金沙水電站深厚覆蓋層條件下明渠出口動態防護措施研究

胡田清 崔金鵬 陳超敏

摘要：為解決金沙水電站導流明渠大流量、高流速及深厚覆蓋層條件下的岸坡沖刷防護問題，采用物理模型試驗方法，模擬研究了不同工況下的導流明渠出口下游河床流速分布及河床沖刷情況，提出了采用合金網石兜、格賓石籠護腳加鋼絲石籠護坡的動態組合防護方案。經過多個汛期的實踐檢驗，防護措施取得了良好效果，可為類似工程借鑒。

關鍵詞：導流明渠出口; 動態防護措施; 深厚覆蓋層; 合金網石兜; 模型試驗; 金沙水電站

中圖法分類號：TV551.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.007

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0028 - 04

0 引 言

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，正常蓄水位1 022 m，電站裝機容量56萬kW（560 MW），最大壩高66.0 m，多年平均發電量為21.77億kW·h。金沙壩址河谷開闊，呈不對稱U型，施工采用明渠分期導流方案，共分3期，導流明渠布置于河床右岸[1]。

導流明渠出口下游河道右岸分布一處大型人工堆積體，頂部布置眾多工業廠房。明渠出口河床基礎為深厚砂礫石和粉細砂，抗沖能力弱。動床模型試驗表明，河床沖坑最大深度達35.5 m。導流明渠過流期間，高速水流會沖刷下游河床及堆積體前緣，極易導致堆積體變形滑坡，危及堆積體頂部人員、廠房安全，甚至有可能因堆積體垮塌而堵塞河道，威脅下游攀枝花市區防洪安全。因此，金沙水電站導流明渠出口河道防沖保護問題嚴峻，需采取有效措施。

針對導流明渠等泄水建筑物下游河道岸坡的防護工程，國內外進行了不少研究和應用，如增加泄水建筑物寬度以減小單寬流量和流速、出口設置消力池等消能工進行消能，拋投大塊石、鋼筋石籠、混凝土預制塊，修建混凝土防掏槽、混凝土抗滑樁等防護措施[2-5]。但針對金沙水電站導流明渠出口流速大、覆蓋層深厚、抗沖能力差、防護范圍大、安全風險高等特點，上述常規措施防護效果有限，或實施起來十分困難。

針對該工程特點，本文通過理論研究和水工模型試驗相結合的方式，重點對導流明渠出口下游河道岸坡的動態防護措施進行研究。

1 基本情況

金沙水電站導流明渠布置于河床右岸，設計標準為全年20 a一遇洪水，洪峰流量11 400 m3/s，明渠底寬35 m，單寬流量326 m3/（s·m），出口最大平均流速達12.18 m/s，單寬功率大，居類似工程前列[6]。明渠出口河床覆蓋層厚度為45～55 m，最大約62 m，主要為砂礫石、粉細砂和粉土組成，抗沖能力較差，實際抗沖流速小于2 m/s。

明渠出口下游河道右岸分布一處大型人工堆積體，堆積體緊鄰明渠出口，呈圈椅狀臨江分布。堆積體順水流向長約520 m，橫向寬約260 m，高差約70 m，頂部布置眾多工業廠房。堆積體物質主要為雜填土及爐渣，體積約290萬m3。該堆積體平面分布如圖1所示。

2 模型試驗研究

為了研究導流明渠過流期間出口下游河道沖刷情況，并驗證冷軋廠堆積體防沖保護措施的可靠性，本文開展了動床模型試驗。物理模型采用1∶80比尺，模擬了不同工況下的下游河床流速分布、河床沖刷情況，并對不同消能防護方案進行了驗證。

試驗結果表明：導流明渠流量越大，明渠出口流速越大，設計流量為11 400 m3/s時，明渠出口最大流速達12.18 m/s;出導流明渠后，各斷面主流流速沿程衰減，衰減后主流流速為3.57～9.40 m/s。同時在河床兩岸形成回流，右岸堆積體坡腳處回流流速約2.14～3.11 m/s。設計流量下導流明渠出口及下游河床流速分布如圖2所示。

為判斷導流明渠下游河道及岸坡沖刷情況，模型采用粒徑D50=0.71 mm的黃砂模擬河床覆蓋層和不同規格中小石模擬岸坡拋石防護。在物理模型上分別進行了無防護方案、丁壩方案、消力池消能方案及拋石動態防護方案等單個或組合方案的試驗研究，試驗結果如下。

（1） 無防護方案條件下，下游河道沖刷嚴重，堆積體坡腳沿線普遍受到沖刷，最大沖刷深度達11.3 m，堆積體倒懸嚴重，無法滿足要求。

（2） 丁壩方案能有效截斷岸邊回流，在一定程度上減輕坡腳的沖刷，右岸坡腳沖刷深度有所減小，但丁壩坡腳處沖刷較深，達到15.3 m，自身穩定無法滿足要求。

（3） 明渠出口設深5 m、長60 m的消力池消能，由于明渠內入池的弗氏數Fr較低，消力池效能效率不高且代價較大，作用不明顯。

（4） 由于明渠出口河道左岸岸坡地質條件較好，調整導流明渠出流角度與下游河床夾角約35°，避免了右岸岸坡直接受水流沖刷，使出口河床主沖坑偏于左岸。

（5） 明渠出口右側坡腳采用大塊石動態防護，分別進行了不同粒徑（D50=2.3 m， D50=1.5 m）、不同頂寬（10， 20， 25， 28 m）、不同頂高程（1 004， 1 007 m）組合條件下的抗沖試驗研究。各級試驗工況下，明渠出口及下游河床均形成沖坑，下游主沖坑有兩處，分別位于河床中心處和左側山體坡腳處。不同流量條件下形成的沖坑形狀基本相似，沖坑深度隨流量的增大而增大，護腳塊石塌落的范圍及程度也隨流量的增大而增大。導流明渠出口下游防沖措施方案受大流量限制，如表1所示。

經過多組防護方案試驗研究，確定了最佳防護方案，其中上游段150 m范圍拋石粒徑2.30 m，防護平臺頂寬25 m;下游150～200 m范圍拋石粒徑1.18 m，平臺寬20 m;下游200～520 m范圍拋石粒徑0.80 m，平臺頂寬8 m。防護平臺頂高程均為1 004 m。在設計流量11 400 m3/s及上述防護方案條件下，明渠出口下游河道兩處主沖坑深度分別達22.1 m和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（堆積體側）岸坡防護范圍內部分拋石落于沖坑中，并形成穩定的護坡;防護平臺沖刷后剩余最小寬度大于8 m，未見堆積體坡腳裸露，因此防護措施安全可靠，如圖3所示。

3 防護方案設計

結合下游河道水位及模型試驗成果，冷軋廠堆積體防護整體上采用大塊石護腳（高程1 004 m以下）+鋼絲石籠護坡（高程1 004～1 014 m）的動態防護方案，如圖4所示。其中，堆積體上游段0～150 m范圍內護腳平臺頂寬25 m，塊石粒徑2.3 m;中部150～200 m范圍護腳平臺頂寬20 m，塊石粒徑1.18 m;下游段200～520 m范圍護腳平臺頂寬8 m，塊石粒徑0.8 m。由于護腳塊石粒徑均較大，現場開挖塊石料無法滿足要求，考慮分別采用合金網石兜和格賓石籠代替。

合金網石兜由高強合金鋼絲編制而成，內部裝填塊石，縫口后形成扁平狀防護結構，單個體積達4.5～5.0 m3，重7.5～8.5 t，具體特征參數如表2所示。合金網石兜具有單個重量大、強度高、耐腐蝕、穩定性好、柔韌性極強等特點，抗沖能力強且適應基礎變形，是非常好的柔性動態防護材料[7-8]，主要應用于堆積體上游段護腳。

冷軋廠堆積體下游段采用格賓石籠護腳，單個格賓石籠尺寸為2 m×1 m×1 m，重3.5～4.0 t。相互搭接堆砌形成穩定防護結構，頂寬8 m，迎水側坡比1∶1.5。

為滿足動態防護的要求，每年汛前對防護體進行檢查，并準備一定的防沖材料，當汛期防護體由于河道沖刷而出現垮塌并危及上部堆積體安全時，及時動態補充拋填。

4 運行實踐

金沙水電站導流明渠出口冷軋廠堆積體防護工程于2015年11月開工，2016年6月完工，11月份導流明渠通水后即投入運行，如圖5所示。在運行過程中，受2017年汛期洪水沖刷影響，明渠出口河床覆蓋層出現較大沖坑，隨后堆積體上游段合金網石兜護腳局部垮塌掉入沖坑內，垮塌后的合金網石兜阻止了沖坑范圍進一步擴大，最終未危及上部堆積體安全，達到了動態防護的設計效果。為保障安全，汛后對垮塌部位進行了補充拋填。在經過2017年汛期大洪水沖刷后下游河道和岸坡沖淤已基本平衡，隨后幾年均未出現較大變化。

經過施工期3個汛期及永久運行期2個汛期的實踐檢驗，導流明渠出口防護取得了良好的效果，有效保障了下游岸坡穩定。

5 結 語

（1） 金沙水電站導流明渠出口最大平均流速達12.18 m/s，出口河道覆蓋層厚且岸邊分布大型人工堆積體，導流明渠出口防沖保護問題十分突出。

（2） 本文采用1∶80動床物理模型，可以有效模擬導流明渠出口河道及岸坡沖刷情況，并通過研究提出采用合金網石兜、格賓石籠護腳加鋼絲石籠護坡的組合動態防護措施。經過多個汛期的運行實踐檢驗，導流明渠出口防護措施安全可靠，效果良好。

（3） 對于動態防沖保護措施而言，尤其在運行初期，河道尚未達到新的沖淤平衡時，汛前準備一定的防沖物料是必要的。當防護體由于河道沖刷而出現垮塌情況時，應及時補充防沖物料。

（4） 金沙水電站導流明渠出口防護工程的突出特點和動態防護方案的成功應用，可為今后水利工程中的類似問題提供借鑒。

參考文獻：

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（編輯：高小雲）

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