红旗水电站大坝下游冲坑处理设计

钱雪晋，周 华，胡 雪

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 工程概况及建设历程

红旗水电站工程位于贵州省镇远县境内，坝址位于长江流域沅江支流潕阳河上游。水库大坝距镇远县城12km，距施秉县城25km，坝址以上集水面积2111km2。工程设计以发电为主，电站总装机4×3200kw(扩容前)，兼有镇远县城防洪保护功能。工程枢纽由拱坝、坝顶溢洪道、放空底孔、取水隧洞、发电厂房、升压站等建筑物组成。水库工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等。

1981年3月一期工程(坝顶高程513.2m，无闸开敞泄洪，自由跌落消能)机组试运行发电。1987年9月二期工程(坝顶高程513.5m，溢洪道加闸，跌流消能)完成。2012年，红旗水电站进行增效扩容改造，扩容后电站总装机4×4000kW。

2 冲坑地形地质条件

大坝下游冲坑河段河谷为侵蚀性“U”形峡谷，河谷宽约40m，受河流转弯影响，上游河谷较宽，逐渐变窄。两岸山顶高程为：左 675m，右 725m，原始河床高程约463m，相对高差 212-262m，河流呈“S”形，左岸山体因处于河流转弯处较为单薄。大坝下游冲坑处地层岩性为寒武系上统炉山组中厚层至厚层层状及块状中粒白云岩，岩体表面风化后呈暗灰色，岩体隐节理极发育。冲坑底部为第四系冲积、洪积砂卵石层，厚约0.5m-2m。

实测冲坑底部高程447.5m，较原始河床深15.8m，冲坑后缘已至拱冠梁脚，冲坑最深处低于河槽左侧最低(457.00m)建基面9.5m，低于河槽右侧建基面(462.00m)14.5m。

3 冲坑发展过程

1)1989年6月13日潜水检查，大坝坝后左侧靠近底孔出口部位洪水冲刷的冲坑顺河流方向，最大深度7.5m。

2)1995年7月8日潜水检查，大坝坝后左侧靠近底孔出口部位洪水冲刷的冲坑顺河流方向，最大深度7.9m，最深处距大坝基础后缘26.4m。

3)1996年6月28日潜水检查，大坝坝后左侧靠近底孔出口部位洪水冲刷的冲坑顺河流方向最大长度20m，最大深度8.5m，最深处距大坝基础后缘15m。

4)2002年4月19日潜水检查，大坝坝后左侧靠近底孔出口部位洪水冲刷的冲坑顺河流方向最大长度20m，最大深度8.5m，最深处距大坝基础后缘15m。

图1 冲坑照片(坑内水面高程450m)

图2 冲坑照片(坑内水面高程450m)

5)2008 年，实测冲坑最低点高程为 449.69m，低于河槽左侧最低建基面(457.00m)7.31m，低于河槽右侧建基面(462.00m)12.3m，距下游坝面 31.7m。

6)2018年初，实测冲坑最低点高程为 448.09m，较2008年加深了1.6m，较原始河床低15.24m。低于河槽左侧最低建基面(457.00m)8.91m，低于河槽右侧建基面(462.00m)13.9m，距下游坝面约 20.46m。

4 冲坑成因分析

一期工程溢洪道为无闸开敞泄洪，自由跌落消能，因潕阳河汛期来水量很大(设计洪峰流量2060m3/s、校核洪峰流量3380m3/s)，下泄洪水对大坝下游冲刷区的冲刷、淘蚀作用强烈。加之大坝下游又未设消能工，强风化岩体及弱风化中上部岩体抗冲刷能力较差，故冲坑已基本形成[1]。

二期工程溢洪道增设闸门，采用跌流消能，汛期下泄洪水可通过闸门开度控制，待抬高下游水垫深度后，再加大闸门开度。此外，已形成的冲坑基岩为抗冲刷能力相对较高的弱风化中部白云岩，故冲坑每年下切的深度减小。

2018年底，实测冲坑底部高程447.5m，较原始河床深15.8m，冲坑后缘已至拱冠梁脚，冲坑最深处低于河槽左侧最低(457.00m)建基面9.5m，低于河槽右侧建基面(462.00m)14.5m。现状冲坑后坡比>1/3，不满足规范要求，冲坑后缘已至拱冠梁脚，渗径相对较短，可能导致浅层坝基渗漏问题。

5 护坦结构布置及设计

为避免坝后冲坑危及大坝安全，需使冲坑坡比<1/3，同时考虑到坝后河床基岩不被进一步冲刷，采用新增护坦形成水垫塘的方式。首先，下游河床桩号纵0+010-纵0+040段采用C25混凝土回填至高程452m，纵0+000-纵0+010段回填至高程462-452m，坡比1∶1，倾向下游；然后，在其上部设置 2m厚的C35HF钢筋混凝土护坦，护坦长40m，底宽5.27-16.46m，两侧边墙坡比1∶1，厚度1-5.02m，边墙顶部高程462m。

冲坑底部已是弱风化下部基岩，故护坦基础不再开挖，清除冲坑内砂砾石及表层松动的岩石即可，同时还需对岩体表层泥质采用高压水冲洗干净。基础处理建议施工顺序：冲坑内砂砾石、表层松动岩体清除，表层泥质冲洗—基础锚杆施工—基础C25混凝土浇筑—基础固结灌浆—护坦C35混凝土浇筑—钻设排水孔。

表层松动岩体清除采用人工或机械方式，不得采用钻孔爆破。清除后的石渣需运至指定场所弃渣，不得随意堆渣阻碍河道行洪或作为骨料利用。开挖完成后，整个基础应无向下游倾斜的斜面，清除基础面松动岩块，并对基础出露的光滑面岩层层面进行凿毛。对基础的泥质需清除干净，同时对于岩石表面的附着物采用钢丝刷清除干净，混凝土浇筑前需对基坑进行清洗后排干积水。

回填混凝土基础锚杆采用直径25mm钢筋，根长4.5m，锚杆深入基岩3m，外露1.5m，间、排距2m。锚杆采用手风钻造孔，孔径42mm，孔深3m。最后采用砂浆泵进行注浆，锚杆注浆的水泥砂浆强度等级≥M20。水泥砂浆配合比，在以下规定的范围内通过试验选定：水泥：砂=1∶1-1∶2(重量比)；水泥：水=1∶0.40-1∶0.45。

护坦置于回填混凝土上部，与回填混凝土接触面设置插筋，插筋采用直径25mm钢筋，根长2m，间、排距2m，插筋伸入护坦C35HF混凝土1m，并与底板钢筋焊接。护坦底板桩号纵0+000-纵0+010段坡比1∶1，倾向下游，顶部高程462m；桩号纵0+010-纵0+033段底板高程454m，与前、后段均采用半径5m的圆弧连接；桩号纵0+033-纵0+040段设置尾坎，尾坎坎顶高程457m。两侧边墙坡比1∶1，厚度1-5.02m，边墙顶部高程462m。

为了减小或消除护坦下的渗透压力，在底部设置竖向排水孔。排水孔直径50mm，深入基岩3m，呈梅花型布置，间排距均为3m。为避免钻孔时损坏护坦内部的钢筋，护坦混凝土浇筑时应预先埋设引管，引管采用直径25mm的PVC管。

护坦在桩号纵0+000.00-纵0+020.00段在底板中间设置1条纵缝，在纵0+020.00-纵0+040.00段在边墙与底板之间设置纵缝，共2条；在桩号纵0+020.000处设置1条横缝，缝迎水面设置1.5mm的铜片止水。在桩号纵0+000.000处，即坝基混凝土垫层与护坦回填C25混凝土之间，设置结构缝，缝内采用沥青杉板。

图3 护坦纵剖面图

6 基础固结灌浆

大坝下游冲坑边缘靠近坝体，渗径相对较短，可能导致浅层坝基渗漏问题。处理方案为对护坦起始段基础作固结灌浆处理，固结灌浆孔间、排距均为2m，共设置3排，固结灌浆孔深10m，呈梅花型布置。

7 底孔冲坑处理设计

放空底孔运行多年，在右岸山坡(460-464m高程范围)f12断层处形成冲坑。处理方案为设置C25钢筋混凝土护坡，护坡混凝土顶部高程463.5m，厚度1m，沿冲坑的左、右侧及后侧布置。

图4 厂房水下墙基础缺陷照片

8 电站厂房水下墙基础缺陷处理设计

电站厂房水下墙混凝土与基岩之间已被冲刷淘蚀形成空隙，空隙沿水下墙长度方向分布，宽1-2m，高0.1-0.2m。处理方案为首先人工开挖水下墙前端挡墙的基础高程，深度0.5-1m；然后对新、老混凝土结合面凿毛，并浇筑C25钢筋混凝土挡墙，同时预埋回填灌浆管；再对空隙处进行回填灌浆；最后对水下墙靠山侧少许渗水处的挡墙基础进行固结灌浆，固结灌浆孔间、排距均为2m，共设置2排，固结灌浆孔深6m，呈梅花型布置。

图5 电站厂房水下墙横剖面图

9 左岸负地形、空腔及一岩层层面局部空隙的处理设计

护坦桩号纵0+047.000左岸为f12断层处，断层带约20cm，受断层的影响，山体下部已形成负地形及空腔。左岸岩壁沿冲坑向下游一岩层层面有向深部冲刷成空隙的现象，在洪水冲刷不断作用下，若对左坝肩抗滑岩体产生破坏将会影响坝体的整体稳定安全。

处理方案为针对护坦末端(桩号纵0+040.000)至厂房水下墙(桩号纵0+0100.000)段，首先用高压水冲洗断层及层面；冲洗干净后，然后在左岸边坡设置C25混凝土挡墙弥补负地形，挡墙顶宽1-4.36m，坡比1∶0.3-1∶1，高度11.5-6m，挡墙基础1m深度范围嵌入基岩，同时用C25泵送混凝土填满断层内空腔，挡墙混凝土与断层内空腔回填混凝土同步上升至462m高程，并预埋回填灌浆管；最后对层面内进行回填灌浆。

10 结 语

大坝下游冲坑处理采用新增护坦形成水垫塘的方式，增设护坦后，大坝冲坑后坡比<1/3，满足规范要求。电站厂房水下墙混凝土与基岩之间已被冲刷淘蚀形成空隙，采取增设钢筋混凝土挡墙，并对空隙处进行回填灌浆的方式处理。左岸岩壁沿冲坑向下游一岩层层面有向深部冲刷成空隙的现象，对边坡采取增设钢筋混凝土挡墙，并对层面内进行回填灌浆的方式处理。

护坦建设完成后，经历了2个水文年的多次泄洪考验，运行性态良好。满足功能性、安全性、经济性、环境协调性要求。

图6 护坦建设完成