流明渠出口河道防冲保护问题严峻，需采取有效措施。

针对导流明渠等泄水建筑物下游河道岸坡的防护工程，国内外进行了不少研究和应用，如增加泄水建筑物宽度以减小单宽流量和流速、出口设置消力池等消能工进行消能，抛投大块石、钢筋石笼、混凝土预制块，修建混凝土防掏槽、混凝土抗滑桩等防护措施[2-5]。但针对金沙水电站导流明渠出口流速大、覆盖层深厚、抗冲能力差、防护范围大、安全风险高等特点，上述常规措施防护效果有限，或实施起来十分困难。

针对该工程特点，本文通过理论研究和水工模型试验相结合的方式，重点对导流明渠出口下游河道岸坡的动态防护措施进行研究。

1 基本情况

金沙水电站导流明渠布置于河床右岸，设计标准为全年20 a一遇洪水，洪峰流量11 400 m3/s，明渠底宽35 m，单宽流量326 m3/（s·m），出口最大平均流速达12.18 m/s，单宽功率大，居类似工程前列[6]。明渠出口河床覆盖层厚度为45～55 m，最大约62 m，主要为砂砾石、粉细砂和粉土组成，抗冲能力较差，实际抗冲流速小于2 m/s。

明渠出口下游河道右岸分布一处大型人工堆积体，堆积体紧邻明渠出口，呈圈椅状临江分布。堆积体顺水流向长约520 m，横向宽约260 m，高差约70 m，顶部布置众多工业厂房。堆积体物质主要为杂填土及炉渣，体积约290万m3。该堆积体平面分布如图1所示。

2 模型试验研究

为了研究导流明渠过流期间出口下游河道冲刷情况，并验证冷轧厂堆积体防冲保护措施的可靠性，本文开展了动床模型试验。物理模型采用1∶80比尺，模拟了不同工况下的下游河床流速分布、河床冲刷情况，并对不同消能防护方案进行了验证。

试验结果表明：导流明渠流量越大，明渠出口流速越大，设计流量为11 400 m3/s时，明渠出口最大流速达12.18 m/s;出导流明渠后，各断面主流流速沿程衰减，衰减后主流流速为3.57～9.40 m/s。同时在河床两岸形成回流，右岸堆积体坡脚处回流流速约2.14～3.11 m/s。设计流量下导流明渠出口及下游河床流速分布如图2所示。

为判断导流明渠下游河道及岸坡冲刷情况，模型采用粒径D50=0.71 mm的黄砂模拟河床覆盖层和不同规格中小石模拟岸坡抛石防护。在物理模型上分别进行了无防护方案、丁坝方案、消力池消能方案及抛石动态防护方案等单个或组合方案的试验研究，试验结果如下。

（1）无防护方案条件下，下游河道冲刷严重，堆积体坡脚沿线普遍受到冲刷，最大冲刷深度达11.3 m，堆积体倒悬严重，无法满足要求。

（2）丁坝方案能有效截断岸边回流，在一定程度上减轻坡脚的冲刷，右岸坡脚冲刷深度有所减小，但丁坝坡脚处冲刷较深，达到15.3 m，自身稳定无法满足要求。

（3）明渠出口设深5 m、长60 m的消力池消能，由于明渠内入池的弗氏数Fr较低，消力池效能效率不高且代价较大，作用不明显。

（4）由于明渠出口河道左岸岸坡地质条件较好，调整导流明渠出流角度与下游河床夹角约35°，避免了右岸岸坡直接受水流冲刷，使出口河床主冲坑偏于左岸。

（5）明渠出口右侧坡脚采用大块石动态防护，分别进行了不同粒径（D50=2.3 m， D50=1.5 m）、不同顶宽（10， 20， 25， 28 m）、不同顶高程（1 004， 1 007 m）组合条件下的抗冲试验研究。各级试验工况下，明渠出口及下游河床均形成冲坑，下游主冲坑有两处，分别位于河床中心处和左侧山体坡脚处。不同流量条件下形成的冲坑形状基本相似，冲坑深度随流量的增大而增大，护脚块石塌落的范围及程度也随流量的增大而增大。导流明渠出口下游防冲措施方案受大流量限制，如表1所示。

经过多组防护方案试验研究，确定了最佳防护方案，其中上游段150 m范围抛石粒径2.30 m，防護平台顶宽25 m;下游150～200 m范围抛石粒径1.18 m，平台宽20 m;下游200～520 m范围抛石粒径0.80 m，平台顶宽8 m。防护平台顶高程均为1 004 m。在设计流量11 400 m3/s及上述防护方案条件下，明渠出口下游河道两处主冲坑深度分别达22.1 m和35.5 m。主冲坑左侧主体为淤积，局部回流区域略有淘刷;主冲坑右侧（堆积体侧）岸坡防护范围内部分抛石落于冲坑中，并形成稳定的护坡;防护平台冲刷后剩余最小宽度大于8 m，未见堆积体坡脚裸露，因此防护措施安全可靠，如图3所示。

3 防护方案设计

结合下游河道水位及模型试验成果，冷轧厂堆积体防护整体上采用大块石护脚（高程1 004 m以下）+钢丝石笼护坡（高程1 004～1 014 m）的动态防护方案，如图4所示。其中，堆积体上游段0～150 m范围内护脚平台顶宽25 m，块石粒径2.3 m;中部150～200 m范围护脚平台顶宽20 m，块石粒径1.18 m;下游段200～520 m范围护脚平台顶宽8 m，块石粒径0.8 m。由于护脚块石粒径均较大，现场开挖块石料无法满足要求，考虑分别采用合金网石兜和格宾石笼代替。

合金网石兜由高强合金钢丝编制而成，内部装填块石，缝口后形成扁平状防护结构，单个体积达4.5～5.0 m3，重7.5～8.5 t，具体特征参数如表2所示。合金网石兜具有单个重量大、强度高、耐腐蚀、稳定性好、柔韧性极强等特点，抗冲能力强且适应基础变形，是非常好的柔性动态防护材料[7-8]，主要应用于堆积体上游段护脚。

冷轧厂堆积体下游段采用格宾石笼护脚，单个格宾石笼尺寸为2 m×1 m×1 m，重3.5～4.0 t。相互搭接堆砌形成稳定防护結构，顶宽8 m，迎水侧坡比1∶1.5。

为满足动态防护的要求，每年汛前对防护体进行检查，并准备一定的防冲材料，当汛期防护体由于河道冲刷而出现垮塌并危及上部堆积体安全时，及时动态补充抛填。

4 运行实践

金沙水电站导流明渠出口冷轧厂堆积体防护工程于2015年11月开工，2016年6月完工，11月份导流明渠通水后即投入运行，如图5所示。在运行过程中，受2017年汛期洪水冲刷影响，明渠出口河床覆盖层出现较大冲坑，随后堆积体上游段合金网石兜护脚局部垮塌掉入冲坑内，垮塌后的合金网石兜阻止了冲坑范围进一步扩大，最终未危及上部堆积体安全，达到了动态防护的设计效果。为保障安全，汛后对垮塌部位进行了补充抛填。在经过2017年汛期大洪水冲刷后下游河道和岸坡冲淤已基本平衡，随后几年均未出现较大变化。

经过施工期3个汛期及永久运行期2个汛期的实践检验，导流明渠出口防护取得了良好的效果，有效保障了下游岸坡稳定。

5 结语

（1）金沙水电站导流明渠出口最大平均流速达12.18 m/s，出口河道覆盖层厚且岸边分布大型人工堆积体，导流明渠出口防冲保护问题十分突出。

（2）本文采用1∶80动床物理模型，可以有效模拟导流明渠出口河道及岸坡冲刷情况，并通过研究提出采用合金网石兜、格宾石笼护脚加钢丝石笼护坡的组合动态防护措施。经过多个汛期的运行实践检验，导流明渠出口防护措施安全可靠，效果良好。

（3）对于动态防冲保护措施而言，尤其在运行初期，河道尚未达到新的冲淤平衡时，汛前准备一定的防冲物料是必要的。当防护体由于河道冲刷而出现垮塌情况时，应及时补充防冲物料。

（4）金沙水电站导流明渠出口防护工程的突出特点和动态防护方案的成功应用，可为今后水利工程中的类似问题提供借鉴。

参考文献：

[1] 长江勘测规划设计研究有限责任公司. 金沙江金沙水电站可行性研究报告[R]. 武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司， 2016.

[2] 余胜祥，白琦瑞，胡兴丹. 沐若水电站导流隧洞出口消能与防护研究[J]. 人民长江，2013，44（8）：94-96.

[3] 李进，周喜德，张建民，等. 桐子林水电站明渠导流方案优化研究[J]. 水力发电，2010，36（3）：59-62.

[4] 杨启贵，廖仁强，向光红. 水布垭水电站泄洪消能设计创新与实践[J]. 人民长江， 2010，41（6）：1-3， 7.

[5] 池明阳，雷声军，崔进，等. 枕头坝电站江沟泄洪洞出口消能防冲设计[J]. 人民长江，2012，43（14）： 36-39.