五强溪水电站：蓄能式水电厂的科技新突破

1.3.2.1 工程与泄洪消能建筑物概况

五强溪[13]水电站位于中国湖南省沅陵县境内、长江支流沅江下游，距沅陵90km，距河口143km，为坝后式水电站。电站以发电为主，兼有防洪、航运效益。水库正常蓄水位108m，相应库容30亿m3，具有季调节性能。装机容量120万k W，保证出力25.5万k W，多年平均年发电量53.7亿k W·h，是湖南省最大的水电站。

枢纽建筑物由拦河坝（包括溢流坝）、右岸坝后式厂房和左岸三级船闸等组成，坝顶长736m，坝顶高程117.5m，最大坝高87.5m。溢流坝下游的消能防冲设施按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，相应下泄流量分别为40535m3/s和49100m3/s。

泄水建筑物由9个19m×23m（宽×高）溢流表孔、5个3.5m×743m（宽×高）底孔和1个9.00m×12.27m（宽×高）中孔组成，总的前沿长度249.75m。表孔堰顶高程87.80m，被中孔坝段分成左6孔右3孔。底孔设在左6孔的5个中墩下方的坝体内，进口底高程67.00m。

坝下消能左6表孔采用宽尾墩+底孔（挑流）。左6个表孔与5个泄水底孔用一个左消力池，水流出底孔后即以挑射入左消力池内，利用表孔水跃的“动水垫”效应进行联合消能。右3个表孔则采用宽尾墩+消力池联合消能型式。左消力池净宽145.50m，全长120.00m，消力池底板顶高程42.00m。其末端接雷伯克差动式尾坎，高坎高程51.00m，低坎高程46.00m。坎后为全长50.00m的海漫，末端高程为47.00m，中间以1∶10反坡连接。右消力池净宽72.00m，其长度、底板顶高程、厚度及雷伯克差动式尾坎均与左消力池相同。

左、右消力池底板分块尺寸为宽16.00m（垂直水流方向）×长18.00m（顺水流方向），一般厚4.00m，深槽部分最厚达9.50m，分三层浇筑，面层1.00m，其余两层均为1.50m。底板锚筋按1.50m×1.50m方阵形布置，锚筋直径φ25～36，锚入基础深度3.00～6.30m。消力池基础全部按孔、排距各3m进行固结灌浆，纵、横缝除周边缝外，均设键槽，缝内设两道止水（止水铜片和651型塑料止水带）。消力池内沿底板分缝处设置网络状的排水沟。底板的表层、底层均配有双向构造钢筋，表层双向各配φ22mm@200mm，底层各配φ18mm@200mm。

电站全景及消力池纵剖面如图1.18和图1.19所示。

图1.18　五强溪水电站全景

1.3.2.2 左消力池的破坏和修复

1.左消力池的破坏情况

1995年6～7月间，沅水发生特大洪水，7月1日入库最大洪峰流量达34000m3/s，下泄流量24800m3/s，库水位达106.69m，下游水位67.02m。汛后发现左消力池底板厚1.0cm的抗冲耐磨面层混凝土部分被揭去，其范围为第1行和第6行的局部、第2、第3、第4行的全部、第5行除板5-5、6-6局部被揭去之外，其余全部被揭去，总面积约11000m2。此外，自第6行（局部）至第7、第8行的底板，表面均被磨损，局部钢筋裸露。被揭去的混凝土大部分堆积在消力池末端，体积最大的达6m×7m×1m，较小的残块堆积在尾坎下游。

图1.19　消力池纵剖面

2.破坏原因分析

由于施工原因，面层1.0m厚的混凝土与下层混凝土脱开。现场调查发现，残块底部的混凝土层面及高程41.00m混凝土层面平整，明显存在层面结合不良迹象。因而本次破坏一个主要原因同面层混凝土与下层混凝土结合不良密切相关。

左消力池破坏后，曾分别进行断面及整体水工模型试验，对破坏原因进行反馈试验研究。据所提供的研究报告论证，左消力池的破坏原因除上述底板表层混凝土与下层混凝土层面结合不良之外，“95.6”洪水期间，左溢流坝尚在施工，溢流面未完全成形，工作弧门未调试完善也是重要原因。某些工况，左消力池流态十分恶劣，甚至出现远驱水跃，使池底板受力条件严重恶化。一旦某板块失稳，在相邻板块迎水面高速水流形成的驻点动水压力作用下，必然会产生连锁反应。(www.xing528.com)

3.修复措施

对已揭掉的面层混凝土重新浇筑，表面钢筋网通过锚筋与未揭去的高程41.00m以下的底板连接。同时，新浇面层与旧层混凝土之间全部加设了锚筋（φ25@1000），锚筋顶部用弯钩与表面钢筋网相连，下面深入老混凝土1m以上，并用M35微膨胀水泥砂浆灌实。

左消力池修复工程于1996年汛前5月底完成，随即迎来了“96·7”特大洪水的考验。这次洪水最高库水位达到了113.26m（相当于5000年一遇洪水位），下游水位67.40m（相当于20年一遇洪水位），同时左溢流坝表孔及底孔有多座工作门运转不灵，左消力池在这种超高库水位泄洪、超低尾水位消能及闸门极不均匀开启的极端恶劣的条件下运行了120余小时。同年12月抽水进行全面检查，发现消力池底板完好无损。

1998年7月沅水发生大洪水，最大入库流量34000m3/s，下泄流量23300m3/s左右。左消力池6个表孔及5个底孔基本上按正常设计条件泄洪，左消力池的消能状态良好，出池水流平稳。1998年11月进行抽水检查未发现消力池有异常情况。

1.3.2.3 右消力池的破坏和修复

1.右消力池的运行及破坏

右消力池底板混凝土1991年完成。1996年7月中旬，沅水流域发生了历史上有记载以来最大洪水。7月16日，最大洪水入库流量43100m3/s（接近100年一遇洪水），为保护下游安全，控制下泄量为26400m3/s，上游水位被迫抬高到113.26m（相当于5000年一遇洪水位），超过消能设计水位5.01m，相应下游水位67.40m（相当于20年一遇洪水位），低于消能设计水位5.89m。7月16日23时至7月20日24时，右侧3孔溢流坝的1号、3号弧形闸门开度仅为5m，单孔泄量1840m3/s，单宽流量97m3/（s·m），而中间的2号闸门全开运行，在这种闸门极不均匀开启的条件下，持续泄洪达90余小时，其中2号表孔堰顶最高水头达25.45m，单孔泄流5300m3/s，单宽流量达279m3/（s·m）。汛期发现消力池底板受到严重破坏（图1.20），沿2号表孔中心线形成一个顺水流向冲坑，冲坑长约50m，宽约16m，基岩冲刷深度13～36m，如图1.21所示，冲坑四周岩石严重淘刷，使四周残留的消力池底板处于倒悬状态，上游点距离坝址仅3～4m，严重威胁大坝的安全。

2.破坏原因分析

（1）非设计工况超标准运行，使消力池单位水体所承受的能量超过了消能建筑物的校核标准，这是消力池损坏的主要原因。表孔运行工况不论水头落差还是单孔泄洪功率、消力池单位水体所承受的能量，均超过了其校核工况。

（2）闸门难以按设计要求均匀、同步、合理的启闭，使消力池内的流态更加偏离设计流态，极为紊乱，压力分布极不均匀，对底板稳定非常不利。

（3）表面1m厚的抗冲耐磨层与下部混凝土的温度特性和收缩特性差异较大，因而结合不牢，这就使4m厚的消力池底板的整体性减弱。另外，基岩允许抗冲流速为5～6m/s左右，抗冲能力差。

3.修复措施

采用浇筑水下混凝土的方式回填，消力池底板则按原设计分缝，缝内设键槽和两道铜片止水。消力池修复共浇筑混凝土17795m3，底板混凝土锚桩施工总计完成132根，水下混凝土共35000m3。1998年7月沅水发生大洪水，最高库水位达到了109.4m，最大入库流量34000m3/s，最大出库流量23300m3/s。修复后的右消力池经受了较大洪水的考验，汛后对其进行的抽干检查未发现异常。

图1.20　右消力池的破坏情况

图1.21　右消力池被冲刷形成的冲坑