瀑布溝水電站泄洪洞出口岸坡防護

張 婭 琴

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

瀑布溝水電站水庫正常蓄水位850m，汛期運行限制水位841m，死水位790m，設計水頭186m，總庫容53.37億m3，調節庫容38.94億m3，為不完全年調節水庫。樞紐總布置為：河床中建礫石土心墻堆石壩，引水發電建筑物、一條岸邊開敞式溢洪道、一條深孔無壓泄洪洞均布置于左岸，右岸設置一條放空洞。

泄洪建筑物按重現期500年洪水設計、最大可能洪水校核。下游河道及霧化邊坡防護按100年一遇洪水設計。相應入庫洪水流量為8 230m3/s，控泄出庫流量為7 900m3/s(疊加尼日河來流量10 750m3/s)。

為減輕泄洪洞泄洪對右岸成昆鐵路和尼日車站的霧化影響，當來水量為100年一遇洪水和水庫水位為850.00m時，泄洪洞按2 000m3/s流量控泄，溢洪道控泄4 500m3/s，通常情況下，為保證壩腳安全，泄洪建筑物運行應優先使用泄洪洞。

2 泄洪洞及下游沖刷區基本情況

泄洪洞布置于左岸，總長2 024.82m，為無壓洞，出口采用挑流消能。泄洪洞進口底板高程795m，洞身段底坡i=0.058，出口挑坎起挑高程為677.89m，最大泄量3 418m3/s，挑坎上的最大單寬流量164.5m3/s·m，最大泄洪水頭183m，洞身最大流速約40m/s，鼻坎頂的最大流速為33.86m/s。

泄洪洞出口位于瀑布溝溝口上游，距上游溢洪道出口約2km，出口挑坎形式為扭曲斜切鼻坎。泄洪洞不同工況下出口挑距及水墊深度計算值見表1：

表1 泄洪洞出口挑射水流挑距及水墊深度成果

泄洪洞出口沖刷區河段，水面寬120～140m，水深6～12m，河床覆蓋層厚45～63m；左右岸谷坡均為流紋斑巖，具有良好的抗沖蝕能力，自然邊坡穩定性好，但河床漂卵石層及漂塊卵石層抗沖能力較弱。

泄洪洞挑流鼻坎地基巖性為流紋斑巖，地基承載力和抗變形能力經灌漿處理后滿足設計要求；護坦地基為沖積漂卵石層，結構松散，抗沖能力低，須采取防沖措施，防止溯源沖刷危及護坦。泄洪洞出口下游的大渡河兩岸低線公路以下河岸覆蓋層由表及里主要為人工堆積、崩坡積及河床沖積層。左岸覆蓋層分布于古崩塌體至尾水出口、泄洪洞出口一帶，其余區段主要為基巖。

3 出口水流沖刷情況和霧化成果

泄洪洞單體水工模型試驗表明：下游河道中水流受挑射水流的影響，兩側均形成一定的回流。設計洪水時，左側岸邊水流回流流速為6.91m/s，右側回流流速為5.13m/s。下泄Q=3 029m3/s流量時(下游河道流態參見圖1)，河床最大沖坑深度31.9m，受回流淘刷，左岸河道覆蓋層坍塌，巖體裸露，淘刷范圍約40m。右岸較大范圍內波浪較大，形成較大爬高，間隙性波浪最大爬高在設計及常年洪水情況下分別為5.3m和4.0m；左岸波浪高于右岸1～2m。

試驗表明：水舌落于河床后在河道兩側產生的回流對兩岸覆蓋層淘刷較為嚴重，以及挑流水舌進入河道后產生的主流對左岸有一定的沖刷作用，需結合巖基地質條件對該段河流的兩岸采取保護措施。

根據泄洪洞霧化數模計算成果：控泄流量Q=2 000m3/s時，雨強大于20mm/h的縱向長度661m，雨強分布參見圖1。

圖1 下游河道流態及雨強等值線分布

4 出口河段沖刷防護范圍的研究思路

瀑布溝水電站泄洪流量大、泄洪水頭高，泄洪霧化嚴重，挑流消能區淘刷脈動破壞嚴重，左岸有電站尾水出口、開關站等建筑物，右岸在740m高程(路基高程，高于河水面約60m)有成昆鐵路和尼日車站，在690m高程(高于河水面約10m)有至甘洛縣的永久改線公路通過。鑒于省道和成昆鐵路的重要性和防護治理復雜，必須對兩岸河道岸坡及公路的防護范圍和防護措施進行詳細研究，確保泄洪運行不危及成昆鐵路和兩岸公路及岸坡安全。

以往對下游河道兩岸山體穩定的泄洪建筑物，其護岸工程防護設計思路一般是先沖刷一個汛期，再根據實際沖刷情況進行防護；或者，首先根據模型試驗沖刷區范圍初步確定防護范圍，后期根據破壞情況再修復。瀑布溝泄洪洞出口對岸岸坡是成昆鐵路的壓腳基礎，不能在泄洪時出現破壞，防護范圍要足夠，防護措施要得當。泄洪洞出口本岸岸坡一旦出現破壞不會立即危及挑流鼻坎和上部開關站建筑物安全。

出口下游河道岸坡破壞分為小流量砸護坦區、水舌落水淘刷區、淘刷區外強涌波區及泄洪霧化強雨霧區，確定出上述四個區域范圍后，即可確定防護范圍。根據泄洪洞出口沖刷模型試驗成果確定淘刷區，根據現場地形條件和沖刷模型試驗成果確定強涌波區，根據霧化數模計算成果確定霧化強雨霧區。

4.1 防護范圍確定

兩岸低線公路及岸坡處于泄洪沖刷雨霧區，根據該區域可能產生泥石流的雨強和類比工程實踐，確定對雨強大于20mm/h、模型試驗沖刷區及強涌波區兩岸范圍及低線公路進行防護，以防止泄洪時回流及強濺水對河道岸坡和公路的淘刷、脈動破壞。具體范圍：尾水出口至瀑布溝大橋順河向長865m。

4.2 防護高程確定

(1)右岸公路路面上下游分別按尼日河大橋、瀑布溝大橋橋面高程控制，在滿足100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高的條件下，對公路坡度作相應調整；

(2)左岸防護高程按100年一遇洪水河床水面高程+涌浪高度+安全超高控制；

(3)充分考慮尼日河出現100年一遇洪水對河岸防護的影響；

因此，右岸防護高程為684.21～690.00m，左岸防護高程為685.21m。考慮常年枯水期水位為668m，貼坡基礎高程確定為668.00m。

5 出口河道岸坡防沖護措施

5.1 出口對岸岸坡防護區的防護設計

泄洪洞出口河道對岸(大渡河右岸)低線公路及岸坡處于沖刷及霧化強降雨范圍，此地層表面為覆蓋層和人工堆積，下層為階地沖積物，均不能承受強降雨和淘刷作用。泄洪洞出口對岸消能區重點保護段為泄洪霧化強降雨區和水位變幅巨大波浪淘刷強烈區域，承擔690.00m高程以上霧化區邊坡固腳的作用，同時也是通往甘洛縣的省道，該段河道整治工程設計原則：將公路路基以下覆蓋層挖除后回填混凝土，達到既保護巖面、防止沖刷，又可形成公路路基，外側采用C30貼坡混凝土面板，厚1.0m，公路路面厚0.3m，采用C30混凝土。對于泄洪洞消能區以外與上下游之間銜接段，泄洪霧化降雨強度和水位變幅波浪淘刷相對較弱，保留該段原路面混凝土結構，對原路面損壞部位進行修復, 清除岸坡覆蓋層，采用C25貼坡混凝土面板，厚0.8m。對岸坡貼坡混凝土進行系統錨筋支護和設置系統排水孔，系統錨筋參數：φ25、L=4.5m、間排距2.0m。排水孔參數：在高程680.00m和683.00m各設置一排排水孔，排水孔孔徑φ100、入巖3.0m、仰角5°、水平間距3.0m，交錯布置，并用PVC管φ100引出至貼坡混凝土板外。貼坡面板坐落在貼坡基礎上，基礎尺寸2m×2m(寬×高)，在基礎外拋投塊石壓腳防沖保護，壓腳高程673m。參見圖2。

圖2 泄洪洞出口對岸巖質岸坡防護斷面

5.2 出口本岸岸坡防護區的防護設計

為方便泄洪洞枯期檢修，結合左岸河道岸坡治理，增設下游廠房交通洞口至泄洪洞出口的檢修道路，為減輕對岸740.00m高程成昆鐵路和尼日車站霧化影響，設計的泄洪洞出口水流在中小流量時水舌偏本岸并有砸本岸現象，因此，在泄洪洞護坦下游消能區預挖沖坑形成挑流水墊，以減輕對本岸淘刷。檢修道路路基及河床岸坡順河向總長約494m，路基寬4m，路面采用C30混凝土，厚30cm。

公路路基以上邊坡清除覆蓋層至基巖，并采用掛網噴混凝土和錨桿支護，同時布置排水孔。

對水流回流沖刷較強區域，路基采用C20混凝土澆筑，基礎坐落在基巖上，拋塊石護腳，巖質岸坡坡面布置錨筋，公路外側岸坡采用C30貼坡混凝土面板，厚1.0m進行封閉，岸坡布置排水孔，錨筋和排水孔具體參數同對岸巖質邊坡防護。水流回流沖刷較弱的交通洞口區域，為滿足景觀布置需要，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貼坡混凝土面板，沿岸坡布置排水孔，坡腳坐落在緊密的砂卵石層上，拋投塊石壓腳，防止水流直接沖刷，壓腳高程670m。參見圖3。

圖3 泄洪洞出口本岸覆蓋層岸坡防護斷面

5.3 出口護坦修復設計

由于瀑布溝承擔向下游泄放327m3/s流量的供水任務，2010年汛期瀑布溝電力系統出現故障，由泄洪洞局部開啟小流量放水，時間較長。泄洪洞出口護坦臨河側部分基礎是覆蓋層，部分覆蓋層出現掏空破壞現象，為防止小流量沖刷護坦危及挑坎基礎，對護坦底部覆蓋層和基巖進行固結灌漿處理，基巖基礎固結灌漿參數：孔徑φ50、孔深8m、排距2m；覆蓋層基礎固結灌漿參數：孔徑φ50、孔深12m、排距2m。對局部掏空部位進行水下C25混凝土回填，并對護坦末端拋填大塊石。

6 運行情況

通過對泄洪洞出口消能區河道岸坡防護，使原河道兩岸岸坡抗沖刷能力大大加強，目前已經受住2010年汛期控制水庫蓄水期庫水位上升速度泄洪和2011、2012年汛期泄洪的考驗。

泄洪洞出口左岸消能區2010年汛期受庫水位上升速度的限制和向下游供水的要求，泄洪洞長期處于小流量運行，水流砸本岸情況嚴重，護坦部分基礎被掏空，經修復處理后，經受住2011、2012年汛期泄洪考驗，目前結構完好。

泄洪洞2010年運行時間長達1 940h，相當于幾個汛期泄洪時間，2011、2012年又歷經整個汛期運行考驗，期間最大泄量達2 550m3/s，最小泄量為200m3/s，泄洪洞出口消能區河道岸坡防護經受雨霧、水流淘刷和涌波考驗，護坦結構完好無損。

7 結 論

根據泄洪洞出口對岸成昆鐵路霧化防護重要性，確定霧化及防沖標準和研究防護范圍的方法是合理的。依據該工程水工模型試驗、霧化數模計算、地形條件和工程類比確定的防護范圍和高程是合適的。對泄洪洞消能區兩岸河道邊坡重點部位采取將公路路基及以下覆蓋層挖除后回填混凝土，岸坡采取貼坡混凝土加錨筋與巖面緊密結合和系統排水等綜合措施是可行的。

瀑布溝水電站擋水建筑物為當地材料壩，壩體本身不具備泄洪能力，其泄洪建筑物均布置于岸邊，根據各泄洪建筑物的功能不同分別設置在不同高程，但對小流量泄洪時，會出現挑射水流未達到起挑流量而導致嚴重砸本岸現象，且歷時較長，須對泄洪建筑物的本岸進行工程防護，以便宣泄小流量時得到保護。

目前防沖護岸設計暫無規程規范可依，值得借鑒已成功的工程實例較少，瀑布溝水電站泄洪洞出口消能區河道護岸的設計經驗值得其它類似工程借鑒和參考。