城南水电站闸下水毁修复设计与试验研究

周文妍,鲍 倩

(1.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

城南水电站位于攀枝花市米易县境内的安宁河上,坝址上距米易县城0.8 km,下距攀枝花市78 km。电站装机容量2×8.5 MW,水库正常蓄水位1 079.5 m,相应库容130万m3,工程任务为发电和旅游,无供水、防洪等其它综合利用要求。根据GB 50201—94《防洪标准》和 SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定,该电站为Ⅳ等小(1)型工程。永久性主要建筑物按4级设计,次要及临时性建筑物按5级设计。挡水、泄水建筑物及河床式发电厂房均采用相同的洪水标准,以30 a一遇洪水设计,100 a一遇洪水校核,相应的洪峰流量分别为3 360,4 060 m3/s。

泄洪闸位于左岸主河道,宽163 m,布置13孔。孔口净宽10m,中墩厚2.0 m,缝墩厚2×1.5m,闸室每2孔设一分缝,故每段宽25 m;闸室段长22 m,上游侧设置12 m宽的交通桥,闸门布设于闸室下游侧;闸室设平板工作闸门和平板检修闸门各1道。闸底板顶高程1 072.50 m,底板底高程1 070.50 m,板厚2m,最大闸高8.5 m,闸前混凝土防渗铺盖长5.5 m,下设全封闭厚0.6 m的混凝土垂直防渗墙;闸后设15m长的混凝土护坦 (其中7～10号闸后设消力池,池长15 m,池深1 m),在其末端设混凝土齿墙,后接22m长的海漫,海漫采用钢筋混凝土网格石笼与铅丝石笼相结合的方式,钢筋混凝土网格石笼厚0.6 m,长13.6 m,铅丝石笼长为4.4 m,海漫末端设大块石齿墙,齿墙深4 m。

冲沙闸紧靠电站进水口左侧即泄洪闸的右侧布置,宽13 m,设1孔,孔口净宽10 m,2边墩厚1.5 m。闸底板顶高程1 072 m,底板底高程1 070m,最大闸高9 m,闸后设15 m长的混凝土消力池,池深0.5 m,其余同泄洪闸。工程平面布置见图1。

2 水毁情况

工程建成运行几年后,设消力池的4孔泄洪闸段,消力池以下护坦、海漫及防冲槽等全部被毁坏,消力池底板以下被淘空,最大冲深11.00 m,至高程1 061.0 m左右;不设消力池的其它闸段,护坦下游建筑物全部被冲毁,现有消力池、护坦段混凝土已存在开裂沉降等破坏现象。

3 修复方案设计及方案比较

根据水毁工程现场情况,结合水工模型试验提出3个修复方案,各方案的工程结构设计及水工模型试验结果如下:

3.1 修复方案1

3.1.1 工程布置及结构设计

维持原布置不变,消力池段0+034.50～0+037.00 m范围内设混凝土齿槽,齿槽采用1∶1的斜坡开挖至1 068.5 m,槽底宽50 cm。全段底板采用C20钢筋混凝土浇筑,内设有PVC排水管(孔径15 cm,间距2.0 m,梅花型排列),底板下设置10 cm厚的C10混凝土垫层。根据水毁情况采用环氧砂浆对消力池及其两侧的护坦底板裂缝进行修补,并对底板基础淘空处采用C15混凝土进行充填。

因0+037.00 m下游已完全被洪水毁坏,因此设计采用35 m长的海漫,海漫末端设17 m的防冲槽。海漫采用1∶50的坡度,起点高程1 072.5 m,终点高程1 071.8 m;海漫段底板厚1m,采用C20钢筋混凝土浇筑,前端设有混凝土齿槽,槽深2 m,槽底宽50 cm,坡度1∶1。海漫末端0+072.00～0+084.00 m防冲槽底部为混凝土底板,底板厚1 m。防冲槽内回填直径80～100 cm的大块石,回填总方量为1.1万m3,总投资约100万元。海漫与防冲槽的混凝土底板下均设置1层10 cm厚的C10混凝土垫层,基础冲毁处采用 ρ≥2.2 g/cm3,相对密度d≥0.75的砂卵石碾压回填至底板底高程。修复方案1的消力池段工程剖面布置见图2。

3.1.2 水工模型试验成果

试验表明一级消力池池深不够,且池长不足,当闸门开度＞1 m时,水流出闸后在消力池内均形成远驱水跃,在坎上呈现挑流状态,砸击护坦,消力坎后水流不稳定,水面波动剧烈。

为了观测消力池后护坦末端河床的冲刷情况,验证修复方案1的消能效果,进行了局部动床冲刷试验。动床范围为海漫末端 0+072.00～0+170.00 m。河道底高程为1 070.50 m,消力池至海漫段按不可冲的刚性材料考虑,动床冲刷区内桩号0+072.00～0+089.00 m断面按设计要求回填大块石 (用3～4 cm的碎石模拟)。

泄洪闸分别开启1.0,2.0,3.0 m的1个冲刷试验周期后(约合原型7.5 h),防冲槽内的大块石已基本被冲光,防冲槽末端冲刷坑最深点位于0+088.00 m附近,最深点高程约1 063.8m。此时防冲槽末端0+084.00m断面处最低点冲刷至约1 065.3 m,混凝土齿槽末端已经被水流淘空。因此,该方案有待改进。混凝土齿槽末端冲刷后地形见图2。

图2 修复方案1冲刷7.5 h后冲刷坑形态图

3.2 修复方案2

3.2.1 工程布置及结构设计

泄洪闸的不设消力池段结构布置同修复方案1。

对7～10号孔闸下消力池进行改造:改造后的消力池池长28.0 m,池深2 m,上游侧采用1∶4.0的斜坡 (水平段长8 m)与50 cm长的平段衔接,其顶高程1 072.5 m;中游为19 m长的水平段,底板顶高程1 070.5 m;下游侧为消力池尾坎,尾坎高程1 072.5 m,坎厚50 cm。消力池段0+022.00～0+047.50 m的底板底高程为1 069.5 m,0+047.50～0+050.00 m范围设混凝土齿槽,齿槽采用1∶1的斜坡开挖至1067.5m,槽底宽50 cm。全段底板采用C20钢筋混凝土浇筑。桩号0+050.00 m后接钢筋混凝土护坦,护坦总长28 m,从0+050.00～0+050.50 m段底板厚2 m,顶高程1 072.5m,其后以1∶4的斜坡 (水平段长16 m)将护坦顶高程降至1 068.5 m,再接11.5 m长的水平段至0+078.00 m处;护坦底板厚1 m,采用C20钢筋混凝土浇筑,末端设有垂直混凝土齿墙,齿墙深6.5 m,墙底高程为1062.00 m。消力池及护坦底板内设有PVC排水管(孔径15 cm,间距2.0 m,梅花型排列,末端包无纺布),底板下设置10 cm厚的C10混凝土垫层。修复方案2的消力池段工程剖面布置见图3。

图3 修复方案2工程布置剖面图

3.2.2 水工模型试验成果

当闸门开度1.0 m时,一级池内水跃不是很稳定,水流左右摆动,在右侧形成狭长的回流区。其原因主要是流量小,池内水深大,并且左右闸墩厚度不均。当闸门开度＞1.0 m时,一级消力池内形成完整和稳定的水跃,略呈淹没,护坦下游断面上泥沙起动,河床开始受到冲刷。水流过坎后在下游护坦段内形成水跃,跃后水流平稳,消能充分。

泄洪闸分别开启1.0,2.0,3.0,4.0m的1个冲刷试验周期后,护坦下游最大冲深点位于桩号0+086.75 m处,最深点高程约为1 065.2 m。

3.3 修复方案3

3.3.1 工程布置及结构设计

桩号0+037m以前均保持现状,其结构修补方案同修复方案1。桩号0+037.00 m后接钢筋混凝土护坦,护坦总长53 m,顶高程1 072.5 m,从0+037.00～0+037.50 m底板厚2 m,其后以1∶4的斜坡 (水平段长16 m)将护坦顶高程降至1 068.5 m,再接36.5 m长的水平段至0+090.00 m。护坦底板厚1m,采用C20钢筋混凝土浇筑,末端设有垂直混凝土齿墙,齿墙深6.5 m,墙底高程为1 062.00 m。消力池及护坦底板内设有PVC排水管(孔径15 cm,间距2.0m,梅花型排列,末端包无纺布),底板下设置10 cm厚的C10混凝土垫层。修复方案3消力池段工程剖面布置见图4。

图4 修复方案3工程布置剖面图

3.3.2 水工模型试验成果

总体来看,各工况水流流态比较相似,水流出闸后为急流,呈远驱水跃,消能任务落到一级池后的护坦上。虽然水流过挑坎后在护坦段内形成二次水跃消能,但是二级池内的水流流态同修复方案2相比,流速较大,消能效果略差。闸门各开度时泄流情况如下:

当闸门开度1.0 m时,水流在一级池内产生水跃,跃首位于0+031.10 m断面,水流过一级池后在下游护坦段内产生水跃,跃首位于0+045.20 m断面,跃尾位于0+055.50m断面;0+080.00 m断面流速分布较均匀。当闸门开度2.0 m时,水流出闸后为急流,在护坦段内产生水跃,跃首位于0+053.70 m断面,且两侧主流压缩各1/2孔;护坦段内水跃跃尾位于0+062.50 m断面。此时护坦下游地形最大冲深点高程约1 065.3 m。当闸门开度3.0 m时,水流在下游护坦段内跃首位于0+058.30 m断面,跃尾位于0+064.60m断面;护坦末端0+090.00 m处主流宽约38.50 m,此时护坦下游最大冲深点高程约1 064.7 m。当闸门开度4.0 m时,水流在下游护坦段内跃首位于0+058.30 m断面,主流压缩至33.25 m;护坦段内水跃跃尾位于0+065.30 m断面。

经过1个冲刷试验周期后,护坦下游最大冲深点位于0+118.00m附近,最深点高程约1063.0m,相比修复方案2冲刷略严重。但是由于修复方案3与修复方案2相比节省大量工程投资,若拆除水毁的消力池、护坦及消力池两侧的导墙,在工程实施过程中不仅存在较大的施工难度,而且将危及泄洪闸主体工程安全。经综合考虑后最终推荐采用修复方案3,即保留现有的一级池布置,降低护坦段高程进行消能的方案。

4 结 语

经水工模型试验验证,工程水毁的主要原因是由于现状一级消力池池深不够且池长不足,导致出闸水流消能不充分。当闸门开度＞1 m时,水流出闸后在消力池尾坎上呈现挑流状态,砸击护坦;且消力坎后水流不稳定,水面波动剧烈,对下游河道地形产生严重冲刷,进而淘刷消力池以及护坦底板。

通过理论计算和水工模型试验,比较了3个修复方案,结合工程现场施工难度,最后推荐维持一级池不变同时降低护坦高程,形成二次水跃的消能方式 (方案3),并建议海漫末端进行垂直防护,以减轻河道冲刷,确保护坦和海漫的安全。另外,为了确保工程安全运行,应制定合适的闸门调度原则:尽量利用设置消力池的4孔泄洪闸多泄洪,在满足下游河道安全的前提下,再利用其余闸孔泄洪。成果对类似工程具有参考价值。

[1]鲍倩,包中进.城南水电站消能防冲修复水工模型试验研究报告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

[2]孙江南.葛洲坝大江电厂尾水护担冲抗成因及修复设计[J].人民长江,1999(30):21-22.

[3]李炜.水利计算手册 [M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4]水利水电科学研究院.水工模型试验 [M].2版.北京:水利电力出版社,1985.