瀑布沟水电站泄洪消能区河道岸坡防护设计

张娅琴

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072）

1 工程概况

瀑布沟水电站水库正常蓄水位850 m，汛期运行限制水位841 m，死水位790 m，消落深度60 m，设计水头186 m，总库容53.37亿m3，调节库容38.94亿m3，为不完全年调节水库。枢纽总布置为：河床中建砾石土心墙堆石坝，引水发电建筑物、一条岸边开敞式溢洪道、一条深孔无压泄洪洞均布置于左岸，右岸设置一条放空洞。

堆石坝采用设计洪水频率P=0.2%，重现期500年一遇，相应洪峰流量9 460 m3/s，设计洪水位850.24 m；校核洪水采用可能最大洪水（PMF），相应洪峰流量15 250 m3/s,校核洪水位853.84 m。泄洪建筑物按重现期500年洪水设计、最大可能洪水校核。下游河道及雾化边坡防护按100年一遇洪水设计。相应入库洪水流量为8 230 m3/s，控泄出库流量为7 900（叠加尼日河来流量10 750）m3/s。

100年洪水运行工况泄量分配：溢洪道泄量4 500 m3/s，泄洪洞泄量2 000 m3/s，机组过流1 400 m3/s。

2 泄洪洞布置

泄洪洞布置于左岸，总长2 024.82 m，为无压洞，出口采用挑流消能。泄洪洞进口底板高程795 m，洞身段采用同一底坡i=0.058，出口挑坎起挑高程为677.89 m，最大泄量3 418 m3/s，挑坎上的最大单宽流量164.5 m3/（s·m），最大泄洪水头183 m，洞身最大流速约40 m/s，鼻坎顶的最大流速为33.86 m/s。

泄洪洞出口位于瀑布沟沟口上游，出口挑坎形式为扭曲斜切鼻坎，过水面底板宽度由12.0 m变为到挑坎末端24.05 m。反弧半径96.12 m，挑角30°，出口挑坎起挑高程为677.89 m。挑流水舌冲坑靠近河床左岸。

3 冲刷区基本地质条件

泄洪洞出口冲刷区河段，水面宽120～140 m，水深6～12 m，河床覆盖层厚45～63 m；左右岸谷坡均为流纹斑岩，具有良好的抗冲蚀能力，自然边坡稳定性好，但河床漂卵石层及漂块卵石层抗冲能力较弱。

泄洪洞挑流鼻坎地基岩性为流纹斑岩，地基承载力和抗变形能力满足设计要求；护坦地基为冲积漂卵石层，结构松散，抗冲能力低，须采取防冲措施，防止溯源冲刷危及护坦。泄洪洞出口下游的大渡河两岸低线公路以下河岸，覆盖层由表及里主要为人工堆积、崩坡积及河床冲积层。左岸覆盖层分布于古崩塌体至尾水出口、泄洪洞出口一带，其余区段主要为基岩。

4 冲防护范围的研究思路

瀑布沟水电站泄洪流量大、泄洪水头高，泄洪雾化严重，挑流消能区淘刷脉动破坏严重，左岸有电站尾水出口、开关站等建筑物，右岸在740 m高程（路基高程，高于河水面约60 m）有成昆铁路和尼日车站，在690 m高程（高于河水面约10 m）有至甘洛县的永久改线公路通过。鉴于省道和成昆铁路的重要性和防护治理复杂，必须对两岸河道岸坡及公路的防护范围和防护措施进行详细研究，确保泄洪运行不危及成昆铁路和两岸公路及岸坡安全。

已建下游河道护岸工程防护设计思路，一般是先冲刷一个汛期，再根据实际冲刷情况进行防护；或者，首先根据模型试验冲刷区范围初步确定防护范围，后期根据破坏情况再修复。瀑布沟泄洪洞出口对岸岸坡是成昆铁路的压脚基础，不能在泄洪时出现破坏，防护范围要足够，防护措施要得当。泄洪洞出口本岸岸坡一旦出现破坏不会立即危及挑流鼻坎和上部开关站建筑物安全。

出口下游河道岸坡破坏分为水舌落水区，淘刷区、泄洪雾化强雨雾区及淘刷区外强涌波区，确定出上述三个区域范围后，即可确定防护范围。根据泄洪洞出口冲刷模型试验成果确定淘刷范围，根据雾化数模计算成果确定雾化强雨雾区，强涌波区根据现场地形条件和冲刷模型试验成果来确定。

4.1 冲刷模型试验成果

泄洪洞单体水工模型试验表明：下游河道中水流受挑射水流的影响，两侧均形成一定的回流。设计洪水时，左侧岸边水流回流流速为6.91 m/s，右侧回流流速为5.13 m/s。下泄流量为3 029 m3/s流量时，河床最大冲坑深度31.9 m，受回流淘刷，左岸河道覆盖层坍塌，岩体裸露。右岸较大范围内波浪较大，形成较大爬高，间隙性波浪最大爬高在设计及常年（3 264 m3/s）洪水情况下分别为5.3 m和4.0 m；左岸波浪高于右岸1～2 m。

试验表明：水舌落于河床后在河道两侧产生的回流对两岸覆盖层淘刷较为严重，以及挑流水舌进入河道后产生的主流，对左岸有一定的冲刷作用，需结合岩基地质条件对该段河流的两岸采取保护措施。

技施阶段泄洪洞泄洪雾化控泄标准为2 000 m3/s流量，因此下泄的100年一遇的消能洪水（Q=2 000 m3/s）的冲刷情况，可以参照模型试验成果。试验研究成果可以作为河岸及边坡防护的依据之一。

根据泄洪洞雾化数模计算成果：控泄流量2 000 m3/s时，雨强大于20 mm/h的纵向长度661 m。

5 出口河道岸坡防护设计

5.1 防护范围确定

两岸低线公路及岸坡处于泄洪冲刷雨雾区，根据该区域可能产生泥石流的雨强和类比工程实践，确定对雨强大于20 mm/h、模型试验冲刷区及强涌波区两岸范围及低线公路进行防护，以防止泄洪时回流及强溅水对河道岸坡和公路的淘刷、脉动破坏。具体范围：尾水出口至瀑布沟大桥顺河向长865 m。

5.2 防护高程确定

1）右岸公路路面上下游分别按尼日河大桥、瀑布沟大桥桥面高程控制，在满足100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高的条件下，对公路坡度作相应调整；

2）左岸防护高程按100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高控制；

3）充分考虑尼日河出现100年一遇洪水，对河岸防护的影响；

因此，右岸防护高程为684.21～690.00 m，左岸防护高程为685.21 m。考虑常年枯水期水位为668 m，贴坡基础高程确定为668.00 m。

5.3 出口对岸岸坡防护区的防护设计

泄洪洞出口河道对岸（大渡河右岸）低线公路及岸坡处于冲刷及雾化强降雨范围，此地层表面为覆盖层和人工堆积，下层为阶地冲积物，均不能承受强降雨和淘刷作用。泄洪洞出口对岸消能区重点保护段为泄洪雾化强降雨区和水位变幅巨大波浪淘刷强烈区域，承担690.00 m高程以上雾化区边坡固脚的作用，同时也是通往甘洛县的省道，该段河道整治工程设计原则，将公路路基以下覆盖层挖除后回填混凝土，达到既保护岩面、防止冲刷，又可形成公路路基，外侧采用C30贴坡混凝土面板，厚1.0 m，公路路面厚0.3 m，采用C30混凝土。对于泄洪洞消能区以外与上下游之间衔接段，泄洪雾化降雨强度和水位变幅波浪淘刷相对较弱，保留该段原路面混凝土结构，对原路面损坏部位进行修复,清除岸坡覆盖层，采用C25贴坡混凝土面板，厚0.8 m。对岸坡贴坡混凝土进行系统锚筋支护和设置系统排水孔，贴坡面板坐落在贴坡基础上，基础尺寸2 m×2 m（宽×高），在基础外抛投块石压脚防冲保护，压脚高程673 m。

在枢纽泄洪时，该路段必须封闭，车辆绕行。雨季前后，必须进行安全检查后，才可以重新开放该段公路。

5.4 出口本岸岸坡防护区的防护设计

为方便泄洪洞枯期检修，结合左岸河道岸坡治理，增设下游厂房交通洞口至泄洪洞出口的简易公路，为减轻对岸740.00 m高程成昆铁路和尼日车站雾化影响，设计的泄洪洞出口水流在中小流量时有砸本岸现象，因此，在泄洪洞护坦下游消能区预挖冲坑形成挑流水垫，以减轻对本岸淘刷。检修公路路基及河床岸坡顺河向总长约494 m，路基宽4 m，路面采用C30混凝土，厚30 cm。

公路路基以上边坡清除覆盖层至基岩，并采用挂网喷混凝土和锚杆支护，同时布置排水孔。

对水流回流冲刷较强区域，路基采用C20混凝土浇筑，基础座落在基岩上，抛块石护脚，岩质岸坡坡面布置锚筋，公路外侧岸坡采用C20贴坡混凝土面板，厚1.0 m进行封闭，岸坡布置排水孔。水流回流冲刷较弱交通洞口区域，为满足景观布置需要，清除部分人工堆渣，局部路基采用砂卵石回填，路基以下岸坡采用C20贴坡混凝土面板，沿岸坡布置排水孔，坡脚座落在紧密的砂卵石层上，抛投块石压脚，防止水流直接冲刷，压脚高程670 m。

枢纽泄洪时，交通洞口至泄洪洞出口护坦段公路必须封闭。

5.5 2010年汛期后修复设计

1）瀑布沟大桥下游200 m左岸为毛头码机电物质仓库，其外侧岸坡为覆盖层边坡，施工期为钢筋石笼护坡，在2010年汛期泄洪洞出流期间，因河道水流状态发生变化，被泄洪氵勇波和折冲水流破坏。为保护毛头码机电物质仓库安全，对该岸坡重新进行防护处理。对破坏严重段采用钢筋混凝土面板防护段，对岸坡进行系统锚筋支护和布置排水孔，钢筋混凝土面板基础外侧采用钢筋石笼压脚保护。对破坏不严重段采用混凝土覆盖钢筋石笼，拆除该段已经变形的钢筋石笼，平整坡面，新码放钢筋石笼要与上游混凝土面板和下游钢筋石笼顺接；对新码钢筋石笼进行无盖重水泥灌浆，水泥浆强度等级为M25，在新钢筋石笼迎水面浇筑一层厚0.3 m的C25混凝土。

2）由于瀑布沟承担向下游泄放327 m3/s流量的供水任务，2010年汛期瀑布沟电力系统出现故障，由泄洪洞局部开启小流量放水。泄洪洞出口护坦临河侧部分基础是覆盖层，部分覆盖层出现掏空破坏现象，为防止小流量冲刷护坦危及挑坎基础，对护坦底部覆盖层和基岩进行固结灌浆处理，基岩基础固结灌浆参数：孔径φ50，孔深8 m，排距2 m；覆盖层基础固结灌浆参数：孔径φ50，孔深12 m，排距2 m。对局部掏空部位进行水下C25混凝土回填。

6 结论

根据泄洪洞出口对岸成昆铁路雾化防护重要性，确定雾化及防冲标准和研究防护范围的方法。该工程通过水工模型试验、雾化数模计算、地形条件和工程类比确定的防护范围和高程，经对泄洪洞消能区两岸河道边坡重点部位采取将公路路基及以下覆盖层挖除后回填混凝土，岸坡采取贴坡混凝土加锚筋与岩面紧密结合和系统排水等综合措施后，原河道两岸岸坡抗冲刷能力大大加强，目前经受住2010年汛期控制水库蓄水期库水位上升速度泄洪和2011年汛期泄洪的考验。

左岸消能区2010年汛期受库水位上升速度的限制和向下游供水的要求，泄洪洞长期处于小流量运行，水流砸本岸情况严重，护坦部分基础被掏空，经修复处理后，经受住2011年汛期泄洪考验。

泄洪洞2010年运行时间长达1 940 h，相当于几个汛期泄洪时间，2011年又历经整个汛期运行考验，期间最大泄量达2 550 m3/s，最小泄量为200 m3/s，泄洪洞出口消能区河道岸坡防护经受雨雾和水流淘刷涌波考验。由于目前防冲护岸设计暂无规程规范可依，值得借鉴已成功的工程实例较少，瀑布沟泄洪洞出口消能区河道护岸的设计经验值得其它类似工程借鉴和参考。