化沖力于綿綿消雨霧以安民——解讀向家壩水電站泄洪消能工程

王波

(中國三峽集團(tuán)公司建設(shè)管理局，四川成都610041)

對于水電站的泄洪消能，向家壩工程設(shè)計總工程師潘江洋這樣解釋——“泄洪”:在水頭高、泄量大、泄洪功率大的情況下，合理地布置、設(shè)計泄洪方案，減少洪水對大壩的不利影響，保證大壩的安全和穩(wěn)定，同時，滿足水庫泥沙設(shè)計和降低水庫水位的需要?！跋堋?相當(dāng)于一個武功高強(qiáng)的大師，將泄洪產(chǎn)生的巨大沖擊力巧妙地一一化解掉，避免泄洪沖擊對河床和河岸的“傷害”，同時重視泄洪霧化的影響，減少或消除泄洪產(chǎn)生的霧化，保護(hù)鄰近生產(chǎn)、生活區(qū)及建筑物的環(huán)境。

底流消能

“底流消能”相對的是“挑流消能”、“平流消能”，它們都是專業(yè)術(shù)語。修建水電站的目的，是在江河中修建起大壩，利用大壩攔蓄江(河)水，用于防洪、發(fā)電、灌溉、改善航運(yùn)等。水是寶貴的，不應(yīng)該輕易放棄，但汛期洪水滾滾而來，就不能一味地攔蓄，只攔不泄，洪水會漫壩?！伴_閘泄洪”就是把水庫多余的水排掉。

由于大壩上下游的高落差，大壩攔蓄的江(河)水蘊(yùn)藏巨大的能量:通過引水壓力鋼管進(jìn)入蝸殼，轉(zhuǎn)動巨型水輪機(jī)組，產(chǎn)生驚人的電力;“開閘泄洪”時如不想辦法消減其能量，則可能對下游基巖、河床造成嚴(yán)重破壞。

泄洪消能主要有挑流消能、平流消能和底流消能3種方式。目睹過三峽大壩開閘泄洪的人，都難以忘記那氣勢磅礴、驚心動魄的一幕:巨大的水流以排山倒海之勢從泄洪孔中噴涌而出，沖向江面，激起滔天濁浪，霧氣彌漫，轟鳴聲不絕于耳——那情景已經(jīng)成為雄偉、壯觀的三峽工程象征性畫面!

中南院向家壩工程設(shè)計總工程師潘江洋介紹，三峽工程的泄洪消能為“挑流”方式，泄洪水流被高高挑起再落到水面，利用水在空中與空氣的摩擦和入江后水與水的混動將能量削減。由于挑流的特點(diǎn)，水流挑起后落入水面的初始能量驚人，對大壩下游基巖的強(qiáng)度要求很高。三峽工程下游基巖是完整的花崗巖，足夠抵抗泄洪時巨大水流的沖擊。然而，向家壩水電站卻沒有這樣堅實(shí)的“底子”，主要為砂巖夾泥巖的向家壩基巖甚至有深層滑動的地質(zhì)背景。如果向家壩泄洪也采用“挑流”方式，泄洪巨大的能量就有可能嚴(yán)重破壞下游基巖，進(jìn)而威脅大壩的安全穩(wěn)定。

另一方面，水富縣城與云南天然氣化工廠離大壩泄洪消力池末端僅500多米，可謂“近在咫尺”。倘若用“挑流”泄洪消能方式，泄洪時浪擊的轟鳴、漫天的霧氣也會讓這里的人們無法消受。

“挑流”不可取，“平流”亦不可取。“平流”泄洪消能方式，顧名思義，就是泄洪“隨波逐流”，水流幾乎平行于水面宣泄。但如果是大功率的泄洪，強(qiáng)大的水流勢必引起江水劇烈波動，嚴(yán)重影響到下游航運(yùn)安全。向家壩既有大功率泄洪，又有航運(yùn)的要求，“平流”方式也被排除了。

剩下的只有底流消能方式。充分考慮了大功率泄洪、消能、排沙、保護(hù)環(huán)境等要求，設(shè)計者聰明地設(shè)計了一種“高低坎”的底流泄洪消能方式。利用在大壩下游修建的一個大型“水池”(消力池)，承接泄洪水流;泄洪中孔和表孔溢流面一直延伸到消力池中，同時又形成高于消力池底板的高低兩個“坎”。這樣，開閘泄洪時，從中孔和表孔泄下來的兩股高速水流所帶的能量在消力池中既互相抵消，又受到消力池中江水的消化，真正達(dá)到泄洪、消能、排沙和保護(hù)環(huán)境的目的。在與水富縣城和云天化方面解釋溝通，消除其對泄洪霧化疑慮時，時任中南院總工程師胡斌形象地比喻:好比將十幾根水管子插到一個大水池里出水，不會出現(xiàn)霧氣彌漫的現(xiàn)象——這就是向家壩泄洪的方式:“底流消能”。

設(shè)計之路

參與向家壩泄洪消能設(shè)計的中南院向家壩副設(shè)總師張永濤告訴記者，向家壩泄洪消能設(shè)計經(jīng)歷了預(yù)可行性研究、可行性研究、招標(biāo)設(shè)計和細(xì)部深化研究等4個階段。

“就像十月懷胎，向家壩泄洪消能設(shè)計經(jīng)歷漫長、艱難的過程?！睆堄罎f。開始階段，“底流”消能方式便在設(shè)計者的設(shè)計思想中明確了。因為當(dāng)時壩址已經(jīng)確定，云天化工廠就在壩址下游不遠(yuǎn)處，通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)云天化的生產(chǎn)本身對空氣有特殊的要求，空氣濕度太大會影響該公司化肥生產(chǎn)的質(zhì)量，為此，易產(chǎn)生霧化的“挑流”消能方式被否定了，“平流”方式也因下游航運(yùn)的要求被否定，只有“底流”方式供設(shè)計者選擇。

“但那時只考慮常規(guī)的底流消能。因為中南院在湖南搞過一個灣塘水電站，也是采用底流消能方式。因有經(jīng)驗在先，做壩工設(shè)計者顯得信心十足?！睆堄罎f。那時候，向家壩泄洪消能問題不是特別引人關(guān)注，預(yù)可行性研究報告也只提了寥寥幾句話:“本工程泥沙問題較為突出……應(yīng)進(jìn)一步研究泄洪、排沙的流量分配和運(yùn)用原則?！?/p>

但是到了可行性研究階段，向家壩泄洪消能必須關(guān)注多方面的問題。設(shè)計者發(fā)現(xiàn)，他們面對的向家壩水電站遠(yuǎn)非灣塘水電站可比。向家壩水電站有幾大特點(diǎn):流量大、泥沙多、高水頭，另外，作為超級水電站，向家壩電站所處河谷顯得有些狹窄，當(dāng)把發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉等各種功能性建筑物布置完之后，泄洪消能建筑物的布置空間已經(jīng)很局促。因為在相對狹小的空間布置泄洪建筑物，向家壩電站泄洪壩段的單寬流量驚人，達(dá)到49800米/秒，泄洪功率達(dá)4000萬千瓦/秒，消力池入池流速達(dá)35米/秒，這都是世界壩工史上罕見的。因要兼顧考慮到排沙、減小霧化、下游通航和護(hù)岸要求及深層抗滑穩(wěn)定等要求，向家壩泄洪消能問題絕非常規(guī)底流消能所能解決。

中南院原向家壩設(shè)總曾雄輝說，他們做過計算，采用傳統(tǒng)的“平底消力池”時，泄洪時挾裹著泥沙的金沙江水通過消力池底板的速度可達(dá)45米/秒，即以162公里的時速沖刷底板，產(chǎn)生的破壞力可想而知。為此，首先要解決大流量、高流速水流對消力池底板的沖擊破壞，而處在大壩下游的消力池底板是關(guān)系大壩穩(wěn)定的“抗力體”，是無論如何不能被破壞的。最直接的思路是降低“臨底流速”(即接近底板的水流流速)。在大伙一塊兒討論如何降低“臨底流速”時，有同志靈機(jī)一動:為什么不考慮將泄洪水流抬高于消力池底板進(jìn)行宣泄——只需將消力池設(shè)置一跌坎，消力池整體“跌落”在泄洪流道下方，這樣水流便不會挨著消力池底板沖刷，“臨底流速”自然降低了!

在確定帶跌坎思路后，設(shè)計者對不同跌坎類型的消能方式進(jìn)行了研究，包括連續(xù)跌坎、差動坎和高低坎等方案。參與研究、試驗的科研院所有中南院科研所、水科院、四川大學(xué)、南京水科院等多家單位。經(jīng)過多次整體模型試驗研究，發(fā)現(xiàn)采用將中表孔隔墻延伸至跌坎末端的“優(yōu)化差動坎”方案(即高低坎方案)，消力池內(nèi)的流態(tài)穩(wěn)定性最優(yōu)。2004年11月在北京召開的向家壩水電站可行性研究報告(樞紐工程)審查會議上，會議同意采用高低坎跌坎底流消能方式。

在招標(biāo)設(shè)計階段，設(shè)計人員進(jìn)一步對高低坎方案進(jìn)行了優(yōu)化，包括在泄洪中孔、表孔單獨(dú)和聯(lián)合運(yùn)行時加大泄洪調(diào)度靈活性、關(guān)注整個消力池及上下游水力學(xué)指標(biāo)的深化研究等。

向家壩泄洪消能研究工作步步求證，終于得到比較理想的泄洪消能體型。張永濤告訴記者，盡管模型試驗等研究工作表明設(shè)計的消能方式是安全可靠的，但深知責(zé)任重大，他們把消力池的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提高到大壩同一等級，即500年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、5000年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)。這是當(dāng)今世界壩工設(shè)計的最高等級!

一流標(biāo)準(zhǔn)

最大泄洪流量為48660立方米/秒、最大下泄總功率約4000萬千瓦、消力池內(nèi)最大單寬流量為225立方米/米、消力池入池流速達(dá)42米/秒……這些一般人看來并不起眼的數(shù)據(jù)，對于水電業(yè)界而言卻是令人震驚的，因為這樣的數(shù)據(jù)在國內(nèi)外水電建設(shè)史上十分罕見。

我國水利水電科技泰斗、中國科學(xué)院和中國工程院資深院士潘家錚曾多次參與向家壩水電站設(shè)計審查，對向家壩泄洪消能的情況十分清楚，他曾給中國三峽集團(tuán)董事長曹廣晶和總經(jīng)理陳飛寫信:“向家壩泄洪消能難度空前，或可列全球壩工之冠，而且每年汛期都要大流量泄洪，與一些設(shè)計泄量雖大但泄洪概率極低的工程性質(zhì)完全不同?！?/p>

為此，潘家錚建議中國三峽集團(tuán)公司“將向家壩泄洪消能問題列為重大問題，予以高度重視。在建設(shè)期狠抓質(zhì)量，務(wù)求消除所有缺陷，達(dá)一流標(biāo)準(zhǔn)”。

潘家錚院士的意見和建議，集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)層高度重視，曹廣晶和陳飛都指示，要求向家壩參建單位不管是施工還是運(yùn)行，都要科學(xué)認(rèn)真對待，解決問題。

在當(dāng)前工程建設(shè)階段，當(dāng)然首先要確保泄洪消能建筑物的施工質(zhì)量。向家壩工程建設(shè)部主任彭岡對此有清醒的認(rèn)識。“管理從嚴(yán)、工藝從細(xì)、不留隱患!”對于泄洪消能施工，他斬釘截鐵地說。參建單位達(dá)成共識，從各環(huán)節(jié)入手確保消能建筑物施工質(zhì)量。設(shè)計單位中南院按規(guī)程規(guī)范的最高上限對消能建筑物進(jìn)行設(shè)計。從2010年底澆筑消力池底板混凝土開始，向家壩水電站參建單位通過組織和制度保證，采取優(yōu)化抗沖耐磨混凝土配合比、優(yōu)化倉面施工工藝、強(qiáng)化后期維護(hù)等一系列工程措施，確保泄洪消能建筑物施工質(zhì)量和今后安全穩(wěn)定運(yùn)行。

倉面施工工藝設(shè)計和優(yōu)化是施工過程中混凝土質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。向家壩泄洪建筑物部位設(shè)計鋼筋密集，為方便混凝土澆筑和振搗密實(shí)，參建各方通過“鋼筋網(wǎng)并束”方式預(yù)留下料口，并采用漏斗進(jìn)行輔助下料。泄洪消能的特點(diǎn)決定了中孔過流面必須一次澆筑成型，參建單位為此探索、優(yōu)化了翻模、拉模等澆筑形式。同時深入開展復(fù)振試驗，通過復(fù)振消除混凝土表面氣泡，做到過流面抹面光滑。

對混凝土澆筑后期的維護(hù)，參建各方也傾入了大量心血。建設(shè)者像對待自己孩子那樣對泄洪消能建筑混凝土呵護(hù)備至:混凝土澆筑后的保溫工作中，進(jìn)行分時、分區(qū)域、分流量和分溫度的個性化通水冷卻。此外，“夏天怕曬著，冬天怕凍著”，夏季掛棉織物，冬季噴涂聚氨酯發(fā)泡材料，日常養(yǎng)護(hù)時做到了常濕、不泡水。同時，對每一塊混凝土都進(jìn)行遮蓋保溫，做到保溫全覆蓋、無盲區(qū)。為杜絕過流面出現(xiàn)人為損傷，采用了竹跳板進(jìn)行保護(hù)。建設(shè)者的精心呵護(hù)，確保了泄洪消能建筑物混凝土質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

2012年10月11日下午7點(diǎn)，隨著向家壩電站左岸最后一個導(dǎo)流底孔關(guān)閉，10個泄洪中孔正式開啟過流，向家壩電站泄流方式實(shí)現(xiàn)重大轉(zhuǎn)換，永久泄洪建筑物正式投入運(yùn)行。金沙江水經(jīng)人們調(diào)控，從向家壩泄洪中孔宣泄，巨大水流急速從流道沖下，在消力池中翻滾激蕩，流向遠(yuǎn)方。記者從向家壩工程建設(shè)部了解，至11月底，包括泄洪中孔、消力池等永久泄洪建筑物平穩(wěn)、安全運(yùn)行，初步經(jīng)受了考驗。