紫坪鋪水利樞紐工程泄洪排沙洞抗磨蝕設計

陳惠君

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

紫坪鋪水利樞紐工程泄洪排沙洞抗磨蝕設計

陳惠君

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

紫坪鋪1#、2#泄洪排沙洞由導流洞以龍抬頭方式改建而成，兩洞均穿過沙金壩向斜和F3斷層，成洞地質條件差；由于流速高(33m/s～45m/s)、流量大(最大1667m3/s)、水流空化數小(0.15～0.2)、斷面形式復雜，極易產生空化空蝕問題。同時，庫區泥沙含量大、粒徑粗，作為樞紐主要泄洪設施運用十分頻繁，且承擔泄洪兼排沙的雙重任務，因此兩洞防空蝕及抗沖磨是關鍵技術難題。經過大量試驗研究和精心設計，采取優化洞身體型、合理布置摻氣減蝕設施、控制施工不平整度，以及抗磨材料采用C50硅粉混凝土與環氧砂漿面層保護相結合等綜合措施，解決了工程突出的抗磨蝕問題。

紫坪鋪水利工程 泄洪排沙洞 抗磨蝕 摻氣設計

1 工程概況

紫坪鋪大型水利樞紐工程，位于四川省成都市西北65km的岷江上游，距都江堰市9km，工程以灌溉和供水為主，兼有發電、防洪、環境保護、旅游等綜合效益。樞紐主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水發電系統、沖沙放空洞、1#泄洪排沙洞、2#泄洪排沙洞。水庫校核洪水位883.10m，相應洪水標準為可能最大洪水，流量12700m3/s；設計洪水位871.20m，相應洪水標準為千年一遇(P=0.1%)，流量8300m3/s；正常蓄水位877.00m，汛限水位850.00m，死水位817.00m，總庫容11.12億m3，正常水位庫容9.98億m3?；炷撩姘宥咽瘔螇胃?56m，電站裝機4×190MW，保證出力168MW，多年平均發電量34.17億kW·h。

紫坪鋪泄洪排沙建筑物由溢洪道、沖沙放空洞、1#、2#泄洪排沙洞組成，由于水庫具有不完全年調節性能，洪水峰高量小，泄洪頻繁。本工程具有防洪任務，要求各泄洪、泄水建筑物協同運用，使百年一遇洪水按十年一遇洪水下泄。由于沖沙放空洞的主要任務是保證電站引水洞進口“門前清”，故本工程泄洪建筑物采用河岸式溢洪道和1#、2#泄洪排沙洞相結合的方式，以滿足不同運行調度的要求。由于溢洪道堰頂高程較高，為避免泄水對挑流鼻坎下游F3斷層的直接沖刷，當水庫水位接近設計洪水位達到870.00m時，才開啟閘門泄洪，故1#、2#泄洪排沙洞擔負著常遇、設計及校核洪水的泄洪及排沙雙重任務。

1#、2#泄洪排沙洞由1#、2#導流洞改建而成，為“龍抬頭”式有壓短管進水口明流洞，進出口水頭差近140m，洞內流速高(33m/s～45m/s)、流量大(最大1667m3/s)、水流空化數小(0.15～0.2)、斷面形式復雜，極易產生空化空蝕問題。同時，庫區泥沙含量大、粒徑粗，高速夾沙水流對建筑物的磨損不可忽視，故防空蝕及抗沖磨是1#、2#泄洪排沙洞的關鍵性技術難題。而且兩洞均穿過沙金壩向斜和F3斷層，成洞地質條件差，兩洞的運行安全直接關系到大壩及整個工程的安全。經過大比尺試驗研究和精心設計，兩洞采取優化洞身體型、合理布置摻氣減蝕設施、控制施工不平整度以及抗磨材料采用C50硅粉混凝土與環氧砂漿面層保護等綜合措施，解決了工程突出的抗磨蝕問題。

1#、2#泄洪排沙洞進口底高程均為800.00m，進水口按有壓短管形式布置，工作門孔口尺寸6.2m×8.0m(寬×高)，各水位下泄流流量相同，且兩洞出口高程基本相近，洞身體型及布置型式也基本一致，故本文僅以1#泄洪排沙洞為例，闡述該工程泄洪排沙洞抗磨蝕設計。

1#泄洪排沙洞出口底高程為745.50m，全長812.35m，洞身長694.38m，其中利用原導流洞488.34m。斜井段長157.526m，為6.20m×15.18m～13.70m(寬×高)的城門洞型斷面，經反弧連接段、斜切線段、反弧段與原導流、泄洪結合洞段相接。結合段為緩坡洞段，底坡0.5432%，為底寬7.83m的10.7m×10.7m馬蹄型斷面，末端40m漸變為10.7m×10.7m的城門洞斷面。漸變段后接異型挑流鼻坎段，將水流挑射入下游河道。

2 龍抬頭體型及摻氣設計

洞身在高速水流作用下的防蝕設計，首先要使體形設計合理，在此基礎上設置摻氣設施，才能達到好的效果。結合中國水利水電科學研究院承擔的水工模型試驗，設計進一步對龍抬頭段進口體型、豎曲線方程、斷面形式、摻氣槽坎位置及尺寸等都進行了優化。通過以上優化設計，龍抬頭段及導、泄結合段無論水流流態、水流空化數及摻氣濃度等均能滿足要求；通過減壓箱試驗論證，未發現空化現象。

龍抬頭段體型研究主要考慮了如下兩個問題：

(1)龍抬頭段應水流平穩，底板和邊墻沿程有足夠的摻氣，以保護龍抬頭段的過流面；

(2)龍抬頭段為城門洞型，緩坡結合段為馬蹄型，斷面形狀不同，斷面尺寸也差異較大，如斷面銜接不好，在高速水流作用下極易產生分離。龍抬頭段始端斷面寬度為6.2m(閘門寬)，緩坡段為底寬7.83m斷面10.7m×10.7m的馬蹄洞型。如采用閘門后設置擴散段，由6.2m漸變至龍抬頭末端7.83m×10.7m的城門洞型，在龍抬頭末端再設置漸變段，將7.83m×10.7m城門洞與緩坡段10.7m×10.7m馬蹄型擴散銜接，在高速水流作用下極易產生分離。

基于以上兩點，在反弧末端采用以突擴突跌摻氣坎取代漸變擴散段的優化布置方案。即將龍抬頭段始端的寬度6.2m等寬延伸到反弧末端，然后在反弧末端設置突擴突跌摻氣坎。通過大比尺模型試驗，1#、2#泄洪排沙洞共設置了3道摻氣設施，分別位于工作閘門后、龍抬頭中部及反弧末端。

第1道摻氣坎位于工作門后，坎高2m；第2道摻氣坎位于斜井段的中部，坎高約1.0m。其中，挑坎高0.15m、坡度為1∶20。設置此兩道摻氣坎后，可保證反弧末端水流的充分摻氣，并能夠滿足斜井段的摻氣減蝕要求。

第3道摻氣坎位于反弧末端，1#、2#洞龍抬頭段的斷面為城門洞形，其寬與工作門的寬度一致，即6.2m，末端斷面高度為13.7m，而原導流洞為底寬7.83m斷面10.7m×10.7m的馬蹄型，兩部分斷面形狀和尺寸均有很大差異，為將城門洞型斜井段和馬蹄型斷面的緩坡段連接起來，采用了一種簸箕狀突擴摻氣跌坎。

突擴跌坎一般布置于偏心鉸弧形閘門下游，既滿足了偏心鉸弧形門的止水要求，又改善了泄洪洞摻氣減蝕性能。此類突擴突跌布置，在突擴下游邊墻易發生空蝕破壞。究其原因，這類突擴都是布置在緊接弧形閘門的下游，水流由有壓變無壓，出閘水舌均為清水，側摻氣效果不明顯，起不到摻氣減蝕作用。對紫坪鋪1#、2#泄洪排沙洞而言，突擴突跌設在反弧末端，由于第一、二道摻氣坎的作用，此處水舌已充分摻氣，足以避免邊墻的空蝕，而且突擴比為0.263～0.726，遠大于一般弧形閘門后的突擴，有利于坎后邊墻的摻氣保護。

采用突擴跌坎方式連接，由于側擴比在0.263～0.726范圍內變化，遠大于工程中弧門后突擴采用的側擴比，如果不采取其他措施，會造成比較強烈的水翅，加劇霧化，并影響明流段的流態。通過多次試驗，利用水流自由擴散的原理，設計了一種結構簡單、易于施工的簸箕狀摻氣跌坎。該摻氣坎與反弧末端相連接，挑坎長8.5m，邊墻為三角形，墻高從反弧末端的5.0m線性減小到出口的0.0m。采用這種型式的挑坎后，摻氣量大，水舌先后出坎，形成上寬下窄的三維自由射流，從而有效地抑制了水翅的產生，大大地改善了反弧下游的水流流態(結構型式見圖1)。

圖1 1#泄洪排沙洞簸箕狀摻氣坎體型示意

3 結合段摻氣設計

結合段底坡為緩坡段，本段結合水流特性和摻氣濃度的變化規律，論證設置摻氣設施的必要性，確定摻氣坎的結構型式。

緩坡段最大流速超過40m/s，沿程水流空化數在0.15～0.41之間，多數斷面的水流空化數在0.2～0.3范圍內。因此，必須采用摻氣減蝕措施保護緩坡段的安全。

3.1 摻氣坎道數選擇

按《溢洪道的設計規范》(DL/T5166-2002)，直線段的保護長度約100m～150m，按此建議紫坪鋪1#、2#泄洪洞緩坡段宜設置兩道摻氣設施?？紤]泄洪洞擔負著常遇、設計及校核洪水的泄洪及排沙雙重任務，運行十分頻繁，由于下泄水流的泥沙含量高、粒徑大，汛期泄洪排沙時，高速含沙水流將對泄洪洞過流表面造成一定程度的磨損，從而產生新的空化源，加劇過流表面的空蝕破壞。因此，為安全起見，紫坪鋪泄洪洞的保護長度宜控制在150m左右，即1#、2#泄洪洞的緩坡段均增設兩道摻氣坎。

3.2 摻氣設施的設計原則

從水流流動角度看，摻氣設施(如摻氣坎、摻氣槽)處水流流態存在著突變，因此在摻氣設施設計時不僅要滿足摻氣量的需求，即坎下要有穩定和足夠長度的空腔，同時還應使水流流態過渡平穩，對于明流洞而言，還應保證泄洪洞具有足夠的洞頂余幅。

紫坪鋪泄洪洞緩坡段的坡度相當小，1#洞為0.005432，2#洞為0.007547，摻氣設施的設計具有相當的難度。在設計摻氣坎坎型和尺寸(如坎高和挑角)時，應在水流流態和挾氣量這兩方面尋求較優的方案，摻氣坎高度和挑角越大，坎下空腔越長，摻氣效果越好，但是洞頂余幅較??；反之，摻氣坎高度和挑角越小，水流流態越平穩，但是空腔長度短，水舌的挾氣效果較差。

由于導流洞段沿程的高度不存在突變，因此該緩坡段的摻氣設施只能設計成摻氣挑坎的形式，根據緩坡段為馬蹄型斷面的特點，采用了一種“環形摻氣挑坎”。此挑坎的特點是，底板上的挑坎將水流挑出，水舌下面形成底空腔，同時兩邊墻上增加側收縮，使水流在邊墻收縮，出坎后擴散形成側空腔，如果側空腔和底空腔能夠連通，則類似于突擴跌坎，能夠取得良好的摻氣效果，且有利于空腔的穩定。

高速水流流過環形摻氣挑坎時，水流在垂向和側向存在突變，如果突變太大，則類似于突擴式跌坎，水流壅高，并形成比較強烈的水翅，影響泄洪洞的安全運行。對于突擴跌坎而言，合適的突擴比是減小水翅較有效的方法，工程中常用的突擴比在0.04～0.16范圍內變化。設計緩坡段兩道摻氣坎的型式為環形摻氣挑坎，底挑坎高0.7m，坡度1∶12，側坎出口厚度0.42m，坡度1∶20。

試驗證明，緩坡段“環形摻氣挑坎”具有較好的摻氣效果，坎后的水流流態也較好，能夠滿足小底坡馬蹄洞的摻氣減蝕要求。

4 抗沖耐磨及不平整度控制設計

庫區多年平均懸移質輸沙量792萬t，平均含沙量0.572kg/m3，汛期平均含沙量0.886kg/m3，入庫懸沙中徑d50=0.078mm，d>0.1mm粒徑所占比重為37%，粗粒徑組成比黃河、長江含沙粒徑粗。為了長期保持庫容，在來沙集中的汛期應盡量排沙。在水庫汛期限制水位850.00m下，過流建筑物有電站引水洞、沖沙放空洞、1#、2#泄洪排沙洞，其中1#、2#洞是主要的泄洪排沙設施。因此，夾沙水流對建筑物的磨損是不可忽視的。關于抗沖耐磨材料，隧洞龍抬頭段過流斷面采用厚C50硅粉混凝土襯砌，緩坡段底板采用0.5m厚的C50硅粉混凝土襯砌，側墻斷面下半洞5.35m高度范圍內采用C50硅粉混凝土襯砌，同時底板及側墻過流表面用環氧砂漿護面，所選環氧砂漿與混凝土具有相同的線膨脹系數。

在體形設計合理及采用抗沖耐磨材料基礎上，施工時嚴格控制不平整度。否則，高速夾沙水流經過混凝土表面的孤立凸體或凹陷時，將出現局部繞流及分離，使壓力降低，可能產生空蝕破壞。施工控制要求順水流方向不平整度控制在3mm以內，垂直水流方向不平整度控制在5mm以內。環氧砂漿保護層的設置有利于實現表面不平整度的控制，尤其是導流、泄洪結合段，經歷四個汛期導流后，混凝土表面沖磨嚴重，采用環氧砂漿較好地修復了此缺陷。

5 結論及建議

紫坪鋪1#、2#泄洪排沙洞由導流洞以龍抬頭方式改建而成，兩洞均穿過沙金壩向斜和F3斷層，成洞地質條件差；由于流速高、流量大、水流空化數小、斷面形式復雜，極易產生空化空蝕問題。同時，庫區泥沙含量大、粒徑粗，作為樞紐主要泄洪設施運用十分頻繁，且承擔泄洪兼排沙的雙重任務，因此兩洞防空蝕及抗沖耐磨是關鍵技術難題。經過大量試驗研究和精心設計，通過采取優化洞身體型、合理布置摻氣減蝕設施、控制施工不平整度，以及抗磨材料采用C50硅粉混凝土與環氧砂漿面層保護相結合等綜合措施，解決了工程突出的抗磨蝕問題。

1#、2#泄洪排沙洞經10年的正常運行及“5.12”汶川地震的考驗，驗證了該設計方案合理可靠。由于高速水流的特殊性，今后仍需加強監測工作，對于表面局部損壞及時采取環氧砂漿修復。

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2095-1809(2016)01-0036-04

陳惠君(1968-)，女，四川省水利水電勘測設計研究院副總工程師。