溪洛渡水電站水墊塘斷面型式研究

黃 慶，雷 軍，陳亞琴

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站洪水流量大，設計洪水洪峰流量43 700m3/s，校核洪水洪峰流量52 300m3/s,經上游梯級電站白鶴灘水電站調整蓄后為50 900m3/s, 總泄洪功率高達100 000MW，位居世界之首。電站攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高278.00m，樞紐泄洪采取“分散泄洪、分區消能”的布置原則，泄洪設施由壩身7個表孔、8個深孔和左右岸各2條泄洪洞組成，壩身最大泄量為32 278m3/s，約占總泄量的66%。壩身孔口采用“分層出流、空中碰撞”的布置形式，壩后設水墊塘和二道壩消能。水墊塘的消能效果直接關系到壩身能否下泄超過30 000m3/s的洪水，其安全穩定直接關系到大壩的安全穩定，因此在可行性研究階段結合“九五”攻關對壩身孔口體型和水墊塘的體型做了大量的科研工作，在技術上有很大的突破，滿足了溪洛渡工程泄洪消能的技術要求。推薦的水墊塘的體型為反拱型水墊塘。在深化設計階段對水墊塘斷面型式進行了更加深入全面的分析研究，以期找出更適合溪洛渡水電站的水墊塘斷面型式。

2 壩后消能區地形地質條件

壩后水墊塘段河道順直，枯水期370m時江面寬80～100m。兩岸410～420m高程以下為10°～30°的寬緩谷底的“U”形河谷，基巖多裸露。河床覆蓋層厚11～22m，基巖頂板高程335～345m，弱風化巖體厚度一般為10～22m。水墊塘底板地基上游段約40%為玄武巖3層上部含凝灰質角礫(集塊)熔巖，完整性較好，錯動帶和裂隙不發育，鉆孔巖芯多呈柱狀；下游段約60%為4層下部玄武巖，受層間和層內錯動帶影響，陡緩裂隙較發育，巖體完整性較差。水墊塘兩側地基及邊坡由4、5層和6層下部玄武巖組成，受淺表風化卸荷影響，破碎帶較寬，結構松弛，性狀較差。

3 水墊塘斷面型式的擬定

經拱壩壩身自由跌落的水舌，由于向心作用形成的沖刷坑最深點一般在河床中心，向四周逐漸增高，呈鍋底形，采用簡單的平底板復式梯形斷面或反拱型底板接復式梯形斷面來擬合自然沖坑形狀都是合適的。

3.1 平底板水墊塘斷面型式

根據壩身孔口水舌入水特性和水墊塘地形地質條件，擬定水墊塘為復式梯形斷面，底寬60.00m，底板頂高程340.00m，底板厚4m。水墊塘360.00m高程以下坡度為1∶1.2，邊墻厚4.0m；360.00～385.00m高程坡度為1∶1.0，邊墻厚3.0m；高程385.00m以上邊坡為1∶0.75，邊墻厚2.0m。 在360.00m和385.00m高程設置5.0m寬的馬道。水墊塘底邊墻與底板直線相交，易產生沖蝕破壞，因此在此交角處(迎水面)采用圓弧銜接，反弧半徑5.0m。

水墊塘設計水位(P=1%)為403.76m，校核水位(P=0.1%)為410.87m，考慮塘內消能水體的旋滾波高及安全超高，確定水墊塘頂高程為412.00～413.00m。在水墊塘頂設有1m高的導浪墻。在412.00m高程，水墊塘寬度為204.00m。在大壩校核洪水(P=0.01%)工況，二道壩下游水位為416.20m，水位高于水墊塘頂高程413.00m，考慮泄洪霧化暴雨沖刷，在水墊塘兩岸430.00m高程以下均以80cm厚混凝土襯護。

3.2 反拱型水墊塘斷面型式

反拱型水墊塘為反拱形底板接復式梯形斷面，反拱底板為圓弧形，半徑81.25m，圓心角為77.76°，弦長102m，底板弧頂高程336.00m，底板厚4m，在360.00m高程設有拱座。高程360.00m以上邊坡為1∶1.0，在高程385.00m處設有5m寬的馬道。在高程360.00m以上邊墻厚3m。考慮塘內消能水體的旋滾波高及安全超高，水墊塘頂混凝土襯砌高程為411.00m，在411.00m平臺設有1m高的導浪墻。在411.00m高程，水墊塘寬度為224m。

4 水墊塘斷面型式比較

水墊塘兩種斷面型式的比較見圖1。

圖1 反拱型底板水墊塘與平底板水墊塘比較

4.1 地形地質條件

溪洛渡壩址天然河道為“U”形，由于壩身泄洪入水寬度的要求，兩種型式水墊塘均能較好地擬合地形，雖有一定程度的開挖，但邊坡開挖對兩岸山坡及抗力體的影響都較小。由圖1可以看出，兩種體型的開挖斷面基本相同，只是平底板水墊塘在385.00m高程以上開挖邊坡略陡，開挖量減少。

4.2 水力條件

(1) 水墊塘的流態很大程度上取決于泄洪水舌的入水形態，而水舌的入水形態取決于壩身孔口的平面布置以及流道和出口體型，水墊塘的底板型式對塘內流態影響很小。

(2) 水墊塘底板最大沖擊壓力與水墊深度密切相關。平底板水墊塘與反拱底板水墊塘相比，平底板水墊塘在底板60m范圍內水墊較反拱底板略淺，最大水墊深相差4.0m，與水墊塘40～60m水墊深度相比，相差極小。兩種水墊塘其他部位的水墊深度相同。在高程385.00m馬道以上，為減少對大壩抗力體的開挖，平底板水墊塘邊坡坡度為1∶0.75，陡于反拱底板水墊塘的1∶1.0，在385.00m高程水墊塘的寬度為178.0m，大于水舌入水的最大寬度103.0m。兩種體型均可滿足水墊塘的消能作用。

(3) 針對相同的壩身孔口的布置，對兩種水墊塘斷面型式都進行了水工模型試驗。在校核洪水工況，反拱底板水墊塘型式在上游水位607.94m、下游水位414.19m時，表孔、深孔聯合泄洪下最大動水沖擊壓力為22.1×9.81kPa，位置在壩0+180.00樁號水墊塘中心線上；平底板水墊塘型式測得上游水位607.79m、下游水位414.42m時，表孔、深孔聯合泄洪下最大動水沖擊壓力為24.19×9.81kPa，位置在壩0+185.00樁號水墊塘中心線上。二者模型試驗結果比較接近。

還進行了兩種水墊塘型式的水工試驗比較分析。試驗時水墊塘分縫分塊12m×12m，不設止水。從單塊底板所受上舉力實測結果分析，在校核洪水工況，水庫水位602.34m、水墊塘內水位409.97m時，平底板單塊上舉力為29 008.17kN，反拱底板單塊上舉力為22 916.16kN，相差較小。

水工模型試驗還表明，兩種型式水墊塘塘內水體水力條件相似，水流在塘內消能和下游防沖均沒有本質區別。

4.3 結構穩定條件

平底板水墊塘抗浮穩定分析計算表明，所有工況都滿足抗浮穩定要求(見表1)。

表1 平底板水墊塘底板抗浮穩定計算成果

反拱底板抗浮穩定分析計算表明，所有工況都滿足抗浮穩定要求(見表2)。因檢修情況下，水墊塘內無水，對反拱底板來說，此時拱作用最明顯，安全性較高，因此未作計算。

表2 反拱板水墊塘底板穩定計算成果

兩種型式水墊塘底板下部均設有縱橫排水廊道和排水孔幕，在底板周邊設有排水暗溝，排水孔口高程以下設有集水井并有抽水設備保證抽排，且縱、橫縫設有可靠的止水設施，二道壩設有防滲帷幕及排水幕。排水廊道具有檢修條件，雖然局部止水可能失效，但抽排系統不會失效，因此可以保證塘底板滲透壓力很小，水墊塘底板穩定安全度較高。

反拱型底板的整體穩定性取決于拱座的穩定。由模型試驗知，動水壓力產生的上舉力通過反拱型底板傳到拱座的推力較小，拱座穩定滿足要求。

4.4 施工檢修條件

水墊塘表面鋪設抗沖磨性能較好的硅粉混凝土，并要求與底層混凝土緊密結合。硅粉混凝土容易裂縫，要求振搗密實，否則容易被水流沖壞。平底板水墊塘結構簡單，便于施工和檢修，混凝土澆筑質量容易控制，硅粉混凝土澆筑質量較易得到保證。反拱型底板水墊塘由于兩面澆筑模板是弧形的，施工工序復雜，施工難度較大，可能振搗不充分，難以保證施工質量，容易出現質量問題，而這恰恰是水墊塘質量保證的關鍵。

4.5 工程量比較

經比較，兩種型式水墊塘的工程量基本相同。

4.6 綜合比較分析

從地形地質條件、水流條件、工程量和結構穩定條件等方面比較，水墊塘的兩種斷面型式都是可行的，并且差異不大。但從施工檢修條件來講，平底板水墊塘結構簡單、便于施工和檢修，而反拱底板施工工序復雜，難以保證施工質量，因此平底板水墊塘相對更優。另外，反拱型底板水墊塘在國內外工程實例均較少。英古里拱壩消力塘是反拱型，但該工程的萬年一遇洪水泄量較小，僅為2 500m3/s，已運行過的泄量不足1 000m3/s。而平底板水墊塘應用較多，國內已有二灘等工程較成熟的設計、施工及運行管理經驗。溪洛渡工程泄洪規模巨大，其泄洪設施應采用技術成熟、安全可靠的結構型式，因此溪洛渡水墊塘的斷面型式推薦為平底板型式。

5 水工模型試驗成果

對溪渡渡最終的壩身孔口布置方案和平底板水墊塘斷面型式，做了比尺為1∶100的水工模型試驗，試驗表明平底板水墊塘斷面型式是合適的。主要試驗成果為：

(1)千年一遇洪水工況，表、深孔全開聯合泄洪時，壩身孔口水舌入水寬度為88.0m，萬年一遇洪水工況時為96.5m；7個表孔單獨泄洪時水舌入水寬度為81.00m，8深孔單獨泄洪時為79.00m，超過水墊塘底寬60.00m，但都沒有超過水墊塘360.00m高程寬度118.00m；雖有部分水舌落在1∶1.2的斜坡邊墻部位，但由于該部位的水深仍有約50m，實測邊墻未產生較大的沖擊壓力。

(2)大壩校核洪水工況(P=0.01%)，壩身泄洪流量為32 278m3/s，水墊塘底板最大動水沖擊壓力最大為14.78×9.8kPa。大壩設計工況(P=0.1%)，壩身泄洪流量為21 644m3/s，最大動水沖擊動壓為4.1×9.8kPa。7表孔單獨泄洪工況，由于表孔設置了分流齒坎，對跌落水流分散很好，因此其最大動水沖擊壓力較小，為7.78×9.8kPa。8深孔單獨泄洪工況，由于挑距遠、水舌入水角度小、水墊較深，挑流水舌未沖擊到水墊塘底板，最大動水沖擊壓力較小，為3.76×9.8kPa。所有工況下的最大動水沖擊壓力均小于15×9.8kPa，與二灘水電站的水平相當。

(3)萬年一遇工況下水墊塘底板最大流速為24.25m/s，千年一遇工況由于水舌沒有達到水墊塘的底部，臨底最大流速僅為9.75m/s。

6 結束語

通過從地形地質條件、水流條件、工程量、結構穩定條件和施工檢修條件等方面，對平底板水墊塘和反拱底板水墊塘進行了分析比較，結果表明水墊塘兩種斷面型式都是可行的，但從施工檢修條件來講，平底板水墊塘結構簡單，施工質量容易保證，因此平底板水墊塘相對更優。從國內外工程實例來看，平底板水墊塘應用較多，設計、施工及運行管理經驗成熟。因此，溪洛渡水墊塘最終采用平底板型式。通過水工模型試驗驗證，平底板水墊塘是合適的。