積石峽水電站泄水建筑物設(shè)計(jì)

益 波，任 葦，高月仙，王康柱，魏堅(jiān)政

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

1 工程概況

積石峽水電站位于青海省循化縣境內(nèi)，主要任務(wù)是發(fā)電。該工程水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，正常蓄水位1 856 m，最大壩高 103 m，總庫(kù)容 2.94億 m3，最大發(fā)電水頭73 m，總裝機(jī)容量1 020 MW，保證出力 332.3 MW，多年平均年發(fā)電量 33.63億 kW·h。

積石峽水電站工程樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、壩后廠房等組成。工程規(guī)模為二等大（2）型，大壩為1級(jí)建筑物，泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及廠房均為2級(jí)建筑物，臨時(shí)建筑物級(jí)別為4級(jí)。

2 泄洪消能規(guī)模及布置特點(diǎn)

積石峽水電站泄水建筑物按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000年一遇洪水校核，其入庫(kù)洪峰流量分別為5 850 m3/s和7 550 m3/s；泄水建筑物消能防沖按50年一遇設(shè)計(jì)。校核洪水情況的上下游水位差約80 m，最大下泄總功率約5 100 MW，最高泄流流速約35 m/s。

積石峽水電站樞紐利用河道彎段布置，峽谷深度超過(guò)300 m，兩岸山體陡峻，左岸存在縱向深槽及階地，壩址下游為I號(hào)滑坡體。壩址區(qū)工程地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，攔河壩、泄水消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及電站廠房、導(dǎo)流建筑物等可供選擇的布置場(chǎng)地有限，同時(shí)根據(jù)樞紐布置需要，泄水建筑物要求按高程分層布置，并兼顧泄流、水庫(kù)放空及下游消能防沖等功能，泄水建筑物布置相對(duì)困難。

3 泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)原則

根據(jù)積石峽水電站泄洪消能的規(guī)模及特點(diǎn)，并結(jié)合工程開(kāi)發(fā)任務(wù)與水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式，確定泄洪消能建筑物的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）泄洪建筑物布置應(yīng)盡量利用左岸凸岸的有利地形，使其短而直，以改善水流條件。

（2） 本工程的大壩為混凝土面板堆石壩，泄洪建筑物應(yīng)有一定的超泄能力，因此應(yīng)布置開(kāi)敞式溢洪道。

（3）根據(jù)積石峽工程泄洪排沙要求，泄洪建筑物按表、中、底三層布置，以適應(yīng)水庫(kù)運(yùn)用特點(diǎn)。水庫(kù)排沙運(yùn)行方式，在汛限水位1 854 m下，分層設(shè)置的各泄水建筑物總泄量滿足五年一遇洪峰流量（3 160 m3/s）的泄流要求，保持水庫(kù)沖淤平衡。

（4）利用導(dǎo)流洞后期改建成泄洪洞，以減少泄洪建筑物投資，泄洪洞斷面尺寸結(jié)合導(dǎo)流洞斷面尺寸確定。

（5）泄洪排沙底孔和中孔泄洪洞的設(shè)置滿足水庫(kù)放空要求，在上游公伯峽電站兩臺(tái)機(jī)發(fā)電的情況下，可放空水庫(kù)水位至1 819.0 m，滿足機(jī)組進(jìn)水口檢修要求。

（6）為防止樞紐在運(yùn)行中出現(xiàn)因尾水抬高下游水位或下游水位不穩(wěn)定等問(wèn)題，泄洪建筑物布置時(shí)應(yīng)注意下游流態(tài)順暢、均衡、穩(wěn)定，且出口宜布置在距電站尾水下游足夠遠(yuǎn)處。

（7）在選擇泄洪建筑物消能形式時(shí)，盡量避免泄洪水霧對(duì)下游Ⅰ號(hào)滑坡的影響。

（8）各泄洪建筑物為永久建筑物，應(yīng)充分考慮其頻繁運(yùn)行的特殊性和維護(hù)檢修的可能性。

4 泄洪建筑物設(shè)計(jì)

4.1 泄洪建筑物布置形式

根據(jù)洪水標(biāo)準(zhǔn)及上述布置原則，泄洪建筑物采用了分散分層布置，包括左岸一孔岸邊溢洪道、左岸中孔泄洪洞（與導(dǎo)流洞結(jié)合）、左岸泄洪排沙底孔（兼放空洞）。泄洪建筑物工程特性見(jiàn)表1。

表1 泄洪建筑物工程特性

溢洪道、泄洪排沙底孔消能工為挑流消能，中孔泄洪洞消能工為底流消能，通過(guò)消能組合，避免泄洪雨霧對(duì)下游Ⅰ號(hào)滑坡的影響。

4.2 表孔溢洪道設(shè)計(jì)

溢洪道布置在左岸，為開(kāi)敞式岸邊溢洪道，由引渠段、堰閘段、泄槽段、挑流鼻坎段組成。引渠段、堰閘段、泄槽段和鼻坎段的長(zhǎng)度分別為30.000、46.200、344.302、38.181 m，堰閘段至鼻坎段溢洪道總長(zhǎng)428.683 m。

4.2.1 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)

溢洪道弧門總推力49 200 kN，若采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能承受弧門大推力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，為改善弧門支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力條件，閘墩按預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。溢洪道閘墩采用對(duì)稱錨塊預(yù)應(yīng)力形式，弧門支撐結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土采用簡(jiǎn)單錨塊式。上游錨固端設(shè)計(jì)為錨拉豎井，錨拉豎井應(yīng)位于拉應(yīng)力區(qū)以外部位，錨拉豎井在主錨索施工完成后用微膨脹混凝土回填。

主錨索的布置在閘墩立面方向采用扇形，共5層，主錨索沿弧門推力方向擴(kuò)散布置；平面方向共4排，其中閘墩最外側(cè)一排為平衡索。次錨索的布置采用水平布置方式，在錨塊頸部附近布置2排橫向水平次錨索，錨塊下游布置1排橫向水平次錨索，共3排，每排4束。

4.2.2 泄槽段

溢洪道泄槽段凈寬15 m，全長(zhǎng)344.302 m，泄槽段底板厚2 m，邊墻頂部寬1.5 m，底部寬4 m，墻體高度沿程變化（17～14 m），其中泄槽1～5段的右邊墻為與大壩結(jié)合的重力式擋墻，采用分離式結(jié)構(gòu)，底板在靠近邊墻3 m處分縫，縫內(nèi)設(shè)止水。6～24段為整體式結(jié)構(gòu)。泄槽底板設(shè)置縱橫排水盲管，匯集到左側(cè)邊墻下部排水廊道。

4.2.3 挑流鼻坎

挑流鼻坎為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)多次模型試驗(yàn)比選，鼻坎體形確定采用兩側(cè)導(dǎo)墻前后交錯(cuò)收縮的舌形挑流鼻坎，挑流鼻坎反弧半徑為20 m，挑角 37.97°。

4.3 中孔泄洪洞設(shè)計(jì)

中孔泄洪洞布置在左岸山體中，是由導(dǎo)流洞改建的 “龍?zhí)ь^”式有壓短管進(jìn)口的泄洪洞，全長(zhǎng)828 m，包括進(jìn)口引渠、進(jìn)水塔、 “龍?zhí)ь^”斜洞段、反弧段、與導(dǎo)流洞結(jié)合段、明槽及消力池段等。

4.3.1 進(jìn)水口

中孔泄洪洞進(jìn)水口為岸塔式，塔身分為塔座、塔筒兩部分。進(jìn)水口整體穩(wěn)定計(jì)算主要考慮了抗滑、抗傾、抗浮及基底應(yīng)力等。進(jìn)水口結(jié)構(gòu)計(jì)算包括塔座及塔筒，均視為由等截面桿件組成的平面框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用力矩分配法，地基反力假定為均勻直線分布。

4.3.2 泄洪隧洞

中孔泄洪隧洞斷面形式為城門洞形，帷幕灌漿線上游襯砌厚度2.5～1.5 m；帷幕灌漿線下游襯砌厚度1.5～1.2 m。帷幕灌漿線下游邊墻、頂拱設(shè)排水孔（水面線以上）。襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮山巖壓力、襯砌自重、外水壓力、灌漿壓力等荷載。閘室末端洞室圍巖外水壓力按水庫(kù)全水頭計(jì)算，帷幕灌漿線上游側(cè)按0.7的折減系數(shù)，閘室末端～帷幕灌漿線之間以直線相連；帷幕灌漿線之后，考慮排水孔的作用，按0.3的折減系數(shù)計(jì)算。

4.3.3 消力池

消力池為整體式結(jié)構(gòu)，消力池邊墻基本鑲嵌于巖體之內(nèi)，底板與邊墻之間不設(shè)結(jié)構(gòu)縫?？紤]結(jié)構(gòu)安全，消力池底板按脫離邊墻復(fù)核其抗浮穩(wěn)定性，消力池邊墻按懸臂梁取單寬計(jì)算，底板按彈性地基梁取單寬計(jì)算。

4.4 泄洪排沙底孔設(shè)計(jì)

泄洪排沙底孔進(jìn)口位于左岸電站進(jìn)水口2、3號(hào)引水鋼管之間，與電站進(jìn)水塔結(jié)合為一體，洞身段在平面上有兩個(gè)彎道，其軸線走向由SE 159°經(jīng)弧形變?yōu)镾E 159°，洞身段全長(zhǎng)332 m，洞身后接27.2 m長(zhǎng)的工作閘室，閘室后為泄槽及鼻坎。

4.4.1 有壓洞

依據(jù)DL/T 5195—2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2條洞線選擇中推薦的國(guó)際通用公式，即垂直向準(zhǔn)則、雪山準(zhǔn)則及挪威準(zhǔn)則，分別進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。為了安全起見(jiàn)，對(duì)電站引水壓力管道下部及出口段隧洞按明管設(shè)計(jì)。

4.4.2 工作閘室

閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)27.2 m，弧形工作門最大推力57 240 kN，推力與水平線呈33.523 2o的夾角，弧形工作門前設(shè)胸墻，胸墻底緣高程為1 800.30～1 800.75 m，以1∶10的斜坡與上游隧洞連接；1 803.80 m高程以下胸墻厚3.73 m，1 803.80～1 817.00 m（閘室頂高程）胸墻厚2.94 m。閘墩下游側(cè)上部設(shè)弧門支承大梁，大梁截面尺寸為不規(guī)則的六邊形，弧門支鉸布置于樁號(hào)底0+400.245、1 804.50 m高程處，大梁與閘墩采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。閘室基礎(chǔ)寬14.00 m，兩側(cè)在1 788.50～1 803.50 m高程范圍內(nèi)以 4∶1的坡與基礎(chǔ)邊坡相連接，1 803.50 m高程以上閘室寬16.00 m?？卓趦蓚?cè)閘墩對(duì)稱布置，閘墩厚4.0 m，閘墩與底板、胸墻、弧門支承大梁以及閘室頂部啟閉機(jī)室操作平臺(tái)連接在一起。

工作門閘室段閘墩錨索布置分主錨索和次錨索。左、右閘墩主錨索對(duì)稱，在閘墩立面上作扇形布置，設(shè)5層，奇數(shù)層3束，偶數(shù)層2束，共13束，主錨索上游端錨固在工作門前的錨固豎井內(nèi)。次錨索水平布置于弧門支承大梁內(nèi)，并通過(guò)大梁與閘墩相連接，次錨索沿垂直弧門推力方向分3排布置，每排4束，共12束。

4.4.3 泄槽及鼻坎

工作閘室末段接明渠泄槽段，水流出工作弧門后即成明流狀態(tài)，整個(gè)明渠段流速較大，庫(kù)水位為1 856.0 m、工作閘門全開(kāi)時(shí)，槽內(nèi)最大流速為27.3 m/s，局部開(kāi)啟時(shí)槽內(nèi)最大流速近30 m/s。為了使槽內(nèi)流態(tài)均勻平順，出口水舌形態(tài)達(dá)到較好的消能效果，結(jié)合渠線地質(zhì)地形情況，明渠底板設(shè)置陡坡段、反弧段和挑流鼻坎段。

明槽標(biāo)準(zhǔn)剖面為整體凹形框架結(jié)構(gòu)，泄槽寬8 m，邊墻高9 m，墻頂寬1 m。左右側(cè)墻有墻背巖石彈性抗力作用，墻底寬3 m，底板一般厚2 m。鼻坎反弧半徑20 m，挑射角37.12°。

4.5 水工模型試驗(yàn)主要結(jié)論

經(jīng)過(guò)多個(gè)方案的水工模型試驗(yàn)研究和分析論證，提出的推薦方案可較好地解決樞紐的泄洪消能問(wèn)題，主要結(jié)論如下：

（1）樞紐布置（推薦方案）基本是合理可行的。

（2）各泄洪建筑物的泄流能力均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求，并有一定的富余量，實(shí)測(cè)值較相應(yīng)的設(shè)計(jì)值大2.2%～2.4%。

（3）各種工況下，庫(kù)區(qū)水面平靜，各泄洪建筑物泄槽內(nèi)流態(tài)較好，沿程壓力分布正常，明渠段水面沿程波動(dòng)不大，橫斷面水深較均勻，從水力學(xué)條件來(lái)看，各泄洪建筑物體形設(shè)計(jì)是適宜的。

（4）溢洪道及底孔泄洪洞采用兩側(cè)導(dǎo)墻前后交錯(cuò)收縮、設(shè)小半徑反弧鼻坎的消能方式，使水舌立體擴(kuò)散，并能自身碰撞，較好地解決了挑射水舌對(duì)下游河床和兩岸的沖淤問(wèn)題，使下游流態(tài)較好，岸邊流速小，不致危及下游Ⅰ號(hào)滑坡體的穩(wěn)定。

（5）左岸中孔消力池內(nèi)水躍躍首發(fā)生在隧洞出口下游25.86 m后，水躍銜接形式均為淹沒(méi)式，消能充分。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）積石峽水電站樞紐工程泄水建筑物布置充分適應(yīng)了地形地質(zhì)條件，因地制宜地將溢洪道布置在左岸Ⅱ級(jí)階地上，中孔泄洪洞布置于左岸山體中，泄洪排沙底孔結(jié)合電站進(jìn)水口布置，使整個(gè)樞紐布置緊湊合理。

（2）按不同高程布置表、中、底泄水建筑物，可滿足施工期、運(yùn)行期的下游供水和泄洪安全要求，消能方式采用挑流、底流相結(jié)合，避免了泄洪雨霧對(duì)下游1號(hào)滑坡的影響。

（3）表孔溢洪道、泄洪排沙底孔通過(guò)預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)較好地解決了高水頭、大弧門推力下泄水建筑物控制段的受力狀況，使泄水建筑物泄量分配、孔口擬定更加靈活。

（4）中孔泄洪洞為由導(dǎo)流洞改建的 “龍?zhí)ь^”式有壓短管進(jìn)口的泄洪洞，與導(dǎo)流洞結(jié)合大大降低了工程投資，縮短了工程建設(shè)周期。

（5）泄洪排沙底孔通過(guò)兩個(gè)平面彎段布置，兼顧電站進(jìn)水口排沙和溢洪道布置，為樞紐布置提供了新的思路。

［1］中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黃河積石峽水電站工程可行性研究報(bào)告（等同原初步設(shè)計(jì)報(bào)告）（審定本）［R］.2006.

［2］中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黃河積石峽水電站工程整體水工模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.2005.