糯扎渡水電站溢洪道深化設(shè)計(jì)

楊再宏，顧亞敏，劉興寧，孫懷昆

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

1 糯扎渡水電站溢洪道布置及特點(diǎn)

糯扎渡水電站溢洪道最大泄量31 318 m3/s，泄洪水頭182 m，泄洪功率55 860 MW，其規(guī)模為目前國(guó)內(nèi)最大，名列世界前茅。溢洪道泄槽最大流速達(dá)52 m/s，泄洪消能及高流速泄槽摻氣減蝕成為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

為解決溢洪道泄洪消能問(wèn)題，在可研階段對(duì)泄洪建筑物布置進(jìn)行了多方案比選、研究，并分別進(jìn)行了水力學(xué)計(jì)算及工程量對(duì)比。根據(jù)地形地質(zhì)條件，對(duì)溢洪道軸線、控制段位置、形式、閘孔數(shù)、泄槽底坡進(jìn)行了多方案研究。比較了挑流、底流、面流、消能戽、五級(jí)消能、三級(jí)消能及二級(jí)消能等消能方式。優(yōu)選出溢洪道挑流消能及三級(jí)消能兩個(gè)代表性方案平行開(kāi)展設(shè)計(jì)科研工作，從工程布置、水力條件、施工設(shè)計(jì)、工程量、投資、管理等方面進(jìn)行綜合比較后得出，挑流消能方案比三級(jí)消能方案優(yōu)越，因此，推薦溢洪道挑流消能方案。

溢洪道布置于壩址左岸，由進(jìn)水渠段、閘室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段組成。進(jìn)口處位于勘界河左岸，為一寬緩平臺(tái)，沿線經(jīng)過(guò)糯扎支溝、糯扎溝，消力塘出口位于5號(hào)沖溝處。溢洪道所處地層分布有砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、角礫巖和花崗巖，以弱風(fēng)化、微風(fēng)化為主。引渠段左側(cè)邊坡及中軸線左側(cè)部分為H1滑坡體；閘室段地基弱風(fēng)化下部砂巖、粉砂巖完整性好，不存在明顯的層間軟弱夾層，不存在深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題；泄槽段中部分布有Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面F1、F35和F3斷層，斷層附近節(jié)理很發(fā)育，巖體破碎；消力塘底板有Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面F44、F45斷層，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

溢洪道水平總長(zhǎng)1 445 m，泄槽寬151.5 m。進(jìn)水渠段長(zhǎng)172.5～250 m，進(jìn)口底板高程775 m；閘室控制段共設(shè)8個(gè) 15 m×20 m （寬×高）表孔，每孔均設(shè)檢修門(mén)槽和弧形工作閘門(mén)，溢流堰頂高程792 m，堰高17 m，最大泄流量31 318 m3/s；泄槽段為矩形斷面，緩槽段底板縱坡坡度1.332%，陡槽段坡度23%。為布置摻氣設(shè)施及方便運(yùn)行管理、檢修，采用兩道中隔墻將泄槽分為左、中、右三槽；泄槽邊墻高度為14～12 m，中隔墻高度為12～10 m，沿程設(shè)5道摻氣槽。挑流鼻坎采用正向連續(xù)鼻坎，為適應(yīng)地形、地質(zhì)條件，左、中、右三槽挑流鼻坎在平面布置上相互錯(cuò)開(kāi)10 m。因溢洪道泄洪功率巨大，天然河床狹窄，挑流鼻坎下部開(kāi)挖消力塘消能，消力塘處巖石較好，是堆石壩主要料源。 消力塘底寬 151.5～178.622 m， 長(zhǎng) 310～330 m；消力塘末端608 m高程設(shè)置2 m高攔沙坎，坎頂高程高于電站滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)正常尾水位，既可攔沙又可在不影響發(fā)電的情況下，確保枯水期能夠?qū)ομ吝M(jìn)行抽水檢修。

2 溢洪道水力設(shè)計(jì)

溢洪道為1級(jí)建筑物，按1 000年一遇洪水設(shè)計(jì)，最大可能洪水 （PMF）校核。為了解決高水頭、大泄量、高流速溢洪道水力設(shè)計(jì)問(wèn)題，除了進(jìn)行常規(guī)計(jì)算外，還開(kāi)展了大量的水工模型試驗(yàn)研究。先后由中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科研分院、天津大學(xué)、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開(kāi)展了樞紐整體水工模型、單體水工模型、溢洪道消力塘護(hù)岸不護(hù)底、溢洪道泄槽摻氣減蝕、減壓模型、泄洪霧化等試驗(yàn)研究。

2.1 引渠

水工模型試驗(yàn)表明，渲泄各頻率洪水時(shí)，引渠段來(lái)流平順，主河道與勘界河交匯區(qū)流態(tài)正常，無(wú)回流和漩流。溢洪道進(jìn)口右側(cè)電站進(jìn)水口區(qū)域流態(tài)在各試驗(yàn)工況下平穩(wěn)正常，未受溢洪道泄流影響。

2.2 控制段

控制段溢流堰按低堰WES型實(shí)用堰設(shè)計(jì)，堰面曲線為Y=0.07X1.7；堰頂上游堰頭采用三圓弧曲線。堰頂高程792.0 m，進(jìn)水渠底板高程775.0 m，堰高17 m，定型設(shè)計(jì)水頭19 m。

溢洪道泄流能力模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值在設(shè)計(jì)洪水位810.92 m （P=0.1%）和校核洪水位 （PMF）下均大于設(shè)計(jì)值2%以上，可滿足設(shè)計(jì)要求。

溢洪道堰面最大壓力出現(xiàn)在3號(hào)表孔反弧段的15號(hào)測(cè)點(diǎn)，值為253.02 kPa。在宣泄校核洪水時(shí)，3號(hào)表孔堰面出現(xiàn)負(fù)壓，最大負(fù)壓值-4.88 kPa，小于-60 kPa，其余工況均未出現(xiàn)負(fù)壓，滿足溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，過(guò)流面流速不大，不會(huì)發(fā)生空蝕現(xiàn)象。

2.3 泄槽

糯扎渡水電站泄洪水頭高，溢洪道泄槽最大流速達(dá)52 m/s，增加了泄槽摻氣減蝕的設(shè)計(jì)難度，為此，進(jìn)行了專項(xiàng)水工模型試驗(yàn)研究。研究泄槽高速水流在不同泄流條件下?lián)綒饪膊鄣慕Y(jié)構(gòu)形式、空腔長(zhǎng)度、摻氣效果、摻氣濃度的變化、摻氣設(shè)施的保護(hù)長(zhǎng)度等，提出合理的摻氣減蝕措施。通過(guò)模型試驗(yàn)研究，推薦方案泄槽摻氣坎位置及結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 泄槽摻氣坎參數(shù)

2.4 挑流鼻坎、消力塘

對(duì)挑流鼻坎挑角、鼻坎位置、消力塘尺寸進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究，以尋找最佳挑角、鼻坎位置及消力塘尺寸，使在各種運(yùn)行工況下，能充分利用消力塘消能，使水舌落點(diǎn)位置適中、對(duì)消力塘底板沖擊壓力控制在合理范圍，且消能率高，出塘流速低，工程量小。通過(guò)模型試驗(yàn)研究，推薦挑流鼻坎采用正向連續(xù)鼻坎，左、中、右三槽挑流鼻坎在平面布置上相互錯(cuò)開(kāi)10 m，鼻坎段長(zhǎng)21.821 m，反弧半徑46.9 m，起挑角25°，左、中、右槽坎頂高程分別為645.042、645.303、645.562 m。出口消力塘平面及縱剖面均為梯形斷面，底板高程575.00 m，該高程消力塘寬176.5～191 m，長(zhǎng)310～330 m，左槽挑流鼻坎末端至消力塘末端長(zhǎng)400 m。

各試驗(yàn)工況下，推薦方案溢洪道三槽挑流水舌對(duì)稱平順，在平面上略有擴(kuò)散，受兩邊墻及中隔墻摩阻的影響，邊部流速降低，局部壅高，并向內(nèi)翻卷，使挑流鼻坎水舌中間高，兩邊低，挑流水舌邊緣無(wú)砸擊消力塘邊坡的現(xiàn)象；水舌下緣兩邊挑距較小，水舌沿消力塘縱向分布較寬；受急流沖擊波的影響，挑流水舌形態(tài)似幾個(gè)單孔水舌交匯而成，水舌在空中紊動(dòng)較大。消力塘出口處及下游河道岸邊流速均不大，基本呈左岸大、右岸小的分布，100年一遇以下洪水，下游河床水流平順，流速較低，水面波動(dòng)較?。?00年一遇以上洪水，下游河床水流流速及水面波動(dòng)有所增加，距消力塘出口600 m處，左、右兩岸岸邊流速已在6 m/s以下。

溢洪道全開(kāi)運(yùn)行時(shí)，消力塘底板脈動(dòng)壓力右側(cè)大于左側(cè)。最大脈動(dòng)壓力均方差在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)為19.4 kPa，校核洪水位時(shí)為44.6 kPa。消力塘左右兩側(cè)邊坡上脈動(dòng)壓力比底板小，最大為18.85 kPa。

設(shè)計(jì)洪水及校核洪水情況下，消力塘單位水體消能率分別為8.7、12.6 kW/m3，與小灣水電站相當(dāng)（8.2、 12.3 kW/m3）， 比二灘水電站小 （11.5、 13.5 kW/m3），說(shuō)明消力塘規(guī)模適中，設(shè)置消力塘后，有效解決了消能問(wèn)題。

3 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 引渠

3.2 閘室控制段

閘室控制段共設(shè)8個(gè)15 m×20 m （寬×高）表孔，中墩厚4.5 m，總靜水壓力為38 216 kN，工作門(mén)啟門(mén)力為25 584 kN，設(shè)計(jì)采用新型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力總噸位與弧門(mén)推力之比為1.82。

溢流堰每孔凈寬15 m，每孔溢流堰中部設(shè)置縱向伸縮縫一道。中墩厚4.5 m，與兩側(cè)7.5 m寬的堰體連成一體，形成分離式的 “⊥”形結(jié)構(gòu)；邊墩厚4 m，與一側(cè)7.5 m寬的堰體連成一體，形成 “L”形結(jié)構(gòu)。伸縮縫為鉛直縫，縫間不設(shè)彈性充填物，僅設(shè)銅片止水。

交通橋?yàn)榀B合板式橋，橋面寬6.25 m，跨度15 m，橋面高程與壩頂高程相同。上游側(cè)布置5根預(yù)制梁，斷面尺寸為0.5 m×2.0 m （寬×高），凈間距為0.6 m。下游側(cè)布置3根預(yù)制梁，斷面尺寸為0.5 m（0.4 m） ×2.0 m （寬×高）， 凈間距為 0.7 m （0.8 m）。單根梁下掛8 mm厚鋼板作模板，待單根梁吊裝就位后，澆筑混凝土形成整體板式橋。

3.3 泄槽段

根據(jù)泄槽左、右兩側(cè)地形及地質(zhì)條件，邊墻采用混凝土貼坡襯砌式、混凝土衡重式及重力式三種形式。

在地面線高出邊墻、地質(zhì)條件較好地段，開(kāi)挖成垂直邊坡，采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)，并設(shè)置兩排預(yù)應(yīng)力錨索或錨筋樁。貼坡直邊墻的結(jié)構(gòu)分縫位置與泄槽底板相同，縫間設(shè)銅片止水。

泄槽左、右邊墻在穿越F1、F35斷層，且糯扎支溝處地質(zhì)條件較差，故采用衡重式混凝土擋墻；右側(cè)邊墻在過(guò)糯扎溝處地面線低于邊墻頂，采用重力式混凝土擋墻。每10～15 m設(shè)一條伸縮縫，縫間設(shè)銅片止水。

為保證泄槽底板的穩(wěn)定，降低底板的揚(yáng)壓力，底板基礎(chǔ)設(shè)置排水系統(tǒng)和錨筋系統(tǒng)。對(duì)斷層破碎帶及影響帶范圍內(nèi)的泄槽底板基礎(chǔ)采取深挖回填混凝土并采用固結(jié)灌漿的處理措施。溢洪道設(shè)置5道摻氣坎槽，在摻氣槽后的起始位置設(shè)橫向伸縮縫，使挑坎形成的有效空腔跨越橫縫，避免橫縫遭受高速水流沖擊，陡槽段橫縫間距為65～128 m?？v橫伸縮縫均為平縫，縫間設(shè)有銅片止水。

3.4 挑流鼻坎段

為保證挑流鼻坎在較大的動(dòng)水荷載作用下穩(wěn)定，在挑流鼻坎底下設(shè)齒槽，以增強(qiáng)其抗滑穩(wěn)定性。挑流鼻坎過(guò)水面在反弧最低點(diǎn)處厚度最薄，為3 m。底板沿縱向每15 m設(shè)一條縱縫，垂直水流向不分縫，均為施工縫，施工縫設(shè)鍵槽。縱向伸縮縫為鉛直縫，縫間設(shè)銅片止水，不設(shè)充填料。挑流鼻坎與消力塘間平臺(tái)寬40～50 m，采用2 m厚鋼筋混凝土襯護(hù)，并在基礎(chǔ)設(shè)置錨筋樁錨固。對(duì)右槽附近巖體破碎部位進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

3.5 消力塘

消力塘采用護(hù)岸不護(hù)底襯砌結(jié)構(gòu)，為保證消力塘底板抗沖刷及邊坡襯砌穩(wěn)定，消力塘邊坡坡腳設(shè)鋼筋混凝土齒槽，齒槽深度為10 m，齒槽與基礎(chǔ)采用錨筋樁錨固。

受F44和F45斷層的影響，消力塘底板大致以中心線為界，左側(cè)以II類巖體為主，右側(cè)為Ⅲ、Ⅳ類巖體。因而左側(cè)采用錨桿隨機(jī)錨固，右側(cè)斷層部位采用混凝土塞置換,并設(shè)置錨筋樁錨固；右側(cè)位于主要沖刷區(qū)的非斷層區(qū)范圍設(shè)置長(zhǎng)錨筋樁錨固，其余部位設(shè)置短錨筋樁錨固。

消力塘采用貼坡鋼筋混凝土襯砌，620.0 m高程以下、620.0～635.0、635.0～655.0 m高程襯砌厚度分別為2、1、0.6 m。貼坡混凝土設(shè)順坡向無(wú)寬度結(jié)構(gòu)縫，間距一般為15 m，縫中不設(shè)止水，鋼筋不過(guò)縫。邊墻上設(shè)錨筋樁錨固。

3.6 混凝土設(shè)計(jì)

根據(jù)溢洪道各部位的流速及結(jié)構(gòu)要求，確定溢洪道各部位混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 溢洪道各部位混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

糯扎渡水電站為瀾滄江上的巨型水電工程，泄洪消能問(wèn)題十分突出。為此，在可行性研究階段，對(duì)泄洪建筑物布置進(jìn)行了多方案比選、研究，在招標(biāo)階段進(jìn)行了深化研究，結(jié)合整體水工模型試驗(yàn)及溢洪道單體、摻氣減蝕、護(hù)岸不護(hù)底、泄洪霧化等專題研究，設(shè)計(jì)了適合本工程特點(diǎn)的大型岸邊溢洪道。

由于河道狹窄、泄洪功率巨大，在溢洪道挑流鼻坎下游設(shè)置消力塘消能，有效解決了消能問(wèn)題。消力塘的開(kāi)挖料作為堆石壩主要料源，降低了工程造價(jià)。該工程的泄洪消能設(shè)計(jì)對(duì)類似工程的建設(shè)具有借鑒和指導(dǎo)意義。