王鋒輝

（二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 610017）

1 工程概況

二灘水電站是雅礱江流域開發(fā)的第一座電站。攔河壩采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高240 m，是我國(guó)首座超過200 m的高拱壩。二灘樞紐工程具有河谷狹窄、水頭高、流量大的特點(diǎn)。重現(xiàn)期1 000年設(shè)計(jì)洪水流量達(dá)20 600 m3/s，重現(xiàn)期5 000年校核洪水流量達(dá)23 900 m3/s，最大泄洪功率達(dá)39 000 MW。其中拱壩壩身泄量16 450 m3/s，泄洪功率達(dá)27 000 MW；泄洪洞的單洞最大泄量達(dá)3 800 m3/s，最高流速45 m/s，泄洪功率達(dá)12 000 MW，均居世界同類工程前列。工程消能設(shè)計(jì)，壩身采用泄水水流空中擴(kuò)散和對(duì)撞落入水墊塘消能技術(shù)，泄洪洞采用挑流消能技術(shù)。

二灘電站的泄洪建筑物包括壩身7個(gè)表孔、6個(gè)中孔和布設(shè)在右岸的2條泄洪隧洞。其中表孔為開敞式泄洪表孔，采用大差動(dòng)結(jié)構(gòu)型式，使水流充分?jǐn)U散，摻氣更充分，入水面積更大，減小水舌對(duì)水墊塘底板的沖擊動(dòng)水壓力，進(jìn)一步加強(qiáng)了消能效果。中孔為有壓泄洪中孔，6個(gè)泄洪中孔均采用平面轉(zhuǎn)彎、立面上翹、尾部橫向擴(kuò)散、豎向收縮的“壓力上翹”體型，這種體型使水流縱橫分散，落點(diǎn)錯(cuò)開，滿足下游消能銜接的要求。同時(shí)表、中孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，水舌碰撞消能效果更好。泄洪洞為淺水式短進(jìn)水口龍?zhí)ь^明流泄洪洞，洞身采用摻氣消能方式，出口采用挑流方式消能。其中1號(hào)洞出口采用扭曲斜切鼻坎，2號(hào)洞采用不對(duì)稱舌型挑流鼻坎。

這種消能設(shè)計(jì)形式，很好地解決了泄洪消能問題，但同時(shí)也帶來了范圍更大、強(qiáng)度更高的“霧化”影響。

2 泄洪“霧化”分區(qū)、預(yù)測(cè)范圍及防護(hù)措施設(shè)計(jì)

2.1 泄洪“霧化”分區(qū)、預(yù)測(cè)范圍

目前，泄洪霧化的分區(qū)或分類方法尚不完全統(tǒng)一，一般根據(jù)成因、形態(tài)或影響程度不同簡(jiǎn)單地劃分其類別［1］。二灘水電站泄洪霧化的分區(qū)是根據(jù)局部模型試驗(yàn)及整體模型試驗(yàn)，并結(jié)合大量工程泄洪霧化的原始觀測(cè)資料提出來的，主要分為兩個(gè)區(qū)，分別是表、中孔泄洪消能的水墊塘消能區(qū)和泄洪洞挑流消能的下游河床消能區(qū)，這兩個(gè)消能區(qū)也是霧化防護(hù)重點(diǎn)區(qū)。二灘拱壩泄洪霧化分區(qū)、預(yù)測(cè)范圍及防護(hù)措施見表1。

對(duì)于泄洪洞泄洪霧化影響，主要結(jié)合本工程的特點(diǎn)并類比和借鑒其他工程的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。

圖1 二灘水電站樞紐布置圖Fig.1 Layout of Ertan hydropower station

表1 二灘拱壩泄洪霧化分區(qū)、預(yù)測(cè)范圍及防護(hù)措施Table 1:Zones and predicted scope of flood discharging rain and fog and protection measures

2.2 防護(hù)措施設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)泄洪霧化分區(qū)，對(duì)不同的區(qū)域提出了不同的防護(hù)措施。表、中孔泄洪消能的水墊塘消能區(qū)的具體防護(hù)措施如下：

（1）自壩后至樁號(hào)0+130 m，高程1 070.0 m以下為混凝土護(hù)坡；自壩后至樁號(hào)0+380 m，高程1 040.0 m以下屬水舌裂散區(qū)（霧化Ⅱ區(qū)），設(shè)置混凝土護(hù)坡?；炷磷o(hù)坡厚0.3 m，設(shè)有錨筋（?25 mm，長(zhǎng)3 m，間距2.5 m）及排水孔（?48 mm，間距5 m，深入巖石3 m，向外傾2°～3°）。

（2）兩岸高程1 115.0 m以下、上述混凝土護(hù)坡以上屬濃霧暴雨區(qū)（霧化Ⅲ區(qū)）。采用掛鋼筋網(wǎng)（? 6 mm，間距0.25 m）及厚0.1 m的噴混凝土護(hù)坡；錨桿?25 m，深入巖石3 m，間距2.5 m；排水孔?48 mm，深入巖石3 m，間距5.0 m。

（3）兩岸高程1 032.0 m、1 040.0 m、1 070.0 m、1 115.0 m各層馬道均設(shè)有混凝土擋墻，防止山坡危石落入水墊塘，以免造成塘底磨損破壞。另外各層馬道亦設(shè)有排水溝，將雨水排至下游。

泄洪洞挑流消能的下游河床消能區(qū)的具體防護(hù)措施如下：

泄洪洞挑流消能區(qū)保護(hù)包括挑流鼻坎基礎(chǔ)坡面保護(hù)和泄洪霧化區(qū)岸坡保護(hù)兩部分。由于泄洪洞出口水流挑射較遠(yuǎn)，其沖坑深度也較淺，沖坑的發(fā)展不會(huì)影響到挑流鼻坎，因此兩條泄洪洞鼻坎基礎(chǔ)坡面設(shè)計(jì)采用混凝土面板結(jié)合錨桿進(jìn)行保護(hù)。另外由于泄洪洞出口部位沒有布置重要的建筑物，所以對(duì)泄洪洞出口的邊坡也沒有采取特殊的保護(hù)措施進(jìn)行處理，而是根據(jù)泄洪洞經(jīng)1～2個(gè)汛期泄洪后，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)水流消能區(qū)河道岸坡保護(hù)工程并進(jìn)行施工。

3 初期運(yùn)行及泄洪“霧化”原型觀測(cè)

1997年11月4日二灘水電站導(dǎo)流洞下閘，江水經(jīng)由大壩臨時(shí)導(dǎo)流底孔（底部高程為1 012.5 m）下泄到水墊塘流往下游河道。1998年5月1日下閘蓄水，5月8日永久底孔過水，5月28日壩身3號(hào)中孔泄洪，整個(gè)汛期，全部6個(gè)中孔、2條泄洪洞都參與了泄洪，泄洪總量達(dá)到571.86億m3（包括2號(hào)、3號(hào)底孔的過流）。其中壩身泄洪504.78億m3，泄洪洞泄洪67.08億m3。泄洪期間大壩下游霧化嚴(yán)重，6個(gè)中孔泄洪時(shí)，挑出的水流互相碰撞所產(chǎn)生的霧化達(dá)到高程1 135 m，并從壩下游一直延伸至中灘溝。

1998年汛期泄洪是二灘大壩在還沒有完全建成情況下的首次泄洪，當(dāng)年庫水位最高達(dá)到1 182.26 m高程。汛后檢查發(fā)現(xiàn)，水墊塘二道壩至左右兩岸導(dǎo)流洞出口段河岸被嚴(yán)重沖刷，左岸12號(hào)公路下形成開口10～12 m、深7～8 m的貫通性大空洞，導(dǎo)致混凝土邊墻及路面混凝土最終斷裂、沉陷，較長(zhǎng)時(shí)間中斷了通往水墊塘左岸的12號(hào)公路的通行。右岸，從9號(hào)公路下到二道壩壩肩的斜坡道，由于受河道水流及來自1 032 m高程馬道跌水水流的沖刷，混凝土路面下的回填石碴被淘空，路面板被掀翻，斜坡路亦較長(zhǎng)時(shí)間斷道。布置在9號(hào)公路內(nèi)側(cè)的右岸4條永久供水鋼管基礎(chǔ)被淘，在橫向水流作用下已嚴(yán)重彎曲變形，影響到12號(hào)和9號(hào)公路的運(yùn)行安全。處在壩身泄洪霧化影響區(qū)內(nèi)的中灘溝和中灘支溝，受泄洪霧化水流及降雨的影響，中灘溝發(fā)生了約8 000～9 000 m3的泥石流，泥石流沖斷了通往高位水池的輸水管道和低位水池的進(jìn)出水管，部分泥石堆積在12號(hào)公路上，阻斷了去水墊塘左岸及深井泵房的通道；中灘支溝下部，12號(hào)公路內(nèi)側(cè)邊坡由于雨霧浸泡而變軟造成局部坍塌，影響到低位水池的穩(wěn)定。

水墊塘兩岸1 032 m高程馬道靠山側(cè)的排水溝遭局部破壞，積水經(jīng)破壞部位進(jìn)入底部回填料，滲往水墊塘廊道。同時(shí)，兩岸1 032 m高程馬道路面混凝土施工縫未設(shè)置止水，1 032 m高程以上的各層馬道未用混凝土進(jìn)行封閉，也都成為了滲漏通道。大壩中孔泄洪時(shí)，雨霧彌漫中的邊坡及馬道水經(jīng)巖石裂隙滲流到水墊塘底板下的排水廊道和暗溝內(nèi)，由于水墊塘深井泵的抽排量當(dāng)時(shí)有限，致使水墊塘廊道被淹。

位于14號(hào)和29號(hào)壩段1 040 m高程壩后平臺(tái)上的水墊塘左右岸通氣廊道出口，盡管洞口底板比1 040 m高程大壩貼角平臺(tái)高20 cm，中孔泄洪時(shí)，不但貼角上的水流和雨霧進(jìn)入通氣廊道，而且水流挾帶著大量泥沙經(jīng)過通氣廊道進(jìn)入了水墊塘廊道，堵塞了廊道底板上的280個(gè)排水孔，對(duì)水墊塘底板和基礎(chǔ)的滲流穩(wěn)定產(chǎn)生了不利影響。

大量的泥石流涌入水墊塘，對(duì)水墊塘造成了一定的破壞，汛后水墊塘抽干檢查發(fā)現(xiàn)，水墊塘底部存在大量的鋼管、鋼筋、廢混凝土塊、石塊、沙等，估計(jì)總量超過100 t。底板存在不同程度磨損，有的露出石子，有的露出鋼筋，樁號(hào)0+150～0+250的4 000 m2范圍內(nèi)被磨損得比較嚴(yán)重，平均磨損約27.225 mm，最深的達(dá)88 mm，整個(gè)水墊塘加權(quán)平均磨損20.67 mm。1999年汛前完成了上述影響破壞區(qū)域的修復(fù)。

1999年，二灘電站汛期正常泄洪運(yùn)行。當(dāng)年9～12月，公司組織對(duì)二灘水電站泄洪霧化開展了較系統(tǒng)的原型觀測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)包括了壩身泄洪及泄洪洞泄洪等多種工況，試驗(yàn)水位為設(shè)計(jì)庫水位1 200 m高程。試驗(yàn)分中孔、表孔單獨(dú)泄洪，中表孔聯(lián)合泄洪等各種設(shè)計(jì)工況。本次泄洪霧化試驗(yàn)觀測(cè)到，霧化區(qū)的范圍及霧化對(duì)兩岸邊坡影響的強(qiáng)度更加增大，較濃烈的霧化高程達(dá)到1 190 m以上，并從壩后一直延伸到1號(hào)尾水洞出口。壩身原型觀測(cè)泄洪試驗(yàn)時(shí)，1、2、6、7表孔和1、2、5、6中孔聯(lián)合泄洪（約7 700 m3/s）霧化影響范圍最大（見圖2），壩后約700 m范圍內(nèi)的邊坡及附屬建筑物遭到了損壞，主要表現(xiàn)在開口線以上未支護(hù)的自然邊坡受侵?jǐn)_而出現(xiàn)多處坍塌，滑落體大部分是開挖線以上的表層覆蓋物（泥土、碎石、塊石及大孤石），大量滾落的石塊使開挖線以下已經(jīng)支護(hù)過的邊坡、馬道和馬道上的建筑物遭到了不同程度的毀壞，滯積的泥石流堵塞了邊坡交通梯道和各級(jí)馬道［2］。

泄洪過程中，泄洪霧化在壩后1 040馬道和1 091馬道形成很深的霧化水流，水流經(jīng)該部位壩后支廊道洞口涌進(jìn)壩體。由于水量太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大壩滲漏集水井三臺(tái)300JC/s210-10.5×8型深井泵抽排能力，導(dǎo)致980.25 m集水廊道水位高達(dá)987.50 m。經(jīng)檢查，980.25 m廊道內(nèi)3臺(tái)MCU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量單元、3臺(tái)垂線坐標(biāo)儀、2套靜力水準(zhǔn)儀、2支堰流計(jì)、2臺(tái)強(qiáng)震儀被損壞。

圖2 二灘水電站1、2、6、7表孔和1、2、5、6中孔聯(lián)合泄洪霧化范圍示意圖Fig.2 Scope of rain and fog caused by joint flood discharge of surface holes No.1,2,6,7 and middle holes No.1,2,5,6 at Ertan hydropower station

原型觀測(cè)試驗(yàn)表明，泄洪霧化較原設(shè)計(jì)嚴(yán)重，大壩（0+35）至三灘溝一帶（0+2 500 m），長(zhǎng)約2 500 m的兩岸邊坡均處于泄洪霧化范圍。在各種工況下，水墊塘兩岸山坡雨強(qiáng)縱向在水舌落點(diǎn)處最大，朝上、下游方向逐漸減??；橫向，雨強(qiáng)隨地面高程的增高而明顯降低，靠近水舌入水處雨強(qiáng)甚大；兩岸馬道均形成了地面徑流，在護(hù)坡頂端的馬道（左岸高程為1 115 m，右岸高程為1 110.4 m），多數(shù)測(cè)點(diǎn)的雨強(qiáng)仍超過100 mm/h，屬特大暴雨區(qū)，部分測(cè)點(diǎn)則屬于大暴雨區(qū)。

1號(hào)、2號(hào)泄洪洞泄洪霧化中心出現(xiàn)在左岸，原型觀測(cè)試驗(yàn)期間，聯(lián)合泄洪時(shí)各自形成兩個(gè)“降雨”中心，其位置和雨強(qiáng)與分別泄洪相似，從上游樁號(hào)0+780 m至下游樁號(hào)0+2500 m均為薄霧區(qū)，左岸霧化范圍高程達(dá)1 280 m，右岸達(dá)1 120 m。1號(hào)泄洪洞霧化區(qū)泄洪期間局部陡傾節(jié)理發(fā)生小規(guī)模塌滑。2號(hào)泄洪洞泄洪霧化區(qū)因回流沖刷和濃霧暴雨的面蝕作用致使該霧化區(qū)遭到較嚴(yán)重破壞，致使該處公路中斷。

4 下游護(hù)岸防護(hù)措施的改進(jìn)

經(jīng)過1998和1999年的泄洪霧化考驗(yàn)，雖然總體上水墊塘、二道壩及其護(hù)坦?jié)M足了設(shè)計(jì)預(yù)想的要求，但一些缺陷和隱患的暴露說明，二灘的泄洪區(qū)劃已經(jīng)超出了模擬、分析所確定的泄洪霧化范圍，對(duì)泄洪霧化的認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步深化。為了減少泄洪霧化的影響和降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)拱壩下游兩岸護(hù)坡和泄洪洞出口下游兩岸的防護(hù)工程做了進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

4.1 表、中孔泄洪消能的水墊塘消能區(qū)

（1）清除左岸低位水池、消防水池后坡及其下游側(cè)坡頂、調(diào)壓室交通洞洞臉楔形塌滑體的部分已塌滑土石和松散土體，對(duì)松弛或拉裂巖塊設(shè)置隨機(jī)砂漿錨桿，掛網(wǎng)、噴混凝土、設(shè)排水孔；

（2）加固左岸2號(hào)尾水渠右導(dǎo)墻并與上游岸坡混凝土墻銜接；

（3）清除右岸1 115.0 m高程至纜機(jī)平臺(tái)以下自然坡的浮石、危石及殘留的塌滑松散體，修復(fù)并完善1 190.0 m以下掛網(wǎng)、噴混凝土、錨桿及排水孔；

（4）右岸1 032.0 m高程公路邊坡設(shè)置5～8 m高的貼坡式混凝土擋墻并噴錨至1 060.0 m高程；

（5）兩岸1 032.0 m高程公路外側(cè)擋墻設(shè)置排水缺口，以便及時(shí)排除泄洪時(shí)1 032.0 m高程公路的積水。

4.2 泄洪洞挑流消能的下游河床消能區(qū)

（1）左岸下偏巖子隧洞出口至三灘溝溝口上游側(cè)岸坡出露玄武巖、頁巖、紫紅色粘土巖、砂巖和粉質(zhì)砂巖，屬重點(diǎn)保護(hù)區(qū)。該段的上游部分，高程1 030.0～1 010.0 m（齒槽至1 007.0 m高程）采用重力式混凝土擋墻，1 030.0 m高程以上為1.0 m厚的漿砌塊石護(hù)坡，混凝土擋墻段還設(shè)置錨桿和部分錨索，所有護(hù)坡設(shè)置排水孔；

（2）左岸三灘溝溝口設(shè)置泄水建筑物，泄水建筑物由泄水明渠和泄水陡槽組成；陡槽段采用臺(tái)階消能方式，明渠從3號(hào)過木平橋孔下穿過，可與三灘溝排水建筑物相接；

（3）左岸三灘溝溝口下游至過木機(jī)道滑槽出口岸坡下覆基巖埋藏深度變化較大（約1 005.0～980.0 m高程），只能將部分地段的混凝土護(hù)坡放在基巖上，1 015.0 m高程以上采用漿砌塊石；

（4）右岸2號(hào)泄洪洞出口風(fēng)化及卸荷強(qiáng)烈區(qū)域，采用錨噴混凝土保護(hù)，噴層厚10 cm；

（5）右岸2號(hào)泄洪洞出口下游約140 m為厚層砂巖夾碳質(zhì)粉砂巖，巖體弱偏強(qiáng)風(fēng)化，完整性較好，是右岸的護(hù)岸重點(diǎn)區(qū)；采用混凝土與漿砌石結(jié)合的護(hù)岸型式。1 025.0 m高程以下為1.2 m厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以上至1 040 m高程為0.8 m厚的漿砌塊石襯砌；均設(shè)排水孔，基巖設(shè)錨桿；

（6）右岸2號(hào)泄洪洞出口基巖段下游還保護(hù)了約200 m長(zhǎng)的軟基段。主要采用漿砌塊石和掛網(wǎng)噴混凝土兩種護(hù)岸型式，坡腳用拋石保護(hù)，以防沖刷。

4.3 其他改進(jìn)

（1）對(duì)1 040.25 m交通廊道通往壩后的支廊道進(jìn)行了封堵，對(duì)1 091.25 m下檢查廊道通往壩后的支廊道出口進(jìn)行了加高，加高高度為1.1 m。

（2）對(duì)位于14號(hào)和29號(hào)壩段1 040 m高程壩后平臺(tái)上的水墊塘左右岸通氣廊道出口進(jìn)行了封堵。

（3）對(duì)所有的馬道采用混凝土襯砌，堵塞滲漏通道。

5 運(yùn)行泄洪霧化區(qū)域邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2000年汛前，二灘下游霧化區(qū)二期防護(hù)工程結(jié)束。經(jīng)過十多個(gè)汛期的運(yùn)行，除局部發(fā)生小的落石和小的坍塌，未出現(xiàn)影響邊坡安全運(yùn)行的情況，這證明了經(jīng)過改進(jìn)的泄洪霧化區(qū)域防護(hù)是合理的，可以保證霧化區(qū)邊坡的安全和正常運(yùn)行。

圖3 水墊塘右岸邊坡防護(hù)圖Fig.3 Protection of the right bank of cushion pool

圖4 水墊塘左岸邊坡防護(hù)圖Fig.4 Protection of the left bank of cushion pool

6 結(jié) 語

總結(jié)二灘泄洪霧化引起的邊坡破壞，主要有以下幾種類型：①泄洪霧化降雨對(duì)自然邊坡的沖刷，造成孤石、懸石失穩(wěn)滾落，由此又造成滾石砸壞下部工程邊坡或管道。②泄洪霧化水流造成邊坡局部覆蓋層或堆積體迅速下滑，形成泥石流，又對(duì)下部建筑物和設(shè)施造成損壞。③霧化水流造成局部松弛卸荷巖體失穩(wěn)坍塌。④泄洪霧化導(dǎo)致河水紊流，造成岸坡淘刷、坍塌破壞。⑤霧化水流從壩后通道或滲漏通道進(jìn)入，造成大壩廊道和水墊塘廊道被淹等等。經(jīng)過霧化防護(hù)改進(jìn)后，以上問題基本得到解決。

由此可以得出以下幾方面的認(rèn)識(shí)：對(duì)于泄洪霧化區(qū)的孤危石，一定要在蓄水前的施工期就進(jìn)行全面清理，一旦所在邊坡下部的建筑物建成或邊坡支護(hù)完成，再清理不僅難度大、風(fēng)險(xiǎn)也非常大，容易造成下部建筑物或防護(hù)邊坡的損傷。如果不進(jìn)行處理，就會(huì)造成泄洪期間失穩(wěn)，引起破壞，同時(shí)，這些孤危石一旦失穩(wěn)進(jìn)入水墊塘，在高速水流的帶動(dòng)下，對(duì)水墊塘的防護(hù)面板將造成損傷，可能會(huì)引發(fā)更大的破壞和風(fēng)險(xiǎn)。

由于對(duì)泄洪霧化還很難定量地進(jìn)行描述，因此，泄洪霧化范圍的確定還需要更多的實(shí)踐來驗(yàn)證。從二灘的實(shí)例來看，實(shí)際霧化范圍比模型試驗(yàn)確定的范圍要大，因此最初的防護(hù)設(shè)計(jì)略顯不足，通過最初的兩個(gè)汛期的檢驗(yàn)，及時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過十幾年的運(yùn)行，證明了改進(jìn)后的防護(hù)范圍基本滿足了泄洪霧化防護(hù)的需要，也進(jìn)一步證明了二灘泄洪霧化區(qū)采取的防護(hù)形式是有效的。這種成功的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他類似工程的霧化防護(hù)有非常重要的借鑒意義。

[1]楊智鴻，王愈.泄洪霧化研究綜述[J].中國(guó)水運(yùn)，2008，（7）.

[2]蘇建明，李浩然.二灘水電站泄洪霧化對(duì)下游邊坡的影響[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002，（2）.