金沙水電站導流明渠設計及出口防沖措施研究

2018-05-09 09:12:54胡田清，趙穎，朱信波

四川水力發電 2018年2期

胡田清，趙穎，朱信波

(1.長江勘測規劃設計研究院，湖北武漢 430010；2.四川省能投攀枝花水電開發有限公司，四川攀枝花 617068； 3.長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢 430074)

1 概述

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距攀枝花中心城區10.3 km。正常蓄水位高程1 022 m，校核洪水位高程為1 025.3 m，相應靜庫容為1.08億m3，電站裝機容量為560 MW，最大壩高66 m，多年平均發電量為21.77億kW·h。金沙水電站的主要開發任務為發電，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件以及對觀音巖水電站的反調節作用等[1]。

金沙水電站壩址河谷開闊，呈不對稱“U”型，具備分期導流的條件。該工程導流共分三期，一期進行右岸導流明渠施工，水流從原河床下泄；二期主河床截流，進行二期河床基坑施工，水流從導流明渠下泄；三期明渠截流，進行三期明渠基坑施工，水流從河床表孔下泄。

金沙水電站洪水由上游融雪(冰)水與中游暴雨洪水共同形成，6～10月為汛期，壩址區20 a一遇洪水流量為11 400 m3/s。導流明渠上游段巖體主要為大蕎地T3dq1～T3dq2段及丙南組T3b5～T3b7段泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖，下游段巖體為正長巖。其中明渠進口段為含炭質粉砂質泥巖，并分布F22斷層及花石崖1#撓曲，撓曲擠壓變形強烈，巖體破碎，性狀較差，軟巖變形及快速崩解問題突出，邊坡地質條件相對較差。同時，導流明渠邊坡壩軸線附近上部分布有牛筋樹堆積體和花石崖2#撓曲，堆積體厚度一般為5～18 m，體積約72萬m3，需要清除。2#撓曲巖層傾向坡外，傾角30°～56°，為順向坡，穩定性差，需進行加固處理。

2 導流明渠的設計研究

2.1 導流規模及布置

金沙水電站導流明渠為4級建筑物，設計標準為全年5%頻率洪水，最大瞬時流量11 400 m3/s[2]。

根據實際地形地質條件，將導流明渠布置在河床右岸。由于兩岸山體高陡，為了充分節省工程投資，應最大限度地縮小明渠規模，但同時需滿足施工期上游水位不高于水庫移民搬遷水位的要求。受縱向圍堰位置限制，導流明渠的規模主要受其底寬控制，明渠底寬越小，工程量越小，工程投資越小。水力學計算成果表明：導流明渠底寬越小，上游水位越高，平均流速越大。經過綜合比選，導流明渠在底寬35 m、設計流量為11 400 m3/s工況下，上游水位高程達1 021.64 m，基本接近水庫正常蓄水位高程1 022 m。為滿足施工期上游水位不高于水庫移民搬遷水位的要求，選定導流明渠底寬為35 m，單寬流量為326 m3/s/m，最大平均流速為15.85 m3/s。

根據所確定的導流明渠規模，導流明渠布置情況如圖1所示。進口與主河床夾角約8°，出口與主河床夾角約27°，進口底高程為993 m，出口底高程為992 m，其中間為滿足大壩溢流表孔結構要求底高程為985～988 m，明渠整體底寬35 m，進、出口略有擴大，呈喇叭口型，導流明渠軸線總長約982 m。

圖1 導流明渠平面布置圖

2.2 導流明渠結構設計

明渠采用橫向平底結構，典型斷面如圖2所示。明渠左側為混凝土縱向圍堰，右側為巖石邊坡，開挖邊坡最大高度約130 m，邊坡支護最高達210 m(含牛筋樹堆積體及花石崖2#撓曲處理)。上游段邊坡巖體為泥質粉砂巖及細砂巖，開挖坡比為1∶0.3～1∶1，下游段邊坡巖體為正長巖，開挖坡比為1∶0.3。邊坡每20 m高設一級馬道。壩頂高程1 027 m以下邊坡及底板采用C20鋼筋混凝土襯砌，高程1 027 m以上的邊坡采用噴錨支護，邊坡及底板設系統錨桿，錨桿長4.5 m。針對泥質粉砂巖、含炭質粉砂質泥巖等軟巖段邊坡通過采用調整邊坡結構、設置預應力錨索、預應力錨桿、錨筋樁及貼坡混凝土等綜合處理措施進行加固處理。將導流明渠邊坡頂部牛筋樹堆積體全部挖除，清理后的坡面采用掛網噴混凝土加系統錨桿進行支護。在花石崖2#撓曲頂部設置被動防護網，清理撓曲坡面并采用掛網噴混凝土加系統錨桿和錨索的支護措施進行處理。

圖2 導流明渠結構典型斷面圖

2.3 導流明渠邊坡穩定性分析

根據導流明渠邊坡工程地質條件，分別選取上游進口段及壩軸線典型斷面進行邊坡穩定性分析。計算采用巖土有限差分法FLAC3D軟件分析巖體邊坡應力應變、邊坡變形及塑性區分布，并采用強度折減法分析各計算工況下邊坡潛在最危險滑移路徑和強度儲備安全系數[3，4]。同時，根據潛在滑移面采用Morgenstern-Price方法進行極限平衡分析。采用Flac3D建立的準三維數值分析模型如圖3、4所示，各巖體均采用以Mohr-Coulomb準則為屈服函數的理想彈塑性模型。邊坡表面自由，底面固定約束，其他各面均法向約束。經計算分析，各工況條件下邊坡穩定安全系數均能夠滿足要求(表1)。

a．邊坡模型網格

b. 邊坡潛在滑移路徑圖3 上游進口段典型斷面數值計算模型及結果圖

a．邊坡模型網格

b. 邊坡潛在滑移路徑圖4 右岸導流明渠壩軸線邊坡數值計算模型及結果圖

3 下游出口防沖措施研究

3.1 基本情況

導流明渠出口下游靠金沙江右岸分布一處冷軋廠堆積體，長520 m左右，橫向寬260 m左右，平面面積0.1 km2，其頂部布置眾多工業廠房。堆積體物質主要為雜填土及爐渣，厚度為30～55 m，體積約290萬m3。明渠出口下游河床覆蓋層深厚，表部為厚8 m左右的卵石層，以下為中細砂與粉土，抗沖能力較差。導流明渠過流期間，會對下游河床及堆積體前緣進行沖刷，危及堆積體穩定及頂部人員和廠房安全，需采取有效的防護措施。

表1 導流明渠典型斷面穩定安全系數表

3.2 模型試驗

為研究施工期冷軋廠堆積體防沖保護措施，進行了1∶80動床模型試驗。試驗結果表明：流量越大，明渠出口流速越大，設計流量為11 400 m3/s時，明渠出口最大垂線平均流速達12.18 m/s，出導流明渠后，各斷面主流流速沿程衰減，并在河床兩岸形成回流(圖5)。

圖5 動床模型試驗明渠出口及下游河床流速分布圖(Q=11 400 m3/s)

各級試驗工況下，明渠出口及下游河床均形成沖坑，沖坑形狀基本相似，主沖坑有兩處，分別位于河床中心處和左側山體坡腳處。各級流量下，沖坑深度隨流量的增大而增大，拋石的塌落范圍及程度也隨流量的增大而增大(表2)。由試驗結果可見：導流明渠出口下游防沖措施受大流量控制。

在設計流量11 400 m3/s條件下，兩處主沖坑深度分別達22.1 m、35.5 m。主沖坑左側主體為淤積，局部回流區域略有淘刷。主沖坑右側(冷軋廠側)導流明渠出口下游防護范圍內部分拋石落于沖坑中并形成穩定的護坡，未見坡腳裸露，高程1 004 m防護平臺沖刷后剩余寬度均大于8 m(圖6)。

表2 各級流量下游沖刷情況表

圖6 動床模型試驗明渠出口及下游河床沖刷情況圖(Q=11 400 m3/s)

3.3 防護方案

根據動床試驗成果，施工期對導流明渠出口冷軋廠堆積體采用合金網石兜[5，6]及格賓石籠平臺壓腳、上接鋼絲石籠護坡方案。堆積體上游段200 m范圍采用合金網石兜壓腳，壓腳平臺頂高程為1 004 m，平臺寬25 m。網石兜單個體積約4.5～5 m3，重7.5～8.5 t，分別由2～3個串聯在一起。堆積體下游段320 m范圍內采用格賓石籠壓腳，平臺頂寬8 m。壓腳平臺以上邊坡采用30 cm厚鋼絲石籠護坡。防護結構典型斷面見圖7。