錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化及防護措施研究

張旻

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化及防護措施研究

張旻

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

錦屏一級水電站泄洪洞具有“高水頭、高流速、大泄量”的特點，采用不對稱“燕尾”挑坎挑流消能，出口及下游河谷較窄，泄洪霧化嚴重。本文研究了泄洪洞泄洪霧化的成因及影響，根據物理模型預報泄洪水舌與泄洪霧化雨強分布，對錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化影響進行了綜合分析，并據此采取防護措施。

泄洪洞；泄洪霧化；降雨強度；分區；防護措施；錦屏一級水電站

0 前 言

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣、木里縣交界的雅礱江干流，水庫正常蓄水位1 880.00 m，死水位1 800.00 m。電站裝機容量3 600 MW，單機容量600 MW，為一等大（1）型工程。樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、右岸泄洪洞、右岸岸塔式進水口、引水系統、地下廠房等組成。大壩壩頂高程1 885.00 m，最大壩高305.00 m，發電廠房采用地下廠房布置，安裝6臺600 MW水輪發電機組。

錦屏一級水電站右岸布置了一條泄洪洞，泄洪洞采用有壓隧洞轉彎后接無壓隧洞、洞內“龍落尾”的布置型式，出口采用不對稱“燕尾”挑坎挑流消能，泄洪洞泄流能力3 254／3 311 m3／s（設計／校核），泄洪洞龍落尾反弧段末端流速達50 m／s。因此，在錦屏一級水電站設計中應高度重視泄洪洞泄洪霧化的影響，研究霧化引起的各種危害及工程防護措施。

1 泄洪洞泄洪霧化的成因及其影響研究

泄洪“霧化”是指泄水建筑物泄洪時伴生的雨和霧的統稱。通過挑流鼻坎下泄的高速水流，在拋跌入下游河道的過程中，水流不斷地分裂、拋灑、以及水舌在入水時大量濺水，在下游水面以上及河床兩岸形成小范圍、強度大的降雨區和大范圍的彌漫水霧，特別是在挑（跌）流消能和運用新型消能工的情況下，高速水流“霧化”現象更為顯著。

1.1 錦屏一級泄洪洞泄洪霧化的兩個主要霧化源

（1）泄洪水流空中摻氣擴散是泄洪霧化源之一。錦屏一級泄洪洞出口采用不對稱的燕尾挑坎挑流消能，水舌的形態類似于“窄縫”的水舌形態，水舌在縱向拉伸較長，同時泄洪洞泄流能力達3 254／3 311 m3／s（設計／校核），泄洪水流的消能過程中，水流在空中摻氣擴散，空氣被不斷卷入，氣水比沿程增大，水流表面沿程有破碎水體成束、成片飛出，成群體水團水滴，并伴雨霧。同時水舌拖拽空氣，形成強勁的泄洪水舌風。尤其采用挑流方式和采用新型消能工消能時，更加劇了水流在空中摻氣擴散。

挑射水舌空中摻氣擴散形成的雨、霧與挑流的初始速度密切相關，流速愈高，紊動愈強烈，錦屏一級泄洪洞龍落尾反弧段末端流速達50 m／s，使霧化現象發展尤甚。

（2）水舌入水激濺形成泄流霧化中強度最大的一個霧化源。根據模型試驗實測1 880 m水位時，錦屏一級泄洪洞水舌挑距84～204 m，最大波浪高度約為3 m左右，水舌入水點位置偏左岸，但水流不沖頂左岸。泄洪水流，尤其是挑流水舌主體以高流速下落與下游水面相撞擊，產生強烈的反彈激濺作用，使水舌入水周圍出現劇烈的濺水，激濺而起的水體獲得比入射水流更高的速度，向四周飛濺，并伴生強大氣流，在水舌入水點的兩岸及其下游，產生一個大面積的高強度降水區，濃霧彌漫。該區是霧化水流的暴雨中心，是主要的霧源地。

1.2 錦屏一級泄洪洞泄洪霧化影響的主要表現

（1）霧化形成的降水浸入巖體后一方面增加泄洪霧化影響區內自然邊坡的下滑力，另一方面在邊坡內形成上浮力，降低坡體的抗滑能力，影響邊坡穩定，誘發滑坡。

（2）在泄洪濃霧區大雨如注，能見度低，時常伴有風速10 m／s以上的大風，影響兩岸交通；

（3）在濃霧區霧流會影響工作人員正常工作和生活。

2 泄洪洞泄洪霧化雨強分布

經模型試驗驗證，泄洪洞出口霧化區相對獨立。泄洪洞挑流水舌入水點處在樁號（壩）1＋200.0～1＋320.0 m之間，位置偏左岸，水舌入水激濺影響區內降雨強度達到100～300 mm／h（高程1 710.0 m以下），左岸泄洪霧化影響范圍大于右岸霧化影響范圍。

結合模型試驗成果及類似工程原觀資料分析，壩下左岸樁號（壩）1＋200～1＋500 m高程1 710～1 730 m以下、右岸樁號（壩）1＋200～1＋400 m高程1 710 m以下雨強q＞50 mm／h；壩下左岸樁號（壩）1＋100～1＋650.00 m、右岸樁號（壩）1＋100～1＋550.00 m，高程1 710～1 770 m之間及1 710 m以下其它部位雨強10 mm／h＜q＜50 mm／h；泄洪洞周圍其它范圍內雨強q＜10 mm／h。泄洪洞泄洪霧化降雨預測見圖1。

3 泄洪霧化強度分級

暴雨與持續時間有關，日降水量與每小時降水量不同，一般10～20 mm／h持續3～5 h，即相當于暴雨以上，由于泄洪霧化所形成的是短時間、小范圍的暴雨，其強度遠大于氣象定義的暴雨，所以采用我國東南地區南京初夏降水為我國暴雨各級降水標準，其每日及每小時降水量見表1。

圖1 錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化降雨預測等值線（單位：mm／h）

表1 各級降水的24h與1h相應降水量

在錦屏一級水電站泄洪消能建筑布置和泄洪霧化區基本地形地質條件的基礎上，綜合錦屏一級水電站泄洪霧化模型試驗，以及二灘等工程原型觀測成果，結合表1氣象部門對暴雨強度的定義和分級，對泄洪霧化強度進行分級，見表2。

表2 霧化強度及降雨強度分級

4 邊坡穩定安全控制標準

根據《水利水電工程邊坡設計規范》（DL／T5353－2006）規定，邊坡級別劃分標準見表3，在采用極限平衡方法中的下限解時，其設計安全系數不低于表4規定的數值。

表3 水工建筑物邊坡等級劃分

表4 水利水電工程邊坡設計安全系數

規范中規定：針對具體邊坡工程所采用的設計安全標準，應根據對邊坡與建筑物關系、邊坡工程規模、工程地質條件復雜程度以及邊坡穩定分析的不確定性等因素的分析，從表4中所給的范圍內選取。對于失穩風險度大的邊坡，或穩定分析中不確定因素較多的邊坡，設計安全系數宜取上限值，反之取下限值；邊坡穩定分析的基本方法是平面極限平衡下限解法，當有充分論證時，可以采用上限解法，其設計安全系數按表4規定不變。

錦屏一級水電站工程規模為大（1）型，工程等別為一等，其永久性主要建筑物—混凝土拱壩、泄水消能建筑物、引水及地下廠房建筑物等按1級建筑物設計。其臨時性水工建筑物—圍堰、導流洞等按3級建筑物設計。

泄洪洞出口霧化區邊坡相對獨立，如其失穩，主要影響對象不涉及1級永久性主要建筑物。根據水工建筑物邊坡等級劃分標準，泄洪洞出口下游霧化邊坡為3級邊坡，在采用極限平衡方法進行穩定分析時，其設計安全系數不低于表5規定的數值。

表5 泄洪洞出口霧化邊坡設計安全系數

5 泄洪洞泄洪霧化防護措施

泄洪洞出口樁號（壩）1＋100～1＋600 m范圍內受霧化影響較嚴重的右岸邊坡主要由6層大理巖組成，左岸邊坡由7、8層大理巖組成，淺表部巖體卸荷強烈，結構松弛，穩定性較差。考慮到泄洪隧洞出口區泄洪霧化對岸坡的影響，在樁號（壩）1＋100～1＋650 m范圍內對雨強q＞10 mm／h的兩岸邊坡采用淺層錨噴保護，q＞50 mm／h的兩岸邊坡多采用混凝土護坡；清除河道兩岸邊坡支護區的覆蓋層及危石，做好排水和攔石設施。對現場揭示的邊坡不利結構面組合加強了錨索支護。

泄洪洞泄洪霧化邊坡防護分為左右岸區域，具體措施為：

（1）左岸自然邊坡主要防護區域如下：

左岸A區：左岸樁號（壩）1＋200～1＋260 m，防護高程1 710.00～1 770.00 m；

左岸B區：左岸樁號（壩）1＋260～1＋304.70 m，防護高程1 710.00～1 770.00 m；

左岸C區：左岸樁號（壩）1＋304.70～1＋400 m，防護高程1 710.00～1 775.00 m；

左岸D區：左岸樁號（壩）1＋400～1＋500 m，防護高程1 710.00～1 775.00 m；

左岸E區：左岸樁號（壩）1＋500～1＋550 m，防護高程1 710.00～1 750.00 m；

左岸F區：左岸樁號（壩）1＋550～1＋600 m，防護高程1 685.00～1 740.00 m；

左岸G區：左岸樁號（壩）1＋600～1＋650 m，防護高程1 685.00～1 710.00 m。

左岸I區：左岸樁號（壩）1＋550～1＋650 m，防護高程1 680.00～1 685.00 m。左岸樁號（壩）1＋100～1＋200 m，防護高程1 670 m／1 680 m高程以上清除覆蓋層后的邊坡。

左岸H區：左岸樁號1＋200～1＋550 m，防護高程1 680.00～1 710.00 m。

左岸A、B、C、D、E、F、G區巖石邊坡采用“錨桿＋噴混凝土＋掛鋼筋網”防護，錨桿采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，間排距1.5 m，交錯、交替布置；噴10 cm厚C25混凝土，掛鋼筋網φ6.5＠15 cm ×15 cm，排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m，仰角5°，梅花形布置。其中左岸樁號（壩）1＋340～1＋550 m段覆蓋層邊坡采用“坡腳混凝土擋墻＋框格梁＋噴錨＋排水”進行支護處理，框格梁采用C20混凝土，結點布置錨筋Ф32，L＝9 m，框格梁單元格內掛鋼筋網Ф6.5，網格間距0.15 m，噴C25混凝土，厚度10 cm，布置多孔PVC排水管，孔徑Ф90，入巖3 m，外包土工布，仰角5°。左岸I區巖石邊坡采用“錨桿＋噴混凝土＋掛鋼筋網”防護，錨桿采用Ф25，L＝4.5 m，間排距1.5 m，交錯、交替布置；噴10 cm厚C25混凝土，掛鋼筋網φ6.5＠15 cm×15 cm，排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m，仰角5°，梅花形布置。

左岸H區巖石邊坡采用50cm厚鋼筋混凝土襯護，錨筋采用Ф25、L＝4.5 m，間排距1.5 m，入巖4.0 m；排水孔Ф50，間、排距3 m，入巖3 m，仰角5°，梅花形布置。針對樁號（壩）1＋238.00～1＋195.66 m，EL1 655～1 718 m因卸荷裂隙組合形成局部危巖體，采用“貼坡混凝土”防護，同時布置錨索支護，錨索參數T＝2 000 kN，L＝30／35 m，錨索傾角為5°（仰角）。卸荷裂隙出露部位采用“混凝土塞”封閉處理。

（2）右岸自然邊坡主要防護區域如下：

右岸A區：道班溝溝口上游側自然邊坡，山梁開口線外55 m范圍，防護高程1 670.00～1 750.00 m；

右岸B區：右岸樁號1＋300～1＋400 m范圍，防護高程1 670.00～1 740.00 m；

右岸C區：右岸樁號1＋400～1＋550 m范圍，防護高程1 670.00～1 715.00 m。

對右岸B、C區巖石邊坡采用系統錨噴支護，支護參數為：鋼筋網Ф6.5，網格間距0.15 m，錨桿Ф28、L＝6 m／Ф25、L＝4.5 m，間排距1.5 m，交錯、交替布置；噴C25混凝土，厚度10 cm；排水孔Ф50，入巖3 m，間、排距3 m，仰角5°，梅花形布置。局部處于強卸荷帶，巖體普遍松弛的邊坡采用錨桿Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9.0 m，間、排距1.5 m，交錯、交替布置加強支護。右岸A區巖石邊坡采用系統錨噴支護，支護參數為：鋼筋網Ф6.5，網格間距0.15 m，錨桿Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9 m，間、排距1.5 m，交錯、交替布置；噴C25混凝土，厚度10 cm；排水孔Ф50，入巖3 m，間、排距3 m，仰角5°，梅花形布置。局部發育大量卸荷張裂隙的強卸荷帶采用錨桿束3Ф32，L＝12 m加強支護；針對發育有大量與道班溝山梁開挖邊坡近平行的卸荷裂隙采用T＝1 000 kN，L＝30 m／35 m錨索支護。

（3）右岸道班溝山梁削坡防護：

為避免出口水舌的沖擊，對道班溝山梁進行削坡防護處理。開挖坡比1∶0.2，在1 670 m、1 690 m、1 710 m、1 730 m、1 750 m高程分別設置3 m寬馬道，1 664 m高程形成平臺。

1 710 m高程～邊坡開挖開口線淺層支護采用“錨桿＋噴混凝土＋掛鋼筋網”，錨桿采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，間排距1.5 m，交錯、交替布置；噴10 cm厚C25混凝土，掛鋼筋網φ6.5＠15 cm ×15 cm，排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m。1 710～1 664 m高程采用0.5 m厚單層鋼筋混凝土護坡，錨筋采用Ф25、L＝4.5 m／Ф28、L＝6.0 m，間排距1.5 m，交錯、交替布置；排水孔φ50，入巖3 m，間排距3 m。山梁開挖邊坡局部巖體松弛破碎、強卸荷區域采用Ф28、L＝6 m／Ф32、L＝9 m，間、排距1.5 m錨桿加強支護。

同時針對開挖邊坡局部不穩定塊體組合布置了錨索支護，錨索參數T＝1 000 kN／2 000 kN，L＝30／35／40／45／55／60 m。

6 結束語

錦屏一級水電站泄洪洞采用有壓接無壓、壓隧洞轉彎后接無壓隧洞、洞內“龍落尾”的布置型式，出口采用不對稱“燕尾”挑坎挑流消能，泄洪洞泄流能力3 254／3 311 m3／s（設計／校核），泄洪洞龍落尾反弧段末端流速達50 m／s，是典型的高水頭、高流速、大流量泄洪洞，因此其泄洪霧化的影響問題非常突出。

通過對泄洪洞泄洪霧化成因及其影響的研究，結合模型試驗，預測了拋射水舌及泄洪雨強分布，對錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化影響進行了綜合分析，并據此采取了防護措施，可供類似工程參考。

TV135.2

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1003－9805（2015）02－0024－04

2014－10－09

張 旻（1982－），男，四川 成都人，工程師，從事水電工程設計工作。