官地水電站RCC大壩泄洪底流消能技術(shù)研究與應(yīng)用

彭文明，胡小紅，陳 強(qiáng)，張連明

（中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

1 工程概況

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州，是雅礱江卡拉至江口河段水電規(guī)劃5級(jí)開發(fā)的第3個(gè)梯級(jí)電站，其主要任務(wù)是發(fā)電。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高168 m，采用壩身5個(gè)表孔和2個(gè)中孔泄洪及底流消能的方案。水庫正常蓄水位1 330.00 m，設(shè)計(jì)洪水位1 330.18 m，總庫容7.6億m3，屬日調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機(jī)容量2 400 MW，多年平均年發(fā)電量118.7億kW·h。

大壩于2009年9月開始澆筑第1倉混凝土，2011年12月澆筑至壩頂，歷時(shí)27個(gè)月，壩體混凝土澆筑總量約344萬m3。電站于2012年3月實(shí)現(xiàn)首臺(tái)機(jī)組發(fā)電。

2 泄洪消能的特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

官地大壩最大壩高168 m，設(shè)計(jì)洪水流量14 000 m3/s，校核洪水泄洪流量15 900 m3/s，上下游水頭差最大達(dá)105.6 m，屬于典型的高水頭、大流量泄洪建筑物。工程處于高山峽谷河段，兩岸地勢(shì)陡峻，岸坡風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈。由于挑流消能存在霧化降雨嚴(yán)重影響岸坡穩(wěn)定，而底流消能方案具有壩體體形相對(duì)簡單、有利于碾壓混凝土優(yōu)質(zhì)快速施工等優(yōu)點(diǎn)，因此工程采用表孔泄洪、 “寬尾墩+連續(xù)跌坎+底流消力池”進(jìn)行底流消能的方案，具有水頭高、落差大、流速高、單寬流量大、單寬泄洪功率大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)洪水時(shí)，下泄單寬流量122.7 m3/（s·m），上下游落差105.6 m，單寬泄洪功率127.1 MW/m；校核洪水時(shí)，下泄單寬流量167.37 m3/（s·m），上下游落差104.9 m，單寬泄洪功率172.2 MW/m。

官地高壩泄洪底流消能如按常規(guī)設(shè)計(jì)，水流平滑入池流速可達(dá)42~45 m/s，高速紊動(dòng)水流對(duì)消力池底板穩(wěn)定性極為不利，過流壩面也會(huì)因水流速度過大，產(chǎn)生空化、空蝕破壞，其底流消能防沖的規(guī)模和技術(shù)難度在國內(nèi)外當(dāng)屬前列。因此，采取措施降低池內(nèi)臨底流速、進(jìn)行壩面摻氣減蝕是該工程泄洪消能的重點(diǎn)，也是最大的技術(shù)難點(diǎn)。

3 底流消能的布置形式及消能工試驗(yàn)研究

參考已建工程的經(jīng)驗(yàn)[1-5]，結(jié)合官地大壩泄洪消能的特點(diǎn)進(jìn)行底流消能設(shè)施布置，通過大量模型試驗(yàn)研究論證方案的合理性，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

3.1 底流消能布置基本體形

溢流表孔泄洪消能建筑物基本布置為 “表孔寬尾墩+連續(xù)跌坎+底流消力池”。5個(gè)溢流表孔為開敞式，孔口尺寸為15 m×19 m （寬×高），表孔均采用寬尾墩布置形式，中墩厚5 m，邊墩厚4 m。溢流堰頂高程為1 311.00 m，下游堰頂冪曲線方程為y=0.042 854x1.85，后接1∶0.75斜坡，再通過半徑48.0 m的反弧段與消力池相接。為減小消力池臨底流速，在壩體下游反弧末端設(shè)連續(xù)跌坎，跌坎高度為6.5 m，并在壩面樁號(hào) （壩）0+045.80和 （壩）0+070.00分別設(shè)置1道摻氣坎槽，使溢流壩面 （含反弧段）得到有效摻氣保護(hù)。底流消力池底高程1 188.00 m，池底長135 m，寬95 m，尾坎高22.5 m。

3.2 連續(xù)跌坎研究

高水頭、大流量泄洪工程采用常規(guī)底流消能時(shí)，由于消力池底板臨底流速大，底板的抗沖保護(hù)難度很大[6]。為降低消力池底板臨底流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)，官地大壩采用跌坎式底流消能。

連續(xù)跌坎主要進(jìn)行高度選擇研究。跌坎高度對(duì)消力池臨底流速、池底壓強(qiáng)、池內(nèi)流態(tài)和尾坎出口的水流形態(tài)均有直接關(guān)系。類比其他工程[7-8]，對(duì)官地大壩進(jìn)行5~10 m跌坎高度對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)情況如表1所示。

試驗(yàn)表明，跌坎過高或過低時(shí)，臨底流速均較高，水流流態(tài)不夠穩(wěn)定，消能效果不好。進(jìn)行6～8 m跌坎高度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，坎高7～8 m時(shí)，常遇洪水時(shí)將出現(xiàn)面流，且出池流速與水面波動(dòng)較大；坎高6～7 m時(shí)，各種洪水工況流態(tài)均較好。結(jié)合中小型洪水閘門開啟要求，在保障水流流態(tài)穩(wěn)定的前提下確保一定的消能效率，最終確定的跌坎高度為6.5 m。

3.3 寬尾墩布置及體形研究

自中國首創(chuàng)寬尾墩[9]以來，寬尾墩聯(lián)合消能得到了大量的研究和應(yīng)用[10-11]，較為成熟的寬尾墩基本體形有Y形和X形。寬尾墩通過改變壩面流態(tài)，水體通過寬尾墩作用向豎向拉開擴(kuò)散，形成空中挑射摻氣水流，不但在入池前增大能量損失，同時(shí)改善入池后的流速流態(tài)分布，形成三元水躍流態(tài)，從而提高消能效率。

官地大壩進(jìn)行了無寬尾墩、Y形和X形 （在Y形基礎(chǔ)上局部調(diào)整）寬尾墩3個(gè)方案的試驗(yàn)比較（見表2）。綜合比較流態(tài)、臨底流速、時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)等因素，Y形寬尾墩方案在消力池內(nèi)呈現(xiàn)典型的三元水躍流態(tài)，對(duì)于消力池底板的安全，尤其是跌坎附近強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)底板的安全性優(yōu)于其他兩種方案，作為選擇方案。

表1 跌坎高度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表2 寬尾墩體形比較試驗(yàn)結(jié)果

Y形寬尾墩：在樁號(hào) （壩）0+35.82～0+45.80范圍內(nèi)泄槽寬度由15 m收縮為8 m，收縮角為19.29°；寬尾墩前端高度為2 m，上邊緣線與水平向的夾角為30°。由于受上游來流不對(duì)稱性的影響，官地大壩2個(gè)邊表孔泄槽中的水深沿橫向分布極不均勻，由此造成寬尾墩斷面水翅較為明顯，部分裂散水體直接擊打兩側(cè)邊墻。根據(jù)邊表孔水翅的形狀特征和大壩的橫縫位置，通過對(duì)邊表孔Y形寬尾墩進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，改為不對(duì)稱V形寬尾墩 （見圖1），較好解決了邊孔水流流態(tài)問題。

圖1 不對(duì)稱V形寬尾墩體形（左邊表孔）（高程：m，尺寸：cm）

3.4 溢流壩面摻氣減蝕設(shè)施研究

通過空化數(shù)的計(jì)算[12-13]和試驗(yàn)判斷，在寬尾墩收縮斷面 （壩）0+35.80附近，水流的空化數(shù)已經(jīng)小于0.3，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，有必要在寬尾墩下游溢流壩面采取其他摻氣減蝕措施。

按照一般經(jīng)驗(yàn)，摻氣設(shè)施對(duì)平直段的保護(hù)長度約100~150 m，對(duì)反弧段的保護(hù)長度約70~100 m。官地大壩溢流面直線段長約105 m，后接約45 m長的反弧段，可采用1或2道摻氣設(shè)施，摻氣設(shè)施選用壩面常用的坎槽組合形式。

（1）1道摻氣坎方案。進(jìn)行初步布置位置比選發(fā)現(xiàn)，摻氣坎設(shè)置在 （壩）0+045.80處 （寬尾墩墩尾斷面）效果最佳；根據(jù)文獻(xiàn)[15]進(jìn)行摻氣坎截面計(jì)算，擬定摻氣槽截面尺寸為1 m×1.125 m （寬×深）、坎高范圍0.8~2.2 m，并對(duì)各種坎高方案進(jìn)行摻氣效果試驗(yàn)。水力模型試驗(yàn)表明，為使反弧段得到有效摻氣保護(hù)，坎高需取2.2 m，但該方案溢流壩面脈動(dòng)壓強(qiáng)也很大，達(dá)到94.1 kPa，將給反弧段造成較大脈動(dòng)破壞，不是最優(yōu)選擇。

（2）2道摻氣坎方案。保持第1道摻氣坎位置不變，在 （壩）0+070.00處壩面增設(shè)第2道摻氣坎，初擬不同坎高方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn) （見表3）。經(jīng)綜合比較，當(dāng)坎高均為1.5 m、摻氣槽截面為1.2 m×2.0 m（寬×深）時(shí)，摻氣濃度基本滿足設(shè)計(jì)要求，且壩面脈動(dòng)壓強(qiáng)峰值較小，為最終選擇方案。

表3 2道摻氣坎方案對(duì)比試驗(yàn)（設(shè)計(jì)洪水）

4 RCCD溢流壩面設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)

作為高水頭、大流量過流壩面，官地大壩溢流面在預(yù)可研階段進(jìn)行了是否采用臺(tái)階式壩面的比選。雖然在大朝山工程開展了臺(tái)階式過流壩面的試驗(yàn)研究，并取得了一定進(jìn)展，但由于官地最大壩高 （168 m）比大朝山 （111 m）高出很多，且單寬流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國內(nèi)外常規(guī)臺(tái)階式壩面單寬流量，通過水力模型對(duì)比試驗(yàn)表明，官地臺(tái)階式溢流壩面方案消能效果并不明顯，反而大大增加了臺(tái)階壩面的空蝕破壞，因而官地最終采用光滑溢流壩面方案。

結(jié)合溢流壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溢流面采用厚0.5 m的C50抗沖耐磨混凝土；為方便施工和更好的與壩體內(nèi)碾壓混凝土結(jié)合，在抗沖耐磨混凝土下設(shè)置一層平均厚2.5 m的C25常態(tài)混凝土。為保證RCCD快速施工，官地溢流壩面在設(shè)計(jì)及施工上還采取了以下一些措施：

（1）反弧段分期澆筑施工。由于反弧段壩面由水平過渡到1∶0.75坡度，壩坡相對(duì)較緩，為避免壩面常態(tài)混凝土澆筑影響碾壓混凝土施工進(jìn)度，采用分期澆筑方式。一期為碾壓混凝土施工，壩面為臺(tái)階形，每級(jí)臺(tái)階高1 m；二期為表面常態(tài)混凝土施工。其中施工縫面設(shè)置3排插筋 （φ32 mm@100 cm），并對(duì)1 213.00 m高程反弧段與直線段之間的施工縫采用鍵槽、布置2道止水銅片。

（2）直線段同期澆筑施工。為方便施工，直線段壩面碾壓混凝土和常態(tài)混凝土均同期澆筑，使得該部位混凝土更好地與壩體內(nèi)碾壓混凝土結(jié)合。

5 結(jié)語

官地水電站碾壓混凝土重力壩泄洪消能具有高水頭、大流量的特點(diǎn)，類比已建工程并經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，最終確定采用 “溢流表孔寬尾墩＋連續(xù)跌坎＋底流式消力池”的消能形式。通過水工模型試驗(yàn)研究，對(duì)寬尾墩、連續(xù)跌坎體形以及溢流壩面摻氣減蝕設(shè)施等各種消能設(shè)施進(jìn)行充分的驗(yàn)證和優(yōu)化。結(jié)合RCCD的施工特點(diǎn)，對(duì)官地大壩溢流面設(shè)計(jì)和施工采取相關(guān)措施，確保工程施工順利，為電站提前發(fā)電奠定了基礎(chǔ)。

［1］林可冀，韓立，鄧毅國.大朝山水電站RCC溢流壩寬尾墩、臺(tái)階式壩面聯(lián)合消能工的研究及應(yīng)用［J］.云南水力發(fā)電，2002，18（4）:6-15.

［2］才君眉，薛慧濤，馮金鳴.碾壓混凝土壩采用臺(tái)階式溢洪道消能初探［J］.水利水電技術(shù)， 1994（4）:19-25.

［3］陳椿庭.高壩大流量泄洪建筑物［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［4］肖興斌.高壩泄洪消能研究與運(yùn)用的新發(fā)展［J］.長江水利教育，1994（1）:43-48.

［5］王才歡，肖興斌.底流消能設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀述評(píng)［J］.四川水力發(fā)電， 2000（1）:79-81.

［6］張功育，湯健，王海軍，等.跌坎式底流消能工的消能機(jī)理分析與研究［J］.南水北調(diào)與水利科技， 2005， 3（6）:43-45.

［7］孫雙科，柳海濤，夏慶福，等.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究［J］.水利學(xué)報(bào)， 2005， 36（10）:1188-1193.

［8］曾雄輝，程浩，李延農(nóng).向家壩水電站泄洪消能方案構(gòu)思與初步研究［J］.水力發(fā)電， 2004， 30（4）:21-23.

［9］劉樹坤.寬尾墩挑流式消能工若干特性的研究［C］//水利水電科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集 （第13集）.北京：水利電力出版社，1983.

［10］謝省宗，朱榮林，李世琴，等.寬尾墩戽式消力池聯(lián)合消能工的水力特性及其水力計(jì)算方法［J］.水利學(xué)報(bào)，1992（2）:7-18.

［11］夏鏡如，楊清.寬尾墩應(yīng)用在高拱壩上消能防沖的研究［J］.泄水工程與高速水流，1990（2）:20-25.

［12］吳持恭.水力學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社.1998.

［13］泄水建筑物水力計(jì)算手冊(cè)［M］.陳肇和，等譯，北京：水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，華北水電學(xué)院北京研究生部，1993.

［14］周建平，鈕新強(qiáng)，賈金生.重力壩設(shè)計(jì)二十年［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［15］王海云，戴光清，張建民，等.高水頭泄水建筑物摻氣設(shè)施研究綜述［J］.水利水電科技進(jìn)展， 2004， 24（4）:46-48.