大廣壩水利水電二期（灌區(qū)）工程戈枕樞紐消能工優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾雪艷

（中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院 長沙市 410014）

蔣買勇

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙市 410013）

1 工程概況

戈枕樞紐是大廣壩水利水電二期（灌區(qū)）工程的配水樞紐，位于海南省西部東方縣和昌江縣境內(nèi)，距大廣壩水電站下游27km，距?？?38.5km，是庫容1.7億m3的大廣壩水電站的反調(diào)節(jié)水電站。

樞紐主要建筑物由從右至左有：右岸非溢流混凝土重力壩、河床12孔溢流壩、河床式廠房和左岸非溢流重力壩、左岸土壩、低干渠和中干渠渠首建筑物。工程總庫容1.48億m3，總裝機(jī)82MW，為二等大（Ⅱ）型工程。溢流壩、戈枕樞紐電站廠房和灌渠的進(jìn)水口等屬2級建筑物，低干渠渠首電站屬4級建筑物。

樞紐正常蓄水位48.00m，設(shè)計(jì)洪水位54.00m，校核洪水位：混凝土壩57.37m，土壩58.80m。最大壩高33m，最大水頭27m，最大下泄量41500m3/s。樞紐防洪標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)的下泄流量見附表。

附表 各建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)下泄量的下游水位

2 樞紐壩址的水文特性和地形、地貌特性

樞紐所在的昌化江流域位于海南省西南部，流域總面積5070km2，屬大陸性熱帶島嶼氣候，冬季干燥少雨，夏季炎熱潮濕多雨。臺風(fēng)是形成本流域暴雨的主要天氣系統(tǒng)，洪水特性為驟漲驟落，豐、枯水量相差極大。年最大洪水發(fā)生在5月下旬至11月份，以9月份最多，10月份次之。歷年實(shí)測最大洪峰流量為23200m3/s（2001年），實(shí)測最小洪峰流量333m3/s（1969年）。

戈枕壩址區(qū)位于戈枕峽谷出口下游2km處，屬丘陵盆地地形?？菟诤哟矊捈s310m，基巖裸露，高程（25.80～28.70）m。左岸地勢平緩開闊，岸邊有Ⅰ級階地，階地后緣高程36m以為10°上山坡。地表為（1～2）m厚的殘坡積；山頂高程75m左右。右岸山坡被3條沖溝切割，使右壩頭山脊較為單薄，岸坡（高程28m～40m）較陡，坡度30°～40°。高程40m以上地形平緩，坡度約8°，山頂高程在75m以上。

壩址區(qū)巖層為前震旦系抱板群。巖性以黑云斜長片麻巖為主，混合巖化花崗巖及角礫狀混合巖次之。河床無強(qiáng)風(fēng)化，弱風(fēng)化帶下限深（1～2）m；左岸強(qiáng)風(fēng)化下限深（5～13）m；右岸除F4和F10斷層交匯帶外，強(qiáng)風(fēng)化下限深（3.5～9）m。右岸壩頭山脊弱風(fēng)化巖石分布高程為51m左右。

3 樞紐泄水建筑物消能設(shè)計(jì)

根據(jù)壩址的水文特性和地質(zhì)特點(diǎn)，將12孔泄水閘布置在裸露的河床中央，泄水建筑物右側(cè)為非溢流重力壩，左側(cè)為低水頭的樞紐廠房。根據(jù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)的消能建筑物應(yīng)保證：遇高于消能防沖標(biāo)準(zhǔn)洪水時，允許消能建筑物出現(xiàn)局部破壞，但不得危及樞紐建筑物的安全或長期運(yùn)行，并易于修復(fù)。遇消能防沖標(biāo)準(zhǔn)以下洪水時，應(yīng)充分消能，保證樞紐建筑物和下游河道兩岸邊坡的安全。

戈枕樞紐為河谷寬闊的臨近入?？诘牡退^電站，遇常遇洪水時，下游水位較低；遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，下游水位高（見附表）。

按照初步設(shè)計(jì)審查同意的消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)（50年一遇），其對應(yīng)的最大下泄單寬流量為21000m3/s，相應(yīng)的下游水位為29.80m，較下游河床面高8.8m（下游河床面高程27m）；實(shí)測最小的常遇洪水單寬流量為8800m3/s，相應(yīng)的下游水位為28.2m，較下游河床面僅高1.2m；豐、枯年泄洪量相差很大，不同頻率洪水對應(yīng)下游水位波動較大，形成不了穩(wěn)定的面流。如采用面流消能形式，消能效果較差，泄洪時對下游河岸穩(wěn)定有影響，通常盡量避免該種消能工。

本工程上、下游最大水頭差28m，最小水頭差僅16.16m，為低水頭電站。為滿足宣泄洪水要求，泄水建筑物只能采用帶閘孔的實(shí)用低堰，常遇洪水無法采用挑流和淹沒挑流消能。

顯然，適合本工程的消能型式只能是底流消能或底流和戽流相結(jié)合的消能工。

3.1 各階段審查批準(zhǔn)的消能型式

3.1.1 1994年水利與電力上級部門批準(zhǔn)的消能型式

分別受海南電力局和水務(wù)局的委托，中南勘測設(shè)計(jì)研究院對戈枕樞紐進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，確定的消能設(shè)施為：

采用底流消能，消力池順?biāo)鏖L73m，與溢流壩段同寬度，底板高程23m。消力尾坎頂高程28.80m，高于下游河床1.80m。消力池被中導(dǎo)墻分隔成5孔和8孔兩部分。消力池邊導(dǎo)墻寬3.5m，中導(dǎo)墻寬4m，頂部高程都為40m。海漫長17.20m，混凝土襯砌1m厚。

該方案分別獲得水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院和電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的批準(zhǔn)。

3.1.2 2005年、2006年可研和初設(shè)批準(zhǔn)的的消能型式

2002年，大廣壩水利水電二期（灌區(qū)）工程重新開展項(xiàng)目建議書編制工作，中南院于2005年開始參與該項(xiàng)目戈枕樞紐的設(shè)計(jì)工作。

根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，消能效率最高的是底流消能，其次為底流和戽流相結(jié)合的消能工。

如全部采用底流消能，肯定滿足下游消能要求，但其消能工的工程量比戽流消能或底流和戽流相結(jié)合的消能方式要大；如全部采用戽流消能，大頻率下泄小流量時其下游水位較淺，形成不了戽流，會淘刷壩腳基礎(chǔ)而造成建筑物失穩(wěn)；根據(jù)水力學(xué)計(jì)算成果，類比國內(nèi)其它工程實(shí)例（江西修水抱子石水電站，貴州掛治水電站），初步設(shè)計(jì)階段確定該工程的消能型式為：6孔底流和6孔戽流相結(jié)合的消能方式，小于10年一遇的常遇洪水采用底流消能，大于10年以上的洪水采用底流和戽流相結(jié)合的消能方式。

根據(jù)泄水建筑物布置推薦方案，分別進(jìn)行了泄水建筑物斷面模型和整體水工模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示：泄水建筑物的泄流能力滿足泄洪要求。

渲泄各種頻率的洪水時，消力池內(nèi)均能形成較完整的水躍流態(tài)，淹沒系數(shù)較高，但消力池內(nèi)流速衰減較慢，出池流速仍較大，消力池內(nèi)消能效果欠佳。因消力池水位與下游河道水位落差較大，在消力池出口附近形成臥軸漩滾，發(fā)生二次水躍，在下游河道又形成較大的沖坑，最大沖坑深度7.84m，沖坑最低點(diǎn)至護(hù)坦未端的水平距離為2.6倍沖坑深，比重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定值2.5大，沖坑不會危及主體建筑物的安全；整個消力池出池水流分布均勻，對電站廠房尾水影響不大。

渲泄洪水頻率大于P=10%洪水時，需開啟溢洪道右側(cè)6孔閘門利用消力戽消能。試驗(yàn)顯示：此時均勻局開右側(cè)6孔時，分別區(qū)別出現(xiàn)挑流、臨界戽流；大于P=2%洪水時，右側(cè)6孔全開，過壩水流平射出流，與下游水面直接呈水躍銜接。由于戽坎出流水舌下潛，對戽坎后河床基礎(chǔ)帶來不利影響，但不會危及主體建筑物的安全。

各種設(shè)計(jì)工況下，下泄水流主流位于河道中部，基本順應(yīng)河勢，主流區(qū)河段表面波浪較大且表面流速大于底部，兩岸邊為回流區(qū)，流速較小，由于下游河道無重要建筑物，且左、右岸抗沖流速達(dá)到5m/s，因此下泄水流不會對兩岸造成大的危害。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段水工整體模型試驗(yàn)成果，最終確定的消力池池長 66m，寬122m，池深6.50m，底板高程29.429m，消力池護(hù)坦厚1.20m。尾坎為連續(xù)式，坎頂高程29m。池底設(shè)縱橫向排水溝，護(hù)坦用深6m的錨筋錨固于地基。消力坎后設(shè)厚1m、長18.50m混凝土海漫。6孔消力戽戽唇高度29.429m，戽底高程26.5m，反弧半徑為10m，挑角為45°。消力戽后接1m厚15m長的混凝土海漫。

消力池和消力戽間設(shè)中隔導(dǎo)墻，水工模型確定：導(dǎo)墻頂高程最低需 41m，滿足10年一遇以下洪水不翻越中隔導(dǎo)墻。穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算確定：擋墻墻頂寬4.0m，為鋼筋混凝土衡重式擋墻。

初步設(shè)計(jì)審查，對該消能方案的審批意見如下：

（1）同意戈枕樞紐工程為Ⅱ等工程，主要樞紐建筑物工程等級為2級，次要建筑物為3級。主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為：混凝土壩為1000年一遇，土石壩為2000年一遇。消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

（2）基本同意推薦的戈枕樞紐總體布置方案和主要建筑物結(jié)構(gòu)布置?；就庑顾ㄖ锝Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置，同意采用底流和戽流相結(jié)合的消能方式?？紤]本工程主汛期洪量集中，泄洪單寬流量大，能量集中，下階段應(yīng)結(jié)合泄洪調(diào)度運(yùn)用要求和水工模型試驗(yàn)分析，優(yōu)化消能建筑物設(shè)計(jì)。

3.1.3 施工階段、優(yōu)化設(shè)計(jì)后確定的消能型式

根據(jù)初步設(shè)計(jì)報告審查意見，中南院水工設(shè)計(jì)人員和水工模型試驗(yàn)研究人員在進(jìn)一步優(yōu)化消能工的工作過程中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用三維數(shù)值分析法模擬數(shù)種典型的消能工型式，分析其消能效果。從中選取消能效果好的方案進(jìn)行水工整體模型試驗(yàn)研究。

多方案理論分析過程中發(fā)現(xiàn)：右6孔短護(hù)坦底流消能方案消能效果較初步設(shè)計(jì)推薦的戽面流消能方式要好，且基本不受下游水位起伏的影響，但其對河床基巖要求較高。故選中該方案，進(jìn)行整體模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：該方案消能效果較好，挑距較遠(yuǎn)，沖坑深度正常，不影響樞紐建筑物的安全?？紤]戈枕樞紐河床為裸露的微風(fēng)化黑云斜長片麻巖，抗沖流速高達(dá)8m/s。同時，本工程樞紐距入?？趦H42km，下游河道兩岸無重要城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)且河道左右岸為強(qiáng)風(fēng)化巖層，抗沖流速達(dá)5m/s。在這種有利的地形、地質(zhì)條件下，只要確保主體樞紐建筑物安全，不危及兩岸岸坡穩(wěn)定，改戽面流消能方案為短護(hù)坦底流方案完全可行有效。因短護(hù)坦底流消能方案其原理是利用短護(hù)坦保護(hù)泄水建筑物壩腳，將下泄水流平推過護(hù)坦，利用較好的河床巖石條件，將下游河床基巖受水力作用形成的穩(wěn)定沖坑作為自然消能的消力池消能，其消能效果同于人工消力池。故在右6孔短護(hù)坦底流消能方案試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)提出將左6孔消力池也全部改短護(hù)坦底流消能，并進(jìn)行水工整體模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)顯示：各洪水頻率下，不同閘門開啟運(yùn)行時，鼻坎出流平順，水舌落點(diǎn)在護(hù)坦上，護(hù)坦末端最大流速值20.03m/s，水流在下游河道形成遠(yuǎn)趨水躍和波狀水躍的流態(tài)，表面漩滾位于0+081.000～0+131.000的范圍內(nèi)。主流居于河道中央，下游河道高流速水體集中于水流表面，底部流速小于河床抗沖流速8m/s。最大沖坑深度8.17m，沖坑至壩趾水平距離為沖坑深度的6倍，大于重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范值2.5。

適當(dāng)延長廠壩導(dǎo)墻和增加右導(dǎo)墻可消除護(hù)坦上回流，減少回流對護(hù)坦末端淘刷。同時要求，先開啟邊孔，再啟動其它閘門，阻斷回流。

總之，優(yōu)化后的短護(hù)坦方案滿足消能防沖要求。

根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)成果，施工圖采用的最終消能措施為：溢流低堰后接長25m厚2m的護(hù)坦，護(hù)坦前后設(shè)3m深、2m寬的齒槽。護(hù)坦下設(shè)Φ28、間排距2.5m的錨桿，錨桿長6m，入巖深度3.5m。護(hù)坦后設(shè)兩排鋼筋樁，鋼筋樁由3根Φ28鋼筋及一根外徑Φ25的注漿管組成，間排距2.5 m，，入巖深度5m，同護(hù)坦上部鋼筋焊接。

3.2 優(yōu)化后的消能型式實(shí)際運(yùn)行效果

戈枕樞紐2007年2月開工，2008年4月22日工程截流成功，順利從一期導(dǎo)流轉(zhuǎn)為二期導(dǎo)流；2009年8月22日，工程下閘蓄水、首臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電；2009年12月28日，工程全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

正式下閘蓄水前兩個月，戈枕樞紐已具備下閘蓄水條件，并進(jìn)行了初期蓄水。期間，歷經(jīng)兩次規(guī)模較大的泄洪，消能護(hù)坦運(yùn)行情況良好。

3.3 消能型式優(yōu)化產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

優(yōu)化后的消能方案，直接節(jié)省混凝土1.5萬m3，鋼筋471t，開挖方4.1萬m3，相對概算節(jié)省近1000萬元。同時因工程量減少，施工難度降低，相對加快了施工進(jìn)度，縮短了施工工期，為整個工程提前9個月下閘蓄水和發(fā)電提供了有利條件，間接增加了發(fā)電效益。為徹底解決灌區(qū)中4.33萬hm2（65萬畝）農(nóng)田的灌溉問題和東方、叉河工業(yè)園的供水問題，改變灌區(qū)少數(shù)民族地區(qū)貧窮落后面貌奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，社會效益巨大。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的思考

戈枕樞紐消能工的優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分反映了設(shè)計(jì)工作者實(shí)事求是、精益求精、勇于開拓創(chuàng)新的精神風(fēng)貌。水利工程因區(qū)域地質(zhì)、水文條件及地形條件的變化，呈現(xiàn)千差萬別的特性，設(shè)計(jì)者應(yīng)透過這些現(xiàn)象，根據(jù)工程的特性，通過試驗(yàn)和計(jì)算等方法，尋求最適合本工程的設(shè)計(jì)方案。