金沙水電站導(dǎo)流明渠設(shè)計及出口防沖措施研究

胡 田 清， 趙 穎， 朱 信 波

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010；2.四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617068； 3.長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

1 概 述

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距攀枝花中心城區(qū)10.3 km。正常蓄水位高程1 022 m，校核洪水位高程為1 025.3 m，相應(yīng)靜庫容為1.08億m3，電站裝機(jī)容量為560 MW，最大壩高66 m，多年平均發(fā)電量為21.77億kW·h。金沙水電站的主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件以及對觀音巖水電站的反調(diào)節(jié)作用等[1]。

金沙水電站壩址河谷開闊，呈不對稱“U”型，具備分期導(dǎo)流的條件。該工程導(dǎo)流共分三期，一期進(jìn)行右岸導(dǎo)流明渠施工，水流從原河床下泄；二期主河床截流，進(jìn)行二期河床基坑施工，水流從導(dǎo)流明渠下泄；三期明渠截流，進(jìn)行三期明渠基坑施工，水流從河床表孔下泄。

金沙水電站洪水由上游融雪(冰)水與中游暴雨洪水共同形成，6～10月為汛期，壩址區(qū)20 a一遇洪水流量為11 400 m3/s。導(dǎo)流明渠上游段巖體主要為大蕎地T3dq1～T3dq2段及丙南組T3b5～T3b7段泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，下游段巖體為正長巖。其中明渠進(jìn)口段為含炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖，并分布F22斷層及花石崖1#撓曲，撓曲擠壓變形強(qiáng)烈，巖體破碎，性狀較差，軟巖變形及快速崩解問題突出，邊坡地質(zhì)條件相對較差。同時，導(dǎo)流明渠邊坡壩軸線附近上部分布有牛筋樹堆積體和花石崖2#撓曲，堆積體厚度一般為5～18 m，體積約72萬m3，需要清除。2#撓曲巖層傾向坡外，傾角30°～56°，為順向坡，穩(wěn)定性差，需進(jìn)行加固處理。

2 導(dǎo)流明渠的設(shè)計研究

2.1 導(dǎo)流規(guī)模及布置

金沙水電站導(dǎo)流明渠為4級建筑物，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為全年5%頻率洪水，最大瞬時流量11 400 m3/s[2]。

根據(jù)實(shí)際地形地質(zhì)條件，將導(dǎo)流明渠布置在河床右岸。由于兩岸山體高陡，為了充分節(jié)省工程投資，應(yīng)最大限度地縮小明渠規(guī)模，但同時需滿足施工期上游水位不高于水庫移民搬遷水位的要求。受縱向圍堰位置限制，導(dǎo)流明渠的規(guī)模主要受其底寬控制，明渠底寬越小，工程量越小，工程投資越小。水力學(xué)計算成果表明：導(dǎo)流明渠底寬越小，上游水位越高，平均流速越大。經(jīng)過綜合比選，導(dǎo)流明渠在底寬35 m、設(shè)計流量為11 400 m3/s工況下，上游水位高程達(dá)1 021.64 m，基本接近水庫正常蓄水位高程1 022 m。為滿足施工期上游水位不高于水庫移民搬遷水位的要求，選定導(dǎo)流明渠底寬為35 m，單寬流量為326 m3/s/m，最大平均流速為15.85 m3/s。

根據(jù)所確定的導(dǎo)流明渠規(guī)模，導(dǎo)流明渠布置情況如圖1所示。進(jìn)口與主河床夾角約8°，出口與主河床夾角約27°，進(jìn)口底高程為993 m，出口底高程為992 m，其中間為滿足大壩溢流表孔結(jié)構(gòu)要求底高程為985～988 m，明渠整體底寬35 m，進(jìn)、出口略有擴(kuò)大，呈喇叭口型，導(dǎo)流明渠軸線總長約982 m。

圖1 導(dǎo)流明渠平面布置圖

2.2 導(dǎo)流明渠結(jié)構(gòu)設(shè)計

明渠采用橫向平底結(jié)構(gòu)，典型斷面如圖2所示。明渠左側(cè)為混凝土縱向圍堰，右側(cè)為巖石邊坡，開挖邊坡最大高度約130 m，邊坡支護(hù)最高達(dá)210 m(含牛筋樹堆積體及花石崖2#撓曲處理)。上游段邊坡巖體為泥質(zhì)粉砂巖及細(xì)砂巖，開挖坡比為1∶0.3～1∶1，下游段邊坡巖體為正長巖，開挖坡比為1∶0.3。邊坡每20 m高設(shè)一級馬道。壩頂高程1 027 m以下邊坡及底板采用C20鋼筋混凝土襯砌，高程1 027 m以上的邊坡采用噴錨支護(hù)，邊坡及底板設(shè)系統(tǒng)錨桿，錨桿長4.5 m。針對泥質(zhì)粉砂巖、含炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖等軟巖段邊坡通過采用調(diào)整邊坡結(jié)構(gòu)、設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨筋樁及貼坡混凝土等綜合處理措施進(jìn)行加固處理。將導(dǎo)流明渠邊坡頂部牛筋樹堆積體全部挖除，清理后的坡面采用掛網(wǎng)噴混凝土加系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)。在花石崖2#撓曲頂部設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)，清理撓曲坡面并采用掛網(wǎng)噴混凝土加系統(tǒng)錨桿和錨索的支護(hù)措施進(jìn)行處理。

圖2 導(dǎo)流明渠結(jié)構(gòu)典型斷面圖

2.3 導(dǎo)流明渠邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)導(dǎo)流明渠邊坡工程地質(zhì)條件，分別選取上游進(jìn)口段及壩軸線典型斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。計算采用巖土有限差分法FLAC3D軟件分析巖體邊坡應(yīng)力應(yīng)變、邊坡變形及塑性區(qū)分布，并采用強(qiáng)度折減法分析各計算工況下邊坡潛在最危險滑移路徑和強(qiáng)度儲備安全系數(shù)[3，4]。同時，根據(jù)潛在滑移面采用Morgenstern-Price方法進(jìn)行極限平衡分析。采用Flac3D建立的準(zhǔn)三維數(shù)值分析模型如圖3、4所示，各巖體均采用以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為屈服函數(shù)的理想彈塑性模型。邊坡表面自由，底面固定約束，其他各面均法向約束。經(jīng)計算分析，各工況條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均能夠滿足要求(表1)。

a．邊坡模型網(wǎng)格

b. 邊坡潛在滑移路徑圖3 上游進(jìn)口段典型斷面數(shù)值計算模型及結(jié)果圖

a．邊坡模型網(wǎng)格

b. 邊坡潛在滑移路徑圖4 右岸導(dǎo)流明渠壩軸線邊坡數(shù)值計算模型及結(jié)果圖

3 下游出口防沖措施研究

3.1 基本情況

導(dǎo)流明渠出口下游靠金沙江右岸分布一處冷軋廠堆積體，長520 m左右，橫向?qū)?60 m左右，平面面積0.1 km2，其頂部布置眾多工業(yè)廠房。堆積體物質(zhì)主要為雜填土及爐渣，厚度為30～55 m，體積約290萬m3。明渠出口下游河床覆蓋層深厚，表部為厚8 m左右的卵石層，以下為中細(xì)砂與粉土，抗沖能力較差。導(dǎo)流明渠過流期間，會對下游河床及堆積體前緣進(jìn)行沖刷，危及堆積體穩(wěn)定及頂部人員和廠房安全，需采取有效的防護(hù)措施。

表1 導(dǎo)流明渠典型斷面穩(wěn)定安全系數(shù)表

3.2 模型試驗(yàn)

為研究施工期冷軋廠堆積體防沖保護(hù)措施，進(jìn)行了1∶80動床模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：流量越大，明渠出口流速越大，設(shè)計流量為11 400 m3/s時，明渠出口最大垂線平均流速達(dá)12.18 m/s，出導(dǎo)流明渠后，各斷面主流流速沿程衰減，并在河床兩岸形成回流(圖5)。

圖5 動床模型試驗(yàn)明渠出口及下游河床流速分布圖(Q=11 400 m3/s)

各級試驗(yàn)工況下，明渠出口及下游河床均形成沖坑，沖坑形狀基本相似，主沖坑有兩處，分別位于河床中心處和左側(cè)山體坡腳處。各級流量下，沖坑深度隨流量的增大而增大，拋石的塌落范圍及程度也隨流量的增大而增大(表2)。由試驗(yàn)結(jié)果可見：導(dǎo)流明渠出口下游防沖措施受大流量控制。

在設(shè)計流量11 400 m3/s條件下，兩處主沖坑深度分別達(dá)22.1 m、35.5 m。主沖坑左側(cè)主體為淤積，局部回流區(qū)域略有淘刷。主沖坑右側(cè)(冷軋廠側(cè))導(dǎo)流明渠出口下游防護(hù)范圍內(nèi)部分拋石落于沖坑中并形成穩(wěn)定的護(hù)坡，未見坡腳裸露，高程1 004 m防護(hù)平臺沖刷后剩余寬度均大于8 m(圖6)。

表2 各級流量下游沖刷情況表

圖6 動床模型試驗(yàn)明渠出口及下游河床沖刷情況圖(Q=11 400 m3/s)

3.3 防護(hù)方案

根據(jù)動床試驗(yàn)成果，施工期對導(dǎo)流明渠出口冷軋廠堆積體采用合金網(wǎng)石兜[5，6]及格賓石籠平臺壓腳、上接鋼絲石籠護(hù)坡方案。堆積體上游段200 m范圍采用合金網(wǎng)石兜壓腳，壓腳平臺頂高程為1 004 m，平臺寬25 m。網(wǎng)石兜單個體積約4.5～5 m3，重7.5～8.5 t，分別由2～3個串聯(lián)在一起。堆積體下游段320 m范圍內(nèi)采用格賓石籠壓腳，平臺頂寬8 m。壓腳平臺以上邊坡采用30 cm厚鋼絲石籠護(hù)坡。防護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面見圖7。

(a) 上游段防護(hù)(合金網(wǎng)石兜防護(hù))

(b) 下游段防護(hù)(格賓石籠防護(hù))圖7 冷軋廠堆積體防護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面圖

4 結(jié) 語

(1)金沙水電站采用三期導(dǎo)流方案，在河床右岸布置導(dǎo)流明渠。經(jīng)綜合研究比較且為最大限度地控制導(dǎo)流明渠規(guī)模，節(jié)省工程投資，同時滿足施工期上游水位不高于水庫移民搬遷水位的要求，將導(dǎo)流明渠底寬選定為35 m。

(2)導(dǎo)流明渠邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖邊坡最大高度約130 m，支護(hù)邊坡最高約210 m，邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，分布花石崖1#，2#撓曲、F22斷層、牛筋樹堆積體等較大不良地質(zhì)體，部分邊坡含炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖，邊坡軟巖變形及穩(wěn)定問題突出。通過采取有針對性地綜合加固處理措施，邊坡穩(wěn)定滿足要求。

(3)導(dǎo)流明渠出口流速大，最大垂直平均流速達(dá)12.18 m/s，下游河道沖刷嚴(yán)重，為保障下游冷軋廠堆積體穩(wěn)定，通過動床模型試驗(yàn)，研究出采用合金網(wǎng)石兜、格賓石籠護(hù)腳加鋼絲石籠護(hù)坡的防護(hù)方案，有效地解決了明渠出口下游防沖刷問題。

(4)目前金沙水電站導(dǎo)流明渠已投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況整體較好。金沙水電站在導(dǎo)流明渠設(shè)計、邊坡支護(hù)、地質(zhì)缺陷處理及出口沖刷防護(hù)方面取得的寶貴工程經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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