第５期总第１７７期 浙江水利科技 Ｎｏ．５ Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１７７ ２０１１年９月 Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１１ 城南水电站闸下水毁修复设计与试验研究 周文妍’，鲍倩。 （１．浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州 ３１００２０； ２．浙江省水利河口研究院，浙江杭州３１００２０） 摘要：城南水电站位于攀枝花市米易县境内的安宁河上，工程建成运行几年后，闸下护坦、海漫以及防 冲槽等全部被毁坏，消力池底板以下被淘空。结合该工程闸下消力池布置的设计，通过多方案的比较和水工模 型试验验证，提出降低护坦高程以形成二级消力池，从而缩短海漫和护坦长度的方案。 关键词：泄洪闸；消力池；消能；护坦 中图分类号：３３／６５３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８．７０１Ｘ（２０１１）ｏ５．ＯＯ２８．０４ １工程概况 城南水电站位于攀枝花市米易县境内的安宁河上，坝 址上距米易县城Ｏ．８ ｋｍ，下距攀枝花市７８ ｋｍ。电站装机容 量２ｘ ８．５ ＭＷ，水库正常蓄水位１ ０７９．５ ｍ，相应库容１３０ 万Ｉｎ３，工程任务为发电和旅游，无供水、防洪等其它综合 利用要求。根据ＧＢ ５０２０１－－－９４《防洪标准》和ＳＬ ２５２－－２￣１００ 《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，该电站为Ⅳ等 小（１）型工程。永久性主要建筑物按４级设计，次要及Ｉ临 时性建筑物按５级设计。挡水、泄水建筑物及河床式发电 厂房均采用相同的洪水标准，以３０ ａ一遇洪水设计，１００ ａ 图１工程平面布置图 一遇洪水校核，相应的洪峰流量分别为３ ３６０，４ ０６０皿】３／ｓ。 泄洪闸位于左岸主河道，宽１６３ ｍ，布置１３孔。孔口 净宽１０ ｍ，中墩厚２．０ ｉｎ，缝墩厚２×１．５ １１１，闸室每２孔设 ２水毁情况 一分缝，故每段宽２５ ｍ；闸室段长２２ ｍ，上游侧设置１２ ｍ 工程建成运行几年后，设消力池的４孔泄洪闸段，消 宽的交通桥，闸门布设于闸室下游侧；闸室设平板工作闸 力池以下护坦、海漫及防冲槽等全部被毁坏，消力池底板 门和平板检修闸门各１道。闸底板顶高程１ ０７２．５０ ｍ，底板 以下被淘空，最大冲深１１．００ １＇１１，至高程１ ０６１．０ ｍ左右； 底高程１ ０７０．５０ｍ，板厚２ｍ，最大闸高８．５ｍ，闸前混凝土 防渗铺盖长５．５ ｍ，下设全封闭厚０．６ ｎｌ的混凝土垂直防渗 不设消力池的其它闸段，护坦下游建筑物全部被冲毁，现 有消力池、护坦段混凝土已存在开裂沉降等破坏现象。 墙；闸后设１５ ｍ长的混凝土护坦（其中７—１Ｏ号闸后设消 力池，池长１５ ｍ，池深１ ｍ），在其末端设混凝土齿墙，后 ３修复方案设计及方案比较 接２２ ｍ长的海漫，海漫采用钢筋混凝土网格石笼与铅丝石 笼相结合的方式，钢筋混凝土网格石笼厚０．６ ｍ，长１３．６ 根据水毁工程现场情况，结合水工模型试验提出３个 ｍ，铅丝石笼长为４．４ １３０＿，海漫末端设大块石齿墙，齿墙深 修复方案，各方案的工程结构设计及水工模型试验结果 ４ ｍ０ 如下： 冲沙闸紧靠电站进水口左侧即泄洪闸的右侧布置，宽 ３．１修复方案１ １３ ｍ，设１孔，孔口净宽１０ ｍ，２边墩厚１．５ ｍ。闸底板顶 ３．１．１工程布置及结构设计 高程１ ０７２ ｍ，底板底高程ｌ ０７０ ｎｌ，最大闸高９ １１１＂，闸后设 维持原布置不变，消力池段０＋０３４．５０～０＋０３７．００／ｎ １５ １１１＿长的混凝土消力池，池深０．５ ｍ，其余同泄洪闸。工程 范围内设混凝土齿槽，齿槽采用１：１的斜坡开挖至１ ０６８．５ 平面布置见图１。 ｍ，槽底宽５０ ｃｎｌ。全段底板采用Ｃ２０钢筋混凝土浇筑，内 设有ＰＶＣ排水管（孔径１５ ｃｍ，间距２．０ ｍ，梅花型排列）， 底板下设置１０ ｅｍ厚的Ｃ１０混凝土垫层。根据水毁情况采用 收稿日期：２０１１－０３．１９ 环氧砂浆对消力池及其两侧的护坦底板裂缝进行修补，并 作者简介：周文妍（１９７８一），女，工程师，大学本科，主要 对底板基础淘空处采用Ｃ１５混凝土进行充填。 从事水利水电工程设计工作。 因０＋０３７．００ ｍ下游已完全被洪水毁坏，因此设计采用 ・２８・ 总第１７７期・浙江水利科技・２０１１年第５期 ３５ ｍ长的海漫，海漫末端设１７ ｍ的防冲槽。海漫采用１：５０ １ Ｉｎ。防冲槽内回填直径８０～１００ ｅｍ的大块石，回填总方量 的坡度，起点高程１ ０７２．５ ｍ，终点高程１ ０７１＿８ ｍ；海漫段 为１．１万Ｉｎ３，总投资约１００万元。海漫与防冲槽的混凝土 底板厚１ ｉｎ，采用Ｃ２０钢筋混凝土浇筑，前端设有混凝土齿 底板下均设置１层１０锄厚的ＣＩＯ混凝土垫层，基础冲毁处 槽，槽深２ ｍ，槽底宽５０ ｅｍ，坡度１：１。海漫末端０＋ 采用１０≥２．２ ｇ／ｅｍ￣，相对密度ｄ≥Ｏ．７５的砂卵石碾压回填至 ０７２．Ｏ０ ０＋０８４．Ｏ０ ｍ防冲槽底部为混凝土底板，底板厚 底板底高程。修复方案１的消力池段工程剖面布置见图２。 黼：目十 ＆： 鼢ｍ． 号为ｋｍ＋ｍ，募素鸢者ｃｍ ｒ≥２．２ ｇ３／ｃｍ，Ｉ 鼬＞ｏ．７５ 图２修复方案１工程布置剖面图 ３．１．２水工模型试验成果 ３．２修复方案２ 试验表明一级消力池池深不够，且池长不足，当闸门 ３．２．１工程布置及结构设计 开度＞１ ｍ时，水流出闸后在消力池内均形成远驱水跃，在 泄洪闸的不设消力池段结构布置同修复方案１。 坎上呈现挑流状态，砸击护坦，消力坎后水流不稳定，水 对７一ｌ０号孔闸下消力池进行改造：改造后的消力池 面波动剧烈。 池长２８．０ ｍ，池深２ ｍ，上游侧采用１：４．０的斜坡（水平段 为了观测消力池后护坦末端河床的冲刷情况，验证修 长８ Ｉｎ）与５０锄长的平段衔接，其顶高程１ ０７２．５ ｍ；中游 复方案１的消能效果，进行了局部动床冲刷试验。动床范 为１９ ｍ长的水平段，底板顶高程１ ０７０．５ ｍ；下游侧为消力 围为海漫末端０＋０７２．Ｏ０～０＋１７０．Ｏ０ ｍ。河道底高程为 池尾坎，尾坎高程１ ０７２．５ ｍ，坎厚５０ ｅｍ。消力池段０＋ １ ０７０．５０ ｍ，消力池至海漫段按不可冲的刚性材料考虑，动 ０２２．Ｏ０—０＋０４７．５０ ｍ的底板底高程为１ ０６９．５ ｍ，０＋０４７．５０ 床冲刷区内桩号０＋０７２．Ｏ０～０＋０８９．Ｏ０ ｍ断面按设计要求 ～０＋０５０．Ｏ０ ｍ范围设混凝土齿槽，齿槽采用１：１的斜坡开 回填大块石（用３～４ ｅｍ的碎石模拟）。 挖至１ ０６７．５ ｍ，槽底宽５０锄。全段底板采用Ｃ２０钢筋混凝 泄洪闸分别开启１．０，２．０，３．０ ｍ的１个冲刷试验周期 土浇筑。桩号０＋０５０．Ｏ０ ｍ后接钢筋混凝土护坦，护坦总长 后（约合原型７．５ ｈ），防冲槽内的大块石已基本被冲光， ２８ Ｉｌｌ，从０＋０５０．Ｏ０～０＋０５０．５０ ｍ段底板厚２ ｍ，顶高程 防冲槽末端冲刷坑最深点位于０＋０８８．Ｏ０ ｍ附近，最深点高 １ ０７２．５ ｍ，其后以１：４的斜坡（水平段长１６ ｍ）将护坦顶高 程约１ ０６３．８ ｍ。此时防冲槽末端０＋０８４．Ｏ０ｍ断面处最低点 程降至１ ０６８．５ ｍ，再接ｌ１．５ ｍ长的水平段至０＋０７８．Ｏ０ ｍ 冲刷至约１ ０６５．３ ｍ，混凝土齿槽末端已经被水流淘空。因 处；护坦底板厚１ ｍ，采用Ｃ２０钢筋混凝土浇筑，末端设有 此，该方案有待改进。混凝土齿槽末端冲刷后地形见图２。 垂直混凝土齿墙，齿墙深６．５ ｍ，墙底高程为１０６２．Ｏ０ Ｉｌ＇ｌ。 消力池及护坦底板内设有ＰＶＣ排水管（孔径１５ ｃｍ，间距 ２．０ ｍ，梅花型排列，末端包无纺布），底板下设置１０ ｅｉｌｌ厚 的ＣＩＯ混凝土垫层。修复方案２的消力池段工程剖面布置 见图３。 图２修复方案１冲刷７．５ ｈ后冲刷坑形态图 ・２９・ 总第１７７期・浙江水利科技・２０１ １年第５期 啊：目¨｛ｌ：＾釉ｍ。＃锄ｋｍ＋ｍ， 女舶ｃｍ 。 一 ～～、一 ＰＶｃ捧水管（孔径１ Ｏ ｃｍ） ～— 、～一… …… 间巨２．Ｏ ｔ，梅花形捧列） ， ｆ ， … … 一… … ． … ６ ５０ ！ 显ｊ薹±垫星星１９ ｃ－ 克填ｃ１。混凝土 目壤ｌ蒙 ！笾！ ． ’。；ｔ ： 一，… ０￣、 — …一～ 盥 、 ｓ Ｑ５２。 、 ： 图３修复方案２工程布置剖面图 ３．２．２水工模型试验成果 ３．３．１工程布置及结构设计 当闸门开度１．０ ｉｎ时，一级池内水跃不是很稳定，水 桩号０＋０３７ ｍ以前均保持现状，其结构修补方案同修 流左右摆动，在右侧形成狭长的回流区。其原因主要是流 量小，池内水深大，并且左右闸墩厚度不均。当闸门开度 ／ ＬⅢ 恤 复方案ｌ。桩号０＋０３７．Ｏ０ ｍ后接钢筋混凝土护坦，护坦总 长５３ ｍ，顶高程１ ０７２．５／ｎ，从０＋０３７．Ｏ０—０＋０３７．５０ ｍ底 ＞１．０ Ｉｎ时，一级消力池内形成完整和稳定的水跃，略呈淹 板厚２ ｍ，其后以１：４的斜坡（水平段长１６ １１１）将护坦顶高 没，护坦下游断面上泥沙起动，河床开始受到冲刷。水流 程降至１ ０６８．５ ｍ，再接３６．５ ｎｌ长的水平段至０＋０９０．Ｏ０ ｎｌ。 过坎后在下游护坦段内形成水跃，跃后水流平稳，消能 护坦底板厚１ ｎｌ，采用Ｃ２０钢筋混凝土浇筑，末端设有垂直 充分。 混凝土齿墙，齿墙深６．５ Ｉｌｌ，墙底高程为１ ０６２．Ｏ０ ｍ。消力 泄洪闸分别开启１．０，２．０，３．０，４．０ ｍ的１个冲刷试验 池及护坦底板内设有ＰＶＣ排水管（孔径１５ ｃｍ，间距２．０ｍ， 周期后，护坦下游最大冲深点位于桩号Ｏ＋０８６．７５ ｍ处，最 梅花型排列，末端包无纺布），底板下设置１０ ｃｍ厚的ＣＩＯ 深点高程约为１ ０６５．２ ｍ。 混凝土垫层。修复方案３消力池段工程剖面布置见图４。 ３．３修复方案３ Ｉ Ｉ高囊 ： Ｐｖｃ排水管（孔径１０ ｃｍ 间臣２．０ ｎ，梅花形捧列） ｒ≯２．２ ｇ３／ｃｍ．Ｉ 宣童＞０．７／ ５ ／ 图４修复方案３工程布置剖面图 ３．３．２水工模型试验成果 产生水跃，跃首位于０＋０４５．２０ ｍ断面，跃尾位于Ｏ＋ 总体来看，各工况水流流态比较相似，水流出闸后为 ０５５．５０ｍ断面；０＋０８０．Ｏ０ ｍ断面流速分布较均匀。当闸门 急流，呈远驱水跃，消能任务落到一级池后的护坦上。虽 开度２．０ ｍ时，水流出闸后为急流，在护坦段内产生水跃， 然水流过挑坎后在护坦段内形成二次水跃消能，但是二级 跃首位于Ｏ＋０５３．７０ ｍ断面，且两侧主流压缩各ｌ，２孔；护 池内的水流流态同修复方案２相比，流速较大，消能效果 坦段内水跃跃尾位于０＋０６２．５０ ｍ断面。此时护坦下游地形 略差。闸门各开度时泄流情况如下： 最大冲深点高程约１ ０６５．３ ｍ。当闸门开度３．０ ｍ时，水流 当闸门开度１．０ ｍ时，水流在一级池内产生水跃，跃 在下游护坦段内跃首位于０＋０５８．３０ｍ断面，跃尾位于０＋ 首位于０＋０３１．１０ ｍ断面，水流过一级池后在下游护坦段内 ０６４．６０ｍ断面；护坦末端０＋０９０．Ｏ０ ｍ处主流宽约３８．５０ ｍ， ・３Ｏ・ 总第１７７期・浙江水利科技・２０１１年第５期 以及护坦底板。 此时护坦下游最大冲深点高程约１ ０６４．７ ｍ。当闸门开度 ４．０ ｍ时，水流在下游护坦段内跃首位于０＋０５８．３０ ｍ断面， 主流压缩至３３．２５ ｍ；护坦段内水跃跃尾位于０＋０６５．３０ ＩＴＩ 断面。 通过理论计算和水工模型试验，比较了３个修复方案， 结合工程现场施工难度，最后推荐维持一级池不变同时降 低护坦高程，形成二次水跃的消能方式（方案３），并建议 海漫末端进行垂直防护，以减轻河道冲刷，确保护坦和海 漫的安全。另外，为了确保工程安全运行，应制定合适的 闸门调度原则：尽量利用设置消力池的４孔泄洪闸多泄洪， 经过１个冲刷试验周期后，护坦下游最大冲深点位于０ ＋１ｌ８．Ｏ０ ｍ附近，最深点高程约１ ０６３．０ ｍ，相比修复方案２ 冲刷略严重。但是由于修复方案３与修复方案２相比节省 大量工程投资，若拆除水毁的消力池、护坦及消力池两侧 在满足下游河道安全的前提下，再利用其余闸孔泄洪。成 的导墙，在工程实施过程中不仅存在较大的施工难度，而 果对类似工程具有参考价值。 且将危及泄洪闸主体工程安全。经综合考虑后最终推荐采 用修复方案３，即保留现有的一级池布置，降低护坦段高程 参考文献ｉ 进行消能的方案。 ［１］鲍倩，包中进．城南水电站消能防冲修复水工模型试验研究报 告［Ｒ］．杭州：浙江省水利河口研究院，２０１０． ４结语 ［２］孙江南．葛洲坝大江电厂尾水护担冲抗成因及修复设计［ｊ］． 人民长江，１９９９（３０）：２１—２２． 经水工模型试验验证，工程水毁的主要原因是由于现 ［３］李炜．水利计算手册［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社， 状一级消力池池深不够且池长不足，导致出闸水流消能不 ２０ｏ６． 充分。当闸门开度＞ｌ ｍ时，水流出闸后在消力池尾坎上呈 ［４］水利水电科学研究院．水工模型试验［Ｍ］．２版．北京：水利 现挑流状态，砸击护坦；且消力坎后水流不稳定，水面波 电力出版社。１９８５． 动剧烈，对下游河道地形产生严重冲刷，进而淘刷消力池 （责任编辑郎忘忧） （上接第仃页） 段的实际进行了详细地计算分析和实践应用。分析得出， ４．４保障性分析 运河引配水量需求与入河污水量、水质状况以及钱塘江水 虽然钱塘江水资源总量丰富，水资源保障能力较强， 质状况密切相关，同时也受到钱塘江可利用水量的。 但随着流域用水需求的不断增长，用水矛盾已经凸显，即 运河要实现水环境功能区目标要求，必须进一步加大引配 将投入运行的浙东引水以及将要实施的浙北引水工程建成 水量，计算得出了２００９，２０２０年引配水的目标需求量，为 后供求矛盾将更加突出。２００９年杭州市区总供水量３９亿 引配水工作的开展指明了方向。引配水需要大量的优质水 刀ｎ３，目前钱塘江河口多年平均径流量３４７亿ｍ３，可利用水 资源，钱塘江流域随着各地水资源开发利用程度的加大， 量（径流量２ｏ％）６９亿ｍ３，枯水期钱塘江河口水资源量为 水资源保障能力不断下降，引配水作为生态环境用水的形 ２１６亿 ，可利用水量仅５４亿ｍ３（径流量２５％）№］，因此 式之一，优先程度不高，用水量必将受到。因此，按 即使运河从钱塘江引配水的设施能力进一步加强，所需要 照“多管齐下、综合治理”的要求，努力推进运河水环境 的水资源保障能力依然有限，在满足工、农业以及生活用 的改善和提高，实现资源利用和环境改善效益的最大化。 水后，无法提供足量的水资源用于引配水。本文仅从水量 参考文献： 角度分析了运河引配水对于水资源的需求，而未充分考虑 运河水系河道水域的蓄水能力、水位变化、通航等因 ［１］阮仁良．平原河网地区水资源调度改善水质的理论与实践 素，这些因素也可能造成引配水量的。从以上分析可 ［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２Ｏ０６． 见，运河杭州段通过引配水一定程度上可以有效改善水环 ［２］谢法权．杭州市陆地水域调查汇总报告［Ｒ］．杭州：杭州市水 境，但单一的引配水措施无法全部满足运河水质达到功能 文水资源监测总站，２００８． 区目标，必须同步加强污水治理，减少污水排人运河量， ［３］陈珊萍．２００９年杭州市环境统计年鉴［Ｒ］．杭州：杭州市环境 从而提高引配水的实施成效。 保护局。２０１０． ［４］鲍跃鹏．２００９年杭州市水资源公报［Ｒ］．杭州：杭州市林业水 ５结语 利局，２ｏｌ０． ［５］俞建军．浙江省水功能区水环境功能区划分方案［Ｒ］．杭州： 运河杭州段引配水工作开展１０ ａ来，水环境改善成效 浙江省水利厅，浙江省环保局，２００４． 十分明显，但对于水量的具体需求仍然不够清晰。本文从 ［６］刘光裕．钱塘江河口水资源配置规划报告［Ｒ］．杭州：浙江省 引配水改善水环境的主要机理即稀释作用人手，提出了引 水文勘测局，２０ ． 配水量与水质改善关系的基本计算方法，并结合运河杭州 （责任编辑屠福河） ・ ３ｌ ・
