某水电站泄洪冲沙闸海漫段毁损工程整治方案研究

葛 静

(中电建水电开发集团有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

水电站在长期运行过程中，由于河道长期采沙，大坝运行管理、汛期洪水的冲刷、水力学因素等叠加作用，河道边界条件、水流流态、河相关系等发生了较大变化，导致河床下切，电站海漫末端形成较大跌水(上下游水头差较原设计增加)，消能不够充分，运行工况变差。在这种情况下，随着运行时间的延长，亦会逐步加剧海漫下游河床的淘刷，继而危及海漫、消力池、甚至大坝的安全运行。

而水电站的安全生产关系到电力系统自身的稳定、效益和发展，而且影响广大电力用户的利益和安全，影响国民经济的健康发展，社会稳定和人们的日常生产生活。因此为实现电站的正常运行，确保沿线行洪安全，必须对电站下游河道进行整治处理，结合某水电站工程在多年实际运行中的损毁情况和整治方案技术经济比较研究，提出经济可行、安全可靠的永久整治方案，为类似工程的整治设计工作提供重要参考依据。

2 项目概况及毁损原因分析

2.1 项目概况

某水电站工程由左岸非溢流面板坝、闸坝储门槽段、泄洪冲沙闸、发电厂房、厂房储门槽段、尾水渠、右岸接头坝及库区防洪堤等建筑物组成。电站装机容量480 MW，额定水头24.5 m，电站采用一级混合开发方式，即建坝壅水高15.5 m，与上游电站尾水相衔接，河床式厂房，厂后接长9 015 m的尾水渠，尾水渠利用落差14.5 m。电站发电水头的一半左右需由尾水渠获得。

电站自2009年投运，2020年初对海漫下游3 km范围河床地形实地测量，发现水电站大坝下游河床高程总体下降6～7 m，在大坝枢纽区海漫下游约400 m范围内，局部达到10 m(主要位于泄洪闸海漫末端，距海漫末端下游100 m)，形成冲坑，坑底高程405 m，与海漫高差达9.0～10.0 m，导致左岸五孔泄洪闸海漫末端防冲槽沉降，海漫基础暴露，埋深严重不足，海漫与下游河道形成跌水，下游水位较原设计下降约3 m左右。此部位河床的大副降低以及下游水位的下降将严重威胁泄洪闸的海漫、消力池乃至大坝的安全运行。泄洪闸与冲沙闸之间的下游导墙下段，桩号0+228.78 m～0+247.78 m，基础淘刷严重，导墙发生倾斜有进一步倾倒的危险。 海漫末毁损情况见图1。

图1 海漫末毁损情况

2.2 毁损原因分析

(1)下游河床采沙影响。电站在运行过程中，整个尾水渠河段，都不同程度存在主河床采沙现象，原设计要求在尾水渠左堤左侧至少50 m范围内不能采沙，但在实际采沙过程中，局部河段在50 m范围内进行了采沙，并在采沙作业的影响下，整个河床砂卵石均比较松散，在汛期洪水淘刷的双重影响下，河段河床整体有所下降。

(2) 闸坝运行管理。2020年以前，由于工程1号、2号冲沙闸闸室存在不均匀沉降现象，导致1号闸室闸门无法正常启闭(原设计应为汛期优先开启冲沙闸进行冲沙泄洪)[3]，汛期大多数时间开启泄洪闸进行泄洪，单宽流量相对偏大，加上下游河床降低，下游水位较原设计低，导致海漫末端形成较大跌水(上下游水头差较原设计增加)，消能不够充分，其运行条件比原设计工况较差。

(3)汛期洪水影响。电站投运至今，年最大洪水入库洪峰流量一般在5 000～7 000 m3/s，约为2～5年一遇洪水。尽管上游来水流量不算大，最大下泄流量7 250 m3/s，基本为5年一遇，但与前述的几个因素叠加在一起后，加剧了下游河床的下切。

(4) 河势稳定因素。根据水文专业计算分析，在该河段实际河床地形情况下(人为采沙后)，稳定河宽需达到333.48 m，在常遇洪水(P=50%)工况下，电站坝下游河道部分河段水面宽度小于稳定河宽。

(5)水力学因素。河段大量采沙后，导致河床坡降变陡，河道水流流速加大；采沙作业改变河床砂卵石原级配，松散且抗冲刷能力下降。另外，因海漫下游河道下切严重，改变了原有河床水位流量关系曲线，进而改变了闸坝渗流边界条件，渗流坡降及渗流量增大。

3 整治方案设计研究

3.1 处理方案考虑因素

(1)消能防冲，保护海漫末端免受更严重的淘刷，通过消能同时使坎后流速和河床水流平顺衔接，顺利归槽；避免下泄出流流速过大而造成对下游河床的冲刷下切。

(2)洪水期，坎后出流主流引导至河床中部，避免下泄水流对右岸尾水渠左堤和泄洪渠左岸防洪堤的冲刷。

(3)枯水期尾坎上下游水面能够平顺衔接，为大渡河鱼类提供顺畅通道(鱼道设计的鱼类突进流速为1.5 m/s，生态流量为17 m3/s)[1]。

3.2 整治方案选择

根据现场实际情况，结合该公司要求在汛前实施完成，并满足度汛要求，拟定如下四个方案进行综合比较分析，整治方案比选见表1。

表1 整治方案比选

经过对比分析，方案四-简易消力池方案施工难度小，在最小的改变河道实际条件的情况下用最简洁的工程措施实现了相对最有效的行洪与消能，该方案直接投资较消力池方案少，但其可实施性更强，效果更好，还有利于在有限的时间内完成相应的工程措施，且对电站的长期稳定保障性更好。从整体来看，该方案更加的经济可靠，技术可行，故作为最优方案采用。

3.3 整治方案设计

泄洪冲沙闸下游设两道防冲墙，在电站原海漫末端(桩号：坝 0+248.38 m)设置第一道C25 钢筋混凝土防冲墙(以下简称“1号防冲墙”)；在1号防冲墙下游约300 m 位置(桩号：坝0+550.00 m)设置第二道C25钢筋混凝土防冲墙(以下简称“2号防冲墙”)。两道防冲墙与天然河床一起成为一大型的“简易消力池”。在该消力池内需进行河床的疏浚整理，将主流引导至河道中部。

1号防冲墙在海漫末端沿横河向全段面布置，防冲墙墙顶高程413.50 m，墙底高程393.50 m，防冲墙厚1.2 m，高 20 m。在 6～10号泄洪闸对应的左半段防冲墙下游的412.5 m 高程位置设置一长度为12 m的消能防冲平台。

2号防冲墙设置在海漫下游跃后100 m左右，即桩号：坝 0+550.00 m。该断面为简易消力池尾坎，要求其尽可能够适应汛、枯期电站运行需要以及各个流量工况(生态流量17 m3/s ～消能防冲50年一遇 9 890 m3/s)，故其过水断面为复式梯形设计。梯形断面设计结合鱼道进口水位、消能防冲需求及各时期水面线等数据，综合拟定断面如下：断面中部凹槽为拟进鱼道深槽防冲墙底部高程设置在408.0 m,横断面往左右两侧呈逐渐加高设置(坡度为 1∶2)。第一级两侧加高至412 m，向两岸平段分别宽 40 m；第二级两侧加高至414 m，向左岸平段宽102 m， 向右岸平段宽 68 m；高程414 m平段过后，两岸沿合适坡度与岸坡418 m 高程位置相连接。过流断面主流在维护左岸河床且保护右岸尾水渠岸坡的基础上尽量居中布置。

3.4 整治方案实施前后的数值计算

选择该电站上游450 m附近，下至坝址下游3.0 km，横向范围为左右岸河道边线为计算范围，进口以水沙过程作为入口边界条件，以水位流量关系曲线作为出口水位控制条件[2]。

3.4.1 数模控制方程

数学模型控制方程由水深平均下的浅水方程和泥沙输运方程构成。泥沙输运方程主要包括悬沙不平衡输沙方程、河床变形方程。

式中η为水位；u为水流平均速度；h为水深；g为重力加速度；n为糙率；AH为水平涡黏系数；S为悬移质含沙量；ω为沉降速度；S*为悬移质挟沙力；α为恢复饱和系数；Zb为可动层厚度；ξ为孔隙率；qbx、qby为推移质输沙率；ρ为泥沙密度。

3.4.2 计算结果分析

(1)现状河道和整治方案建成后在1 500 m3/s、3 000 m3/s、4 500 m3/s、5 000 m3/s、7 940 m3/s、9 890 m3/s的不同下泄流量下，河道沿程流态对比：2号防冲墙下游约300 m范围内，现状河道水流的主流速带一直在右岸，且维持着3 m/s以上的流速，尾水渠的堤脚有冲刷的危险。之后随着河道深泓线左移，主流才逐渐摆动至左岸。整治方案建成后，2号防冲墙下游约300 m范围内，河道的主流一直在中间，并随着河道深泓线左移，逐渐摆动至左岸，有利于对尾水渠的堤脚冲刷的保护。

(2)通过现状情况和整治方案建成后流场计算分析， 2号防冲墙下游约300 m范围内，现状河道水流的主流速带一直在右岸，且维持着3 m/s以上的流速，尾水渠的堤脚有冲刷的危险。之后随着河道深泓线左移，主流才逐渐摆动至左岸。

推荐方案建成后，2号防冲墙下游约300 m范围内，河道的主流一直在中间，并随着河道深泓线左移，逐渐摆动至左岸，有利于对尾水渠的堤脚冲刷的保护。

(3)现状情况和整治方案实施后，在3 000 m3/s(库水位431 m)和敞泄5 000 m3/s特征流量下计算水流特性对比见表2。

表2 特征流量下计算水流特性对比

由表2分析可知，典型断面，现状与整治方案计算结果相对相似，但整治方案的主流在河道中间，有利于对尾水渠的堤脚冲刷的保护。

4 整治方案实施效果

该次海漫毁损工程实施以后，泄洪冲沙闸海漫下游防冲墙在保护上游建筑物免受进一步淘刷的同时，可进一步消杀上游水能，保护下游河床；目前该工程已于2021年汛前顺利完工，并投入工程运行，经过2021年汛期验证，电站大坝面板及海漫汛期安全风险均得到释放，能够满足电站的安全稳定运行需要，验证了该处理方案的有效性。

5 结 语

水电站在长期运行过程中，外部环境发生重大改变，下游河道下切严重，导致泄洪冲沙闸上、下游水位差加大，水流不能平顺衔接，在海漫末端形成跌水，消能不够充分，其运行条件比原设计工况较差，可能进一步造成严重的冲刷破坏，甚至关系坝体安危。

因此选择有效的永久治理方案是亟需解决的问题，该研究通过整治方案比选和数值计算均有效验证了两道防冲墙的简易“消力池”整治方案能够达到了预期目标，保护海漫、消力池、以及电站的安全度汛和稳定运行，满足电站的安全防护要求。通过整治处理后的电站已经通过经过2021年汛期验证，证实了该方案的有效性。可以为类似工程问题的处理提供借鉴经验。

为了整个泄洪渠河床的长期水位流量关系的保持起一定的稳定作用，需进一步考虑下游固床保护措施，并周全考虑过鱼和行洪影响以及可能发生的河床形态变化。

在今后电站的运行调度管理中，还应注意阻止人为破损天然河床的行为，且后期运行过程中仍应加大对枢纽及下游的相关水文、水力学和地形地质参数进行必要的观测。发生的不利变化应在每次汛后做相应的检测和防护措施，以保障电站的运行安全。