曲引朗沟渣场防洪方案研究

王 迎

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 概 述

拉哇水电站位于金沙江上游，枢纽主要由混凝土面板堆石坝、右岸2条溢洪洞、右岸1条泄洪放空洞、右岸输水发电系统等建筑物组成，电站装机容量2 000 MW。水库正常蓄水位2 702 m，死水位2 672 m，为不完全年调节电站。面板堆石坝坝顶高程2 709 m，最大坝高239 m。

工程土石方开挖量高达2 216.36万m3，开挖弃渣量巨大。工程区可以利用的渣场主要包括坝址下游右岸曲引朗冲沟及坝址上游左岸必英沟。由于必英沟运距远、场内道路布置高程较高，因此，仅负责容纳必英沟区料场开采料转存及弃渣堆存，坝址区开挖料的堆存及弃渣均需要运往曲引朗沟，曲引朗沟规划高峰期堆存量达2 800万m3，且包括坝基开挖堰塞湖沉积黏土料300多万m3，渣场防洪问题较为突出。

2 曲引朗冲沟状况

2.1 地形地质状况

曲引朗冲沟位于电站坝轴线下游约4 km的右岸，沟口高程约为2 530 m，后缘高程约4 926 m，冲沟总体走向近EW向，长度约20.8 km。

冲沟在沟底高程约2 860 m以上，沟谷狭窄、切割深，两岸地形齐整，多为基岩裸露，植被较发育。

冲沟在高程约2 860 m以下，沟谷切割深，谷底较开阔，沟谷与山脊的平均高差约800 m，两岸地形坡度为30°～60°，沟底平均坡降约13%，靠近沟口500 m范围内，坡降约5%。冲沟右岸基岩裸露，坡脚处有3处小型崩塌堆积体，厚度约5～25 m，由块石和碎石组成。左岸为Ⅺ号崩塌堆积体，分布高程约为2 800～3 200 m，在高程3 100 m一带形成台地。堆积物为粉质粘土、碎石土夹碎块石、少量巨石，堆积体厚度5～80 m、体积约800万m3。自然状况下，该滑坡堆积体处于较稳定状态。冲沟两岸出露元古界雄松群(Ptxn)片麻岩组地层，岩性为云母石英片岩和绿泥角闪片岩，岩层产状为N20°～50°W和SW∠35°～50°。

根据现场调查分析，曲引朗沟为低频率泥石流沟，高程2 860 m以上为清水区段，难以形成影响到冲沟下段的泥石流；高程2 860 m以下沟段为曲引朗沟可能发生泥石流的主要固体物质来源。

2.2 冲沟水文状况

曲引朗沟为常年流水沟，流域面积86.09 km2，沟口多年平均流量1.09 m3/s。冲沟设计洪水及多年平均流量成果见表1。

表1 冲沟设计洪水及多年平均流量成果表 /m3·s-1

2.3 冲沟综合利用状况

根据对冲沟地形条件分析，沟底高程2 860 m以上沟道狭窄，植被发育，不适合作为堆渣区。沟底高程2 860 m，至沟口长度约2.5 km，谷底开阔，根据总布置规划，全部加以利用。筹建期规划有：弃渣场、可利用料中转料场、筹建期右岸工程砂石加工系统；主体工程施工期规划有：表土场、弃渣及中转料场、沟口砂石系统等。规划渣顶高程2 840 m，最大高度280 m，规划容量约2 800万m3。

3 防洪标准比较分析

3.1 渣场等级

在可行性研究设计阶段，尚无专门的渣场设计相关规范。可以参考的规范主要包括GB 51018-2014《水土保持设计规范》、DL/5419-2009《水电建设项目水土保持方案技术规范》和SL 575-2012《水利水电工程水土保持方案技术规范》等水土保持专业相关规范。从各规范规定分析，立足点均有不同。而水利水电行业与国标渣场总体分级是相同的，渣场均分为5级，但能源行业对渣场分级提出的要求较高，比如弃渣量大于300万m3，或堆渣高度高于100 m即为1级，水利规范及国标1级弃渣场规模在1 000～2 000万m3之间，堆渣高度高于150 m，差别较大。按照各规范规定，可研报告[1]中曲引朗沟弃渣场总弃渣量超过1 000万m3，渣场等级确定为1级。

工程招标阶段，能源部2018年新颁布NB/T 35111-2018《水电工程渣场设计规范》[2]，该规范沿用DL/5419-2009标准的分级基本原则，渣场划分为5级，经过复核，曲引朗沟弃渣场等级为特大型(Ⅰ级)。

3.2 防洪标准

3.2.1 排洪工程设计标准

关于弃渣场排洪设计标准，相关规范规定如下：

(1)DL/T 5397-2007《水电工程施工组织设计规范》[3]规定，工程永久性弃渣场应根据渣场的位置、规模、地形条件、周围环境以及失事后的危害程度等，其防洪标准在20～50 a重现期内选用；

(2)GB 51018-2014《水土保持设计规范》[4]规定，弃渣场排洪工程级别与弃渣场级别相同，也对应分为5级，1级渣场防洪设计标准为100 a重现期，相应的洪峰流量为80.1 m3/s。

曲引朗沟弃渣场等级为特大型(Ⅰ级)，排洪建筑物按1级设计，防洪标准综合各规范规定，选用100 a重现期设计。根据NB/T 35111-2018《水电工程渣场设计规范》的规定进行复核，对于Ⅰ级渣场，规范规定挡水坝及排洪建筑物级别为Ⅲ级，但洪水重现期仍是100 a。

选用不同规范作为设计依据，建筑物等级不同，虽然对防洪标准基本无差别，但对于建筑物本身结构设计是有一定区别的。

3.2.2 消能防冲设计标准

相关规范对渣场排洪工程的出口建筑物消能防冲设计标准，均未作明确规定。从设计标准的本意去理解，防洪设计标准偏重于泄流能力的保证性用以确保堆渣坝的安全性，消能标准应偏重于在设计流量下确保出口消能设施结构不被破坏，减少维护成本。因此，在曲引朗渣场防洪工程设计中，参考DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》规定，山区、丘陵区水电枢纽工程消能防冲建筑物的洪水设计标准，可低于相应泄水建筑物的洪水设计标准，故本工程选用30 a一遇洪水标准作为消能防冲设计标准，相应的洪峰流量为64.3 m3/s。

3.2.3 施工期防洪标准

一般规模较大的渣场，弃渣运行时间较长，在永久泄水建筑物投运前的施工期防洪标准也需要重点研究。

依据GB 51018-2014规定，弃渣场临时性拦挡工程防洪标准取3～5 a一遇；当弃渣场级别为Ⅲ级以上时，可提高到10 a一遇防洪标准。本工程选用10 a一遇洪水标准作为排洪工程施工期渣场的临时防洪设计标准，相应的洪峰流量为50.2 m3/s。

3.2.4 渣体截排水设计标准

对于沟道型弃渣场，沟道内洪水一般采用排水涵洞或排水隧洞，将其引走。渣场集雨面积内降雨形成的径流，一般采取截水沟、排水盲沟等形式排泄。依据NB/T 35111-2018节规定，渣场截排水应考虑渣体外截排水、渣体排水，渣体排水标准与渣体外截排水标准应一致。

4 永久排洪工程设计

4.1 排洪方式

曲引朗沟洪水流量大，冲沟场地的防洪问题比较突出，上游的洪水应由专设的溢洪道或排洪设施排至下游。由于冲沟场地比较分散、且渣场场地一旦产生不均匀沉积导致错台，设置表面溢洪道结构容易破坏，排洪效果可靠性差。通过渣场总体规划及防洪措施研究，曲引朗冲沟均采用挡水坝挡水和隧洞排水的排洪方式。为降低隧洞堵塞风险并便于检修，隧洞设置为明流洞。

4.2 挡水坝设计

曲引朗沟挡水坝为永久挡水建筑物，土石结构型式，挡水标准采用100 a一遇洪水，相应流量为80.10 m3/s，对应的坝前挡水水位为2 862.04 m。挡水坝坝顶高程为2 864 m，坝顶轴线长81.1 m，坝顶宽12.0 m，最大坝高13 m，迎水面、背水面坡比均为1∶2.5，挡水坝上游及库盆采用格宾石笼防护，厚度0.5 m，顶部高程2 856 m，低于排水洞进口底板高程1 m。

挡水坝坝体及坝基覆盖层采用混凝土防渗墙防渗，坝基覆盖层最大深度66.7 m，墙厚0.6 m。

4.3 排水洞设计

4.3.1 排水洞布置

曲引朗沟可利用沟段右岸基岩裸露，山体雄厚，排水洞可布置在右岸。沟口下游金沙江右岸，规划有临时砂混系统，场地高程2 535 m。从地形条件分析，排水洞进口底板高程选择为2 855 m。

排水洞从冲沟引水排至金沙江，进出口高差近320 m，排水洞轴线总长大于2 km，隧洞长，纵坡大。为了解决排水洞泄流及消能问题，拟定了缓坡隧洞+出口急流槽方案、上缓坡段+竖井+下缓坡段方案和一坡到底陡坡洞方案。

缓坡隧洞+出口急流槽方案，主要问题是急流槽施工难度较大。

对于上缓坡段+竖井段+下缓坡段方案，经数值模拟分析表明，竖井内水流不对称，且沿壁面水流厚度不一，竖井内水气掺混剧烈；至竖井末端，水流主要集中于竖井靠上游一侧，能量较为集中，不利于消力井消能；竖井末端最大水流流速达到60 m/s量级，水流能量极高，水流出下缓坡段流速仍达30 m/s以上，仍有较高余能；在竖井消力井段，紊动能较小、紊动能耗散率低，说明该方案消力井的消能效果较为有限，故将该方案予以否定。

陡坡洞方案，主要难度在于水力计算缺乏成熟经验，同时，洞内流速大，洞内消能问题也较为突出。

经过数值分析、水工模型试验[5]，曲引朗沟渣场排水洞确定为缓坡隧洞+出口急流槽方案。

排水工程布置见图1。图中出口排水岔洞为施工取水用建筑物。

4.3.2 排水洞结构

排水洞布置在冲沟右岸，从上至下主要由明渠段、进口段、洞身段、出口段、急流槽等组成。其中，洞身段进、出口高程分别为2 857 m、2 847 m，全长2 078.505 m，过流断面为城门洞型，尺寸5 m×6 m(宽×高)，顶拱中心角120°。出口明渠段，底板高程2 847 m，长4.5 m。

4.3.3 急流槽及消力池结构

排水洞出口衔接安排急流槽。急流槽始端和末端高程分别为2 847 m、2 536 m，轴线水平投影总长度319.888 m，根据山坡地形，从上至下分3级坡比：Ⅰ级纵坡坡比1∶1.5、Ⅱ级纵坡坡比1∶0.9、Ⅲ级纵坡坡比1∶1.05。渠深3.5～2.5 m，过流面采用C30钢筋混凝土衬砌，底板衬砌为台阶型式，台阶高度1.2 m，最小衬砌厚度0.5 m。

图1 排水工程布置图

急流槽下部接跌水池消能，跌水池长11 m，底部高程2 526 m。跌水池后接排水箱涵，箱涵长10 m，由2个尺寸为3 m×3 m断面组成。箱涵出口为金沙江干流。

通过模型试验验证，在宣泄1%频率下洪水时，洞内为明流流态，最小断面富余21.5%，洞内最大流速4.93 m/s，由于台阶单宽流量小，台阶较陡，台阶上能形成均匀流，且水流大量掺气，在急流槽出口处实测流速为19 m/s，消能率在93.5%～95.5%，台阶消能率较大，消能效果较好。

5 陡坡隧洞水力计算

排水洞布置方案主要比较了陡坡隧洞及缓坡隧洞两种方案。陡坡隧洞可不设置急流槽，出口高程降低至2 550 m。

对于缓坡隧洞，水力学理论计算已比较成熟，成果比较可靠。

对于长陡坡隧洞，一般情况下设计应尽量避免出现时而无压、时而有压并伴有不稳定气囊周期性出现的明满流交替水流现象，这种不稳定流态，将使洞内水流的动水压力、流速和流量等水力因素均发生周期性变化，从而对隧洞结构的受力状态、泄流能力、出口消能效果以及下游河道防冲等都产生一系列不利的影响。根据《水力计算手册》[6]的建议，为避免不稳定流态的出现，采用短洞或长洞加高洞高和进口做成锐缘形式的方法。本工程方案比较阶段采用进口有压短洞、洞内无压陡坡隧洞型式。

隧洞过流时，洞内水流流态主要有无压流、半有压流、明满交替流、压力流等不同流态。通过水力分析，当上游水位在无压流区间范围内时，各种洞宽的洞内正常水深均低于洞高，洞内呈无压流状态。对于洞内明流、进口有压的流态，上下游总水头差如何选择无参考依据，且洞内流态转换时的界限难以判断。针对陡坡隧洞泄流能力计算存在的问题，在无模型试验或者数值模拟的情况下，通过研究提出了一种相对较为稳妥的计算方法——“泄流能力下限包络法”，分3种流态进行陡坡隧洞泄流能力计算：

图2 洞径3 m×5 m、纵坡5%泄流能力对比图

图3 洞径5 m×6 m、纵坡10%泄流能力对比图

洞内有压的泄流能力是比较符合规律的，Qj的取值受陡坡坡比影响大，考虑Qj数值仅影响某个小范围区间的泄流能力，对挡水建筑和泄水建筑物的规模影响相对较小，因此，可以认为采用“泄流能力下限包络法”计算陡坡隧洞泄流能力是适用的。

6 渣场施工期临时排水设计

临时排水措施包括渣场顶部周边山坡预先修建截水沟、渣场底部设置盲沟、堆渣体内部设置集水竖井等。电站筹建期部分工程的开挖弃渣和可利用料转存需利用曲引朗沟口作为转渣场，其中弃渣场顶部高程2 550 m，高程2 550～2 590 m之间为转料区。因此，在排水洞运行前，须对沟水进行临时排水处理。考虑临时使用时间为1.5 a，使用时间较短，临时排水设计标准采用10 a一遇，流量为50.02 m3/s。枯水期，沟内排水采用钢筋混凝土圆管涵，圆管涵进口设置一字墙挡水，渣体表面渗水由盲沟排出；汛期，由表面明渠排水和圆管涵联合排水。

6.1 排水盲沟

排水盲沟高2 m，宽3 m，两侧坡坡比均为1∶2，盲沟由粒径为15～60 cm块石填筑，面层手摆厚25 cm的块石。

6.2 排水圆管涵

一字挡墙为C20混凝土重力式结构，顶部高程2 566 m，顶部轴线长28.716 m，最大高度5 m，上游侧坡直立墙，下游侧坡1∶0.45，在挡墙高程2 564 m处中部设溢流缺口，缺口宽8 m。排水管涵布置在渣场底部，为C20钢筋混凝土预制承插管，管涵长437.793 m，内径1.5 m，进口高程2 562 m，出口高程2 524 m，最大纵坡27.56%，平均纵坡8.7%，管壁厚0.15 m，管涵外侧中心线以下10 cm范围内回填细砂，中心线以上10 cm范围内回填细渣，管涵两侧夯实区要求回填透水性良好的石渣，分层碾压密实，压实度不宜低于96%。

6.3 排水明渠

排水明渠沿转料场坡脚线布置，因转料区间是一个动态过程，明渠随转料挖填过程调整，底宽须不小于4 m，排水明渠进口接一字挡墙缺口，水流随缺口流入明渠，排进金沙江。明渠两侧及底板采用格宾石笼防护，格宾石笼表面喷厚15 cm的C20喷混凝土。

7 结 语

渣场防洪是渣场施工期和运行期安全运行的关键。曲引朗沟具有流量大、沟道长、坡降大、堆渣高度大的特点，设计洪水流量80.1 m3/s，综合利用沟道长2.5 km，沟道底坡坡降超12%，渣场堆渣高度280 m。渣场堆渣量巨大，防洪问题比较突出。不同的规范对渣场截排水措施的设计标准规定不一致，而且差别较大，针对水电工程弃渣场，采用NB/T35111-2018规范执行，对工程较为有利。

曲引朗沟渣场排水方案根据渣场总体布置方案，以排水隧洞出口水流与下游水流的衔接状态、工程投资、施工难度等为主要分析因素，推荐采用挡水坝挡水、右岸隧洞排水，临时排水方式为表面明渠排水和圆管涵联合排水等综合排洪设计方案。

通过对工程的深入研究，针对陡坡隧洞半有压流流态水力计算问题，提出了“泄流能力下限包络线”计算方法，即按有压短洞和全洞有压取泄流能力低值包络线，对工程而言较为稳妥，对于河道坡降较大的抽水蓄能电站导流洞及水电工程渣场排水洞等类似工程，具有一定的借鉴意义。