某水電站泄洪沖沙閘海漫段毀損工程整治方案研究

葛 靜

(中電建水電開發集團有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

水電站在長期運行過程中，由于河道長期采沙，大壩運行管理、汛期洪水的沖刷、水力學因素等疊加作用，河道邊界條件、水流流態、河相關系等發生了較大變化，導致河床下切，電站海漫末端形成較大跌水(上下游水頭差較原設計增加)，消能不夠充分，運行工況變差。在這種情況下，隨著運行時間的延長，亦會逐步加劇海漫下游河床的淘刷，繼而危及海漫、消力池、甚至大壩的安全運行。

而水電站的安全生產關系到電力系統自身的穩定、效益和發展，而且影響廣大電力用戶的利益和安全，影響國民經濟的健康發展，社會穩定和人們的日常生產生活。因此為實現電站的正常運行，確保沿線行洪安全，必須對電站下游河道進行整治處理，結合某水電站工程在多年實際運行中的損毀情況和整治方案技術經濟比較研究，提出經濟可行、安全可靠的永久整治方案，為類似工程的整治設計工作提供重要參考依據。

2 項目概況及毀損原因分析

2.1 項目概況

某水電站工程由左岸非溢流面板壩、閘壩儲門槽段、泄洪沖沙閘、發電廠房、廠房儲門槽段、尾水渠、右岸接頭壩及庫區防洪堤等建筑物組成。電站裝機容量480 MW，額定水頭24.5 m，電站采用一級混合開發方式，即建壩壅水高15.5 m，與上游電站尾水相銜接，河床式廠房，廠后接長9 015 m的尾水渠，尾水渠利用落差14.5 m。電站發電水頭的一半左右需由尾水渠獲得。

電站自2009年投運，2020年初對海漫下游3 km范圍河床地形實地測量，發現水電站大壩下游河床高程總體下降6～7 m，在大壩樞紐區海漫下游約400 m范圍內，局部達到10 m(主要位于泄洪閘海漫末端，距海漫末端下游100 m)，形成沖坑，坑底高程405 m，與海漫高差達9.0～10.0 m，導致左岸五孔泄洪閘海漫末端防沖槽沉降，海漫基礎暴露，埋深嚴重不足，海漫與下游河道形成跌水，下游水位較原設計下降約3 m左右。此部位河床的大副降低以及下游水位的下降將嚴重威脅泄洪閘的海漫、消力池乃至大壩的安全運行。泄洪閘與沖沙閘之間的下游導墻下段，樁號0+228.78 m～0+247.78 m，基礎淘刷嚴重，導墻發生傾斜有進一步傾倒的危險。 海漫末毀損情況見圖1。

圖1 海漫末毀損情況

2.2 毀損原因分析

(1)下游河床采沙影響。電站在運行過程中，整個尾水渠河段，都不同程度存在主河床采沙現象，原設計要求在尾水渠左堤左側至少50 m范圍內不能采沙，但在實際采沙過程中，局部河段在50 m范圍內進行了采沙，并在采沙作業的影響下，整個河床砂卵石均比較松散，在汛期洪水淘刷的雙重影響下，河段河床整體有所下降。

(2) 閘壩運行管理。2020年以前，由于工程1號、2號沖沙閘閘室存在不均勻沉降現象，導致1號閘室閘門無法正常啟閉(原設計應為汛期優先開啟沖沙閘進行沖沙泄洪)[3]，汛期大多數時間開啟泄洪閘進行泄洪，單寬流量相對偏大，加上下游河床降低，下游水位較原設計低，導致海漫末端形成較大跌水(上下游水頭差較原設計增加)，消能不夠充分，其運行條件比原設計工況較差。

(3)汛期洪水影響。電站投運至今，年最大洪水入庫洪峰流量一般在5 000～7 000 m3/s，約為2～5年一遇洪水。盡管上游來水流量不算大，最大下泄流量7 250 m3/s，基本為5年一遇，但與前述的幾個因素疊加在一起后，加劇了下游河床的下切。

(4) 河勢穩定因素。根據水文專業計算分析，在該河段實際河床地形情況下(人為采沙后)，穩定河寬需達到333.48 m，在常遇洪水(P=50%)工況下，電站壩下游河道部分河段水面寬度小于穩定河寬。

(5)水力學因素。河段大量采沙后，導致河床坡降變陡，河道水流流速加大；采沙作業改變河床砂卵石原級配，松散且抗沖刷能力下降。另外，因海漫下游河道下切嚴重，改變了原有河床水位流量關系曲線，進而改變了閘壩滲流邊界條件，滲流坡降及滲流量增大。

3 整治方案設計研究

3.1 處理方案考慮因素

(1)消能防沖，保護海漫末端免受更嚴重的淘刷，通過消能同時使坎后流速和河床水流平順銜接，順利歸槽；避免下泄出流流速過大而造成對下游河床的沖刷下切。

(2)洪水期，坎后出流主流引導至河床中部，避免下泄水流對右岸尾水渠左堤和泄洪渠左岸防洪堤的沖刷。

(3)枯水期尾坎上下游水面能夠平順銜接，為大渡河魚類提供順暢通道(魚道設計的魚類突進流速為1.5 m/s，生態流量為17 m3/s)[1]。

3.2 整治方案選擇

根據現場實際情況，結合該公司要求在汛前實施完成，并滿足度汛要求，擬定如下四個方案進行綜合比較分析，整治方案比選見表1。

表1 整治方案比選

經過對比分析，方案四-簡易消力池方案施工難度小，在最小的改變河道實際條件的情況下用最簡潔的工程措施實現了相對最有效的行洪與消能，該方案直接投資較消力池方案少，但其可實施性更強，效果更好，還有利于在有限的時間內完成相應的工程措施，且對電站的長期穩定保障性更好。從整體來看，該方案更加的經濟可靠，技術可行，故作為最優方案采用。

3.3 整治方案設計

泄洪沖沙閘下游設兩道防沖墻，在電站原海漫末端(樁號：壩 0+248.38 m)設置第一道C25 鋼筋混凝土防沖墻(以下簡稱“1號防沖墻”)；在1號防沖墻下游約300 m 位置(樁號：壩0+550.00 m)設置第二道C25鋼筋混凝土防沖墻(以下簡稱“2號防沖墻”)。兩道防沖墻與天然河床一起成為一大型的“簡易消力池”。在該消力池內需進行河床的疏浚整理，將主流引導至河道中部。

1號防沖墻在海漫末端沿橫河向全段面布置，防沖墻墻頂高程413.50 m，墻底高程393.50 m，防沖墻厚1.2 m，高 20 m。在 6～10號泄洪閘對應的左半段防沖墻下游的412.5 m 高程位置設置一長度為12 m的消能防沖平臺。

2號防沖墻設置在海漫下游躍后100 m左右，即樁號：壩 0+550.00 m。該斷面為簡易消力池尾坎，要求其盡可能夠適應汛、枯期電站運行需要以及各個流量工況(生態流量17 m3/s ～消能防沖50年一遇 9 890 m3/s)，故其過水斷面為復式梯形設計。梯形斷面設計結合魚道進口水位、消能防沖需求及各時期水面線等數據，綜合擬定斷面如下：斷面中部凹槽為擬進魚道深槽防沖墻底部高程設置在408.0 m,橫斷面往左右兩側呈逐漸加高設置(坡度為 1∶2)。第一級兩側加高至412 m，向兩岸平段分別寬 40 m；第二級兩側加高至414 m，向左岸平段寬102 m， 向右岸平段寬 68 m；高程414 m平段過后，兩岸沿合適坡度與岸坡418 m 高程位置相連接。過流斷面主流在維護左岸河床且保護右岸尾水渠岸坡的基礎上盡量居中布置。

3.4 整治方案實施前后的數值計算

選擇該電站上游450 m附近，下至壩址下游3.0 km，橫向范圍為左右岸河道邊線為計算范圍，進口以水沙過程作為入口邊界條件，以水位流量關系曲線作為出口水位控制條件[2]。

3.4.1 數模控制方程

數學模型控制方程由水深平均下的淺水方程和泥沙輸運方程構成。泥沙輸運方程主要包括懸沙不平衡輸沙方程、河床變形方程。

式中η為水位；u為水流平均速度；h為水深；g為重力加速度；n為糙率；AH為水平渦黏系數；S為懸移質含沙量；ω為沉降速度；S*為懸移質挾沙力；α為恢復飽和系數；Zb為可動層厚度；ξ為孔隙率；qbx、qby為推移質輸沙率；ρ為泥沙密度。

3.4.2 計算結果分析

(1)現狀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，河道沿程流態對比：2號防沖墻下游約300 m范圍內，現狀河道水流的主流速帶一直在右岸，且維持著3 m/s以上的流速，尾水渠的堤腳有沖刷的危險。之后隨著河道深泓線左移，主流才逐漸擺動至左岸。整治方案建成后，2號防沖墻下游約300 m范圍內，河道的主流一直在中間，并隨著河道深泓線左移，逐漸擺動至左岸，有利于對尾水渠的堤腳沖刷的保護。

(2)通過現狀情況和整治方案建成后流場計算分析， 2號防沖墻下游約300 m范圍內，現狀河道水流的主流速帶一直在右岸，且維持著3 m/s以上的流速，尾水渠的堤腳有沖刷的危險。之后隨著河道深泓線左移，主流才逐漸擺動至左岸。

推薦方案建成后，2號防沖墻下游約300 m范圍內，河道的主流一直在中間，并隨著河道深泓線左移，逐漸擺動至左岸，有利于對尾水渠的堤腳沖刷的保護。

(3)現狀情況和整治方案實施后，在3 000 m3/s(庫水位431 m)和敞泄5 000 m3/s特征流量下計算水流特性對比見表2。

表2 特征流量下計算水流特性對比

由表2分析可知，典型斷面，現狀與整治方案計算結果相對相似，但整治方案的主流在河道中間，有利于對尾水渠的堤腳沖刷的保護。

4 整治方案實施效果

該次海漫毀損工程實施以后，泄洪沖沙閘海漫下游防沖墻在保護上游建筑物免受進一步淘刷的同時，可進一步消殺上游水能，保護下游河床；目前該工程已于2021年汛前順利完工，并投入工程運行，經過2021年汛期驗證，電站大壩面板及海漫汛期安全風險均得到釋放，能夠滿足電站的安全穩定運行需要，驗證了該處理方案的有效性。

5 結 語

水電站在長期運行過程中，外部環境發生重大改變，下游河道下切嚴重，導致泄洪沖沙閘上、下游水位差加大，水流不能平順銜接，在海漫末端形成跌水，消能不夠充分，其運行條件比原設計工況較差，可能進一步造成嚴重的沖刷破壞，甚至關系壩體安危。

因此選擇有效的永久治理方案是亟需解決的問題，該研究通過整治方案比選和數值計算均有效驗證了兩道防沖墻的簡易“消力池”整治方案能夠達到了預期目標，保護海漫、消力池、以及電站的安全度汛和穩定運行，滿足電站的安全防護要求。通過整治處理后的電站已經通過經過2021年汛期驗證，證實了該方案的有效性。可以為類似工程問題的處理提供借鑒經驗。

為了整個泄洪渠河床的長期水位流量關系的保持起一定的穩定作用，需進一步考慮下游固床保護措施，并周全考慮過魚和行洪影響以及可能發生的河床形態變化。

在今后電站的運行調度管理中，還應注意阻止人為破損天然河床的行為，且后期運行過程中仍應加大對樞紐及下游的相關水文、水力學和地形地質參數進行必要的觀測。發生的不利變化應在每次汛后做相應的檢測和防護措施，以保障電站的運行安全。