城东电站消力池下游冲坑治理设计

王会杰1，徐,建2

1. 四川水发勘测设计研究院有限公司，四川 成都  610072
2. 四川水利规划研究院，四川 成都  610072.

摘要：城东电站经过20年运行，消力池下游河床因水流掏刷形成深约14m的大坑。为防止冲坑进一步向上游发展而危及消力池安全，结合冲坑的位置、水文及地质条件，依照结构简单、施工方便、投资节约的原则，进行消力池下游冲坑治理设计。冲坑治理完工至今，已经历了3年汛期洪水考验，可为类似工程修复设计提供借鉴。

关键词：冲坑治理；消力池；工程应用；设计方案

中图分类号：TV22文献标识符：B

1工程概况

位于四川洪雅县境内的岷江水系右岸二级支流青衣江上的城东电站，属河床式电站，总装机容量84MW（3×28MW）。枢纽建筑物在坝轴线上，由左至右先后有左岸非溢流坝、左岸储门槽、河床式厂房、3孔冲沙闸、17孔泄洪闸、右岸储门槽和非溢流坝、右岸副坝，该电站闸坝总长586.4m。冲沙闸、泄洪闸每孔宽度为12m，最大闸高27.5m。泄洪闸设计为底流消能，下游设有消力池，消力池后接18m护坦。为便于推移质冲出水库，冲沙闸护坦底高程从437.00m降至434.60m，形成斜坡式护坦，与下游河道衔接，护坦末端齿槽置于高程426.40m的泥岩、粉砂质泥岩基础上。

城东电站工程于2000年运行发电，至2019年汛前检查，下游河床常年经受青衣江洪水冲刷，冲砂闸、泄洪闸护坦下游侧河床发生不同程度冲刷破坏，消力池下游从左侧护坡一直延伸至右岸护坡，底部河床与混凝土连接部位破坏严重，护坦末端向上游淘空，混凝土处于悬空状态，底部有大量的卵石及块石堆积。最大冲坑位于11#~13#泄洪闸下游，最深处高程约420.0m，相应泄洪闸护坦高程约434.40m，冲坑深14.40m，护坦末端齿槽基础临空高度约8m。

若不及时对护坦基础悬空段回填和封闭，水流将继续向上游掏刷护坦基础，护坦悬空段将加剧发展，造成护坦坍塌并危及消力池的安全。

根据环境部门要求，本冲坑治理工程施工过程中，需保证下游河段生态流量20m3/s在时间和空间上保持不能间断，为此城东电站局部开启闸门下泄生态流量，故消力池下游一直处于有水状态，大幅降水较困难。护坦末端已悬空，施工机械置于护坦末端施工，有安全风险。

2冲坑形成原因分析

青衣江河床、漫滩、心滩为砂卵砾石层，原厚度为5~19m（根据《城东电站设计总结报告》），由于最近几年闸坝下游500m外采沙，导致下游河道底高程有所下降，河势较原设计发生变化，河道流速、流态等均发生重大改变，消力池水跃与下游河道水流不能平顺衔接，下泄水流消能不充分，对消力池下游形成掏刷。该段河段基岩为泥岩、粉砂质泥岩，抗冲流速较低，经过十几年掏刷，冲坑面积加大、深度加深。泄流过程中闸门控制有偏差，存在局部单宽流量大、流速大的现象，高速水流对河床造成冲刷。

3治理设计

3.1方案拟定

该治理工程施工期间需保证生态流量下泄量为20m3/s，结合冲坑的位置、水文、地质条件，及施工难易程度拟定四个方案如下。

方案一（护坦外设膜袋混凝土护底）采用厚80cm的C40膜袋混凝土，对护坦下游的河床冲坑进行封闭。该方案需先将下游河道水位降至432.00m，在护坦外侧回填混合料，在回填体及河床上铺设膜袋，长度为护坦后水平投影40m。拆除护坦末端5m混凝土后，把膜袋上游端4m长混凝土浇于C30护坦混凝土中，新旧混凝土通过锚筋连接，每板膜袋混凝土搭接50cm。

方案二（护坦外设钢筋混凝土灌注桩防护墙）采用φ1600C30钢筋混凝土灌注桩，于护坦外侧形成钢筋混凝土防护墙后，在护坦尾部钻孔，采用C30细石混凝土对护坦下部的孔洞进行回填。该方案需先将下游河道水位降至433.50m，采用混合料在护坦末端回填宽5m的施工平台，平台顶高程同护坦高程，在施工平台上游端布设灌注桩，灌注桩孔距为1.5m，分序施工，先施工一序孔后二序孔，根据二维平面有限元分析，确定平均灌注桩高度为16m。

方案三（护坦外设钢管混凝土灌注桩防护墙）采用φ1600 C25钢管混凝土灌注桩于护坦外侧形成钢管防护墙后，在护坦尾部钻孔，采用C30细石混凝土对护坦下部的孔洞进行回填，在冲坑底部40m范围内铺设一层混凝土四面体，保护消力池下游基础，防止水流掏刷。该方案需先将下游河道水位降至433.50m，施工机械置于护坦末端，对护坦外侧布设的钢管灌注桩进行施工，灌注桩孔距为1.65m，根据二维平面有限元分析，确定平均钢管灌注桩高度为16.6m。

方案四（护坦中部设钢筋混凝土灌注桩防护墙）采用φ1600C30钢筋混凝土灌注桩于护坦中部形成钢筋混凝土防护墙，在冲坑底部40m范围内铺设混凝土四面体，保护消力池下游基础，防止水流掏刷基础。该方案需先将下游河道水位降至433.50m，拆除灌注桩顶部3.6m×2m混凝土，施工机械置于护坦中部，在距离护坦末端5m位置布设灌注桩，灌注桩孔距为

1.5m，分序施工，先施工一序孔后二序孔，根据二维平面有限元分析，确定平均灌注桩高度为14m。

图1 不同治理方案示意

3.2方案比选

四种方案均能防止冲坑继续向上游扩大或掏刷护坦基础，对消力池起到防护作用。方案一为将膜袋混凝土与护坦基础连接，需拆除护坦下游端混凝土，把膜袋混凝土与原护坦混凝土通过锚筋连接，护坦下游端会因破除混凝土而发生断裂；为施工膜袋端头混凝土，施工期需降水至432m高程，降水较困难；膜袋铺装施工需潜水员水下协助，施工难度较大；在水下回填混合料，碾压困难，回填工程的密实度难以保证；回填体下沉后，膜袋混凝土将在护坦外发生断裂，耐久性难以保证。方案二为形成灌注桩施工的基础，在护坦外回填5m宽施工平台，所需回填料方量较大，约4.5万m3，且附近回填料匮乏，外购回填料造价较高；施工机械在新填筑的平台上钻孔浇筑灌注桩，存在施工安全风险。方案三不需要回填施工平台，但机械置于已悬空的护坦末端施工，有因护坦末端断裂而跌入河道的风险；在较深水域进行钢管桩施工，施工难度较大，钢管桩成墙的整体性难以保证。方案四不需要回填施工平台，大型机械置于护坦中部施工，安全有保证；灌注桩形成防护墙后，护坦外端的垮塌不会对消力池造成影响。

方案一静态总投资2852.30万元，方案二静态总投资3060.18万元，方案三静态总投资3397.81万元，方案四静态总投资2979.06万元。

通过对各方案的技术可靠性、施工安全性、经济合理性进行比较，确定方案四（护坦中部设钢筋混凝土灌注桩防护墙）为本治理工程的推荐方案。

4结论

城东电站消力池下游冲坑治理采用护坦内部设钢筋混凝土灌注桩防护墙的设计方案，结构可靠、经济可控、便于施工、施工安全有保证。该方案于2020年汛前完成施工，目前已经历3个汛期的考验，其中一次洪峰量超过50年一遇大坝设计洪水，洪水过后进行水下检查发现，消力池护坦及灌注桩结构完好，该冲坑治理设计施工方案得到证实，可供类似消力池下游冲坑治理工程借鉴。

参考文献：

[1]孙江南 《葛洲坝大江电厂尾水护坦冲坑成因及修复设计》[J].人民长江.1999年12期

[2]邢林生《陈村拱坝坝后冲坑分析研究》 [J];大坝与安全;2003年04期

[3]赵煜《乌江渡水电站尾水右岸冲坑护坡加固处理》 [J];贵州水力发电;2000年01期