新疆柳樹溝水電站工程的泄水建筑物設(shè)計(jì)

卞 全，馬曉華

（中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院 ，陜西西安710065）

新疆柳樹溝水電站工程的泄水建筑物設(shè)計(jì)

卞 全，馬曉華

（中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院 ，陜西西安710065）

為了更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布置、節(jié)約投資、加快進(jìn)度的目的，在新疆柳樹溝水電站工程的設(shè)計(jì)過程中，通過方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 ，確定泄水建筑物由導(dǎo)流兼泄洪洞、溢洪洞等組成；經(jīng)過整體水工模型試驗(yàn)論證，妥善解決了樞紐泄水建筑物體型設(shè)計(jì)及泄洪消能等問題。目前，柳樹溝水電站已投產(chǎn)發(fā)電一年多，運(yùn)行正常，經(jīng)濟(jì)效益良好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。通過總結(jié)柳樹溝水電站的泄水建筑物設(shè)計(jì)，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。

柳樹溝水電站；泄水；導(dǎo)流兼泄洪洞；溢洪洞；設(shè)計(jì)

1 工程簡介

柳樹溝水電站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)的開都河中游，距上游已建的察汗烏蘇水電站廠房約10 km，距下游已建的大山口水電站的河道距離約10 km。

工程以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合效益；總庫容為7.71×107m3，裝機(jī)容量為180MW。

工程于2009年10月開工建設(shè)，2011年5月河道截流，2013年7月機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

2 泄洪消能規(guī)模及特點(diǎn)

柳樹溝水電站工程［1］由混凝土面板堆石壩、導(dǎo)流兼泄洪洞、溢洪洞、引水發(fā)電洞和岸邊地面廠房等主要建筑物組成（樞紐布置見圖1）。

經(jīng)上游的察汗烏蘇水庫調(diào)節(jié)洪峰后，樞紐工程的正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期采用100 a一遇，洪峰流量為1 700m3／s；非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期采用2 000 a一遇，洪峰流量為2 230m3／s。

壩址左岸為凸岸，泄水、引水建筑物均布置在左岸，洞線短且順直；壩址下游凸岸為Ⅲ級(jí)階地，可布置地面廠房；引水系統(tǒng)緊鄰溢洪洞的外側(cè)布置、廠房布置在泄水建筑物出口的上游，發(fā)電洞線短，尾水受泄洪出流影響也較小。

為了節(jié)省工程投資、縮短建設(shè)工期，經(jīng)過詳細(xì)論證與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，適當(dāng)?shù)靥Ц吡藢?dǎo)流洞的進(jìn)口高程，將臨時(shí)導(dǎo)流洞與永久泄洪洞完全結(jié)合起來，兼顧施工期導(dǎo)流和永久泄洪的任務(wù)；在導(dǎo)流洞一次建成并完成導(dǎo)流任務(wù)和水庫下閘蓄水后，僅對(duì)其工作閘室和挑流鼻坎段進(jìn)行局部改建。

圖1 柳樹溝水電站工程的樞紐平面布置圖

3 泄水建筑物的設(shè)計(jì)原則

（1）本工程大壩為混凝土面板堆石壩，為提高泄水建筑物的超泄能力并增加運(yùn)用的靈活性，應(yīng)布置開敞式溢洪道或溢洪洞。

（2）泄水建筑物除滿足安全泄洪要求，應(yīng)同時(shí)考慮大壩及電站的安全、檢修、放空、排污及清淤保庫等綜合運(yùn)用要求，采用“表”、“深”結(jié)合的布置型式，互為備用。

（3）導(dǎo)流建筑物盡量與深孔泄洪洞結(jié)合，以降低工程投資、縮短工期。

（4）在深孔泄洪洞的型式、進(jìn)出口高程及孔口尺寸確定后，按校核洪水標(biāo)準(zhǔn)確定表孔的進(jìn)口高程及孔口尺寸，并確定“表”、“深”孔各自所承擔(dān)的泄量。

（5）泄水建筑物應(yīng)充分考慮地形地質(zhì)條件、水力條件、樞紐總布置及施工等因素，力求線路短，建筑物進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定，洞軸線與巖層具有較大的夾角，洞頂及側(cè)壁有足夠的巖體厚度。

（6）工程水頭較高，相應(yīng)流速較大，泄水建筑物明流段以直線為宜，進(jìn)出流方向應(yīng)順應(yīng)河勢。

（7）由于下游消能區(qū)河道狹窄，應(yīng)選擇合適的泄水建筑物消能工，盡量減小單位面積沖刷能量，減小沖刷坑深度，防止出流對(duì)河床兩岸的淘刷或頂沖。

4 泄水建筑物布置

4.1 地形地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

4.1.1 地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)為典型的峽谷地形，兩岸均為基巖，山勢高陡；選定壩址的左岸有凸出山梁、小彎道。壩址區(qū)出露地層為泥盆系中統(tǒng)薩阿爾明組下亞組下段、中段和第四系；其中，下段為一組火山碎屑巖建造的英安質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)粉砂巖及安山質(zhì)凝灰?guī)r等，為工程主要建基層位。工程場址主要建筑物的設(shè)防烈度為8度。

4.1.2 水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)地下水的類型主要有第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩類?？紫稘撍x存于谷底透水性強(qiáng)的河床和兩岸崩坡積塊碎石層孔隙中 ，水量豐富。而基巖裂隙水賦存運(yùn)移于基巖斷層帶及裂隙中 ，接受大氣降水補(bǔ)給；因區(qū)域干旱少雨，地下水不豐富且埋深大。

庫盤基巖主要由千枚巖夾板巖或板巖夾千枚巖及火山碎屑巖類和少量灰?guī)r構(gòu)成，壩址區(qū)淺部巖體基本屬弱透水巖體，兩岸相對(duì)隔水層埋深一般為80 m～130m。

4.2 泄水建筑物的布置型式

根據(jù)工程的運(yùn)用要求和布置原則，結(jié)合具體地形地質(zhì)特點(diǎn)及施工導(dǎo)流要求等，泄水建筑物由表孔與深孔組成。為減少投資、加快進(jìn)度，應(yīng)充分利用導(dǎo)流洞；為此，初選了與導(dǎo)流洞“完全結(jié)合”和導(dǎo)流洞后期改建為“龍?zhí)ь^”的兩種泄洪洞方案，并進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和論證［1］。

因“龍?zhí)ь^”泄洪洞比“完全結(jié)合”泄洪洞工程投資多400余萬元，且高水頭的“龍?zhí)ь^”泄洪洞存在較嚴(yán)重的水力學(xué)問題，故推薦深孔采用“完全結(jié)合”泄洪洞。在“完全結(jié)合”泄洪洞方案中，導(dǎo)流洞與泄洪洞完全結(jié)合，一次性建成后期局部改建；泄洪洞能全部利用已有的導(dǎo)流洞斷面，體現(xiàn)導(dǎo)流洞改建的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。在導(dǎo)流兼泄洪洞的體型確定后，再進(jìn)行溢洪洞的設(shè)計(jì)。

經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)后，泄水建筑物采用分層布置，以導(dǎo)流兼泄洪洞為主，溢洪洞為輔的布置格局。兩條洞線平行布置，兩條洞線平面距離約60m。泄水建筑物的工程特性見表1。

表1 泄水建筑物的工程特性

4.3 導(dǎo)流兼泄洪洞布置

導(dǎo)流兼泄洪洞位于左岸，從上游而下，依次由引渠段、進(jìn)水塔、壓力隧洞、工作閘室、無壓隧洞、泄槽及挑流鼻坎等部分組成 ，全長約670 m［2］。泄洪洞的設(shè)計(jì)泄量為1 292m3／s，校核泄量為1 334m3／s。

（1）引渠段

引渠段的斷面為矩形，長約40 m，寬度漸縮至進(jìn)口處，兩側(cè)采用混凝土重力式擋墻用以擋渣。

（2）進(jìn)水塔

進(jìn)水塔采用岸塔式，長度18m，底寬14m，底板厚5m，塔體總高85m。進(jìn)口采用三向收縮型，頂唇和兩側(cè)均采用橢圓曲線。進(jìn)水塔內(nèi)設(shè)一道平板檢修門，平板門尺寸為7m×9m（寬×高）。塔頂布置啟閉機(jī)室，由3跨總長54m的交通橋與上壩進(jìn)廠路相接。

（3）有壓隧洞段

有壓隧洞長423m，設(shè)置了兩個(gè)彎段，整體縱向底坡為0.945%，開挖斷面為馬蹄形。其中，設(shè)置了進(jìn)口漸變段，長20m，內(nèi)徑由7m×9m（寬×高）的矩形斷面漸變?yōu)橹睆?.5 m（襯砌后）的圓形斷面。出口漸變段與工作閘室連接，長20 m，施工導(dǎo)流期為城門洞形斷面；在水庫下閘蓄水后改建導(dǎo)流洞時(shí)，由內(nèi)徑8.5m的圓形斷面漸變?yōu)?.5m×6m（寬×高）的矩形斷面。

（4）工作閘室

工作閘室布置于山體內(nèi)，長25 m，底板厚3 m。工作閘室頂拱的橫向跨度為13.5 m，距底板高差為40m。工作閘室內(nèi)設(shè)置弧形工作門，工作閘門尺寸為7.5m×6m（寬×高），由布置在閘門頂?shù)牟僮魇覂?nèi)的液壓啟閉機(jī)啟閉，操作室由132m長的交通隧洞連接至廠內(nèi)道路。

（5）無壓隧洞段

無壓隧洞長83m，縱向底坡為4%；斷面為城門洞型，襯砌后寬7.5m，直墻高8m，拱高2.5m。

（6）泄槽及挑流鼻坎段

無壓隧洞段后接短泄槽及挑流鼻坎段，長約25 m。泄槽采用矩形斷面，寬7.5m，側(cè)墻高8m。為減少射流對(duì)岸坡和河道的不利沖刷，由水工模型試驗(yàn)確定采用收縮窄縫式挑流鼻坎。

（7）下游護(hù)岸

自溢洪洞上游20 m到泄洪洞下游110m范圍內(nèi)，采用混凝土貼坡防護(hù)，底部防護(hù)至基巖。

4.4 溢洪洞布置

溢洪洞布置在左岸，依次由引渠段、堰閘段、無壓隧洞、泄槽及挑流鼻坎等組成，建筑物全長約440 m［2］。溢洪洞的設(shè)計(jì)泄量為662 m3／s，校核泄量為907m3／s。

（1）引渠段

引渠底板高程為1 477.0 m，斷面為梯形渠槽，底寬8m，總長約40m。兩側(cè)為貼坡混凝土。

（2）堰閘段

堰閘段長28m，溢流寬度8m，邊墩厚度為3.5 m。堰頂高程為1 482.0m，堰型采用WES曲線型實(shí)用堰：上游堰高5m，上游坡度為3∶1，堰面曲線方程y＝0.0647x1.836。堰面曲線后接1∶1.5的斜坡段，斜坡段與下游泄槽底板通過半徑20m、圓心角25.02°的反弧曲線相接。

堰閘段設(shè)平板檢修閘門及弧形工作閘門各一道，閘門的孔口尺寸均為8m×12.5m（寬×高）。

（3）無壓隧洞段

無壓隧洞段長367 m。洞身段由兩段組成，上游段縱向底坡為0.03，下游段縱向底坡為0.3，縱向底坡由緩變陡，兩段之間通過拋物線連接，拋物線方程為y＝0.03x＋0.00596x2。洞身段標(biāo)準(zhǔn)斷面為城門洞形斷面，底寬8m，邊墻高8m，頂拱高2m。

（4）泄槽段及挑流鼻坎段

無壓隧洞后接短泄槽及挑流鼻坎。泄槽為矩形斷面，底寬8 m，側(cè)墻高7 m。因溢洪洞軸線與下游河道夾角較大，而下游河道狹窄，為減少射流對(duì)河道和岸坡的不利沖刷，采用收縮窄縫式挑流鼻坎，使出流向兩側(cè)擴(kuò)散。

5 水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過1∶80比尺的整體水工模型試驗(yàn)?zāi)M，從水力學(xué)角度對(duì)樞紐布置及泄水建筑物的體型進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)選，也對(duì)建筑物的運(yùn)行、下游沖淤和防護(hù)進(jìn)行了研究 ，主要結(jié)論［3－4］如下：

（1）各種運(yùn)行工況下，上游庫區(qū)無回流。溢洪洞進(jìn)口流態(tài)平穩(wěn)，出流均勻，流態(tài)穩(wěn)定，水面銜接自然：泄洪洞水流平順，進(jìn)口無旋渦；樞紐總體布置合理。

（2）泄水建筑物的泄流能力均大于計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求，并有一定的富余量，實(shí)測值較相應(yīng)的設(shè)計(jì)值大2.3%～3.6%。

（3）一般而言，泄水建筑物的壓力值均為正壓且較大，溢洪洞的渥奇曲面局部出現(xiàn)了低壓區(qū)（正壓），但此范圍的水流空穴數(shù)大于0.3，應(yīng)控制混凝土表面的不平整度。溢洪洞泄槽段局部的水流空穴數(shù)較低，最小值為0.27，此范圍應(yīng)值得注意，流速雖小于35m／s，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土表面的不平整度。其余部位的的水流空穴數(shù)均大于0.3，可不設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。

（4）因下游河道較窄，理想的鼻坎效果是出流落點(diǎn)分散，射流在豎向和縱向都能充分?jǐn)U散。經(jīng)比較選用，溢洪洞及泄洪洞均采用窄縫式導(dǎo)向貼角鼻坎，消能效果好。射流的水舌散開，與空氣的接觸面大、摻氣，而且出流歸槽好、河道流態(tài)較好、沖坑淺、淤積少。

（5）洪水過后，下游河道的淤積體抬高了電站尾水位，降低出力。為減小電量損失，建議對(duì)下游消能區(qū)河床中的覆蓋層進(jìn)行預(yù)挖。

6 消能工體型、下游沖刷及防護(hù)

6.1 消能工體型選擇［3－4］

泄水建筑物的出口集中布置于左岸，其軸線均與下游河道有較大夾角；因出口流速達(dá)34m／s，鼻坎須設(shè)置約45°的急轉(zhuǎn)彎，才能使高速水流在短距離內(nèi)導(dǎo)向河道。

本工程溢洪洞及泄洪洞泄槽末端水流的佛汝德數(shù)分別為6和4，較適合采用窄縫鼻坎。采用收縮式窄縫挑坎，挑流沿豎向擴(kuò)散，增大了射流入水面積；而且水流與空氣的接觸面積大，擴(kuò)散更充分，特別適用于河谷狹窄的地形。因此推薦收縮式窄縫鼻坎作為泄水建筑物的消能工。

經(jīng)過多個(gè)試驗(yàn)方案比較，推薦采用窄縫式導(dǎo)向貼角挑流鼻坎，射流在豎向和縱向都能充分?jǐn)U散，左岸基本不沖，右岸沖深較小，下游河道淤積亦不大。當(dāng)射流到達(dá)最高點(diǎn)后，空中水舌呈掃帚狀且水股四散，入水時(shí)形成三個(gè)條形，入水面積較大；與空氣的接觸面較大，空中消能較充分，下游沖坑較淺。電站廠房遠(yuǎn)離下游消能區(qū)，其霧化水流對(duì)廠房影響也較小。

6.2 下游沖刷［3］

為進(jìn)一步分析比較下游河道情況，對(duì)推薦鼻坎方案詳細(xì)測試了各工況的下游河道流速分布及沖淤地形，各放水組次的下游河道沖淤特征值見表2。

校核洪水時(shí)，溢洪洞及泄洪洞均全開泄流，水舌落點(diǎn)集中落于河道，右岸70m范圍有較弱的回流。因河道較窄，沖刷較嚴(yán)重，下游淤積體范圍較大。

設(shè)計(jì)洪水時(shí)，泄洪洞全開泄流，產(chǎn)生較強(qiáng)的回流；溢洪洞局開泄流，不能阻擋該回流。下游河道淤積體在左岸，范圍不大，河道沒有被阻斷。

50 a一遇洪水時(shí)，泄洪洞局開泄流，溢洪洞不過流，水舌落于河道束窄處，在右岸產(chǎn)生較強(qiáng)的回流。5 a一遇洪水時(shí)，泄洪洞局開泄流，水舌落點(diǎn)靠左岸，在右岸產(chǎn)生較強(qiáng)的回流。

表2 各運(yùn)行組次的下游河道沖刷比較表

6.3 下游河道疏浚與防護(hù)

由于下游河道狹窄，設(shè)計(jì)洪水過后，下游沖淤抬升電站尾水位約1.1m；50 a一遇洪水則影響約0.4 m。根據(jù)水工模型試驗(yàn)結(jié)果，在設(shè)計(jì)洪水過后，將河道中高于平水期水位的淤積體清除，經(jīng)河道疏浚后，電站尾水位沒有抬高。在初期運(yùn)行時(shí)，通過河道預(yù)開挖，提高運(yùn)行效率和發(fā)電量。

根據(jù)水工模型試驗(yàn)結(jié)果，在消能防沖設(shè)計(jì)洪水、溢洪洞局開運(yùn)行或泄洪洞局開運(yùn)行情況下，以及常遇洪水、溢洪洞全開與泄洪洞局開等泄洪組合情況下，水舌落點(diǎn)在河中，不沖砸右岸；但考慮泄洪霧化的影響，對(duì)右岸泄洪霧化區(qū)進(jìn)行覆蓋層清坡處理、對(duì)于較厚覆蓋層邊坡進(jìn)行漿砌石貼坡防護(hù)處理。左岸岸坡在泄洪洞軸線下游有局部沖刷，根據(jù)樞紐總布置對(duì)溢洪洞上游20 m到泄洪洞下游110m范圍采用貼坡混凝土防護(hù)，防護(hù)至河道基巖。

7 結(jié) 語

柳樹溝水電站的泄水建筑物采用分層布置，以導(dǎo)流兼泄洪洞為主，溢洪洞為輔的布置格局。經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證和詳細(xì)設(shè)計(jì)研究，并經(jīng)導(dǎo)流期過水驗(yàn)證和初期下閘蓄水的考驗(yàn)；目前，柳樹溝水電站已投產(chǎn)發(fā)電一年多，運(yùn)行正常，經(jīng)濟(jì)效益良好，監(jiān)測資料也表明水工建筑物運(yùn)行情況良好。

柳樹溝水電站的泄水建筑物設(shè)計(jì)，總體達(dá)到了優(yōu)化樞紐布置、加快建設(shè)速度和減少投資的預(yù)期目標(biāo)。通過本文對(duì)柳樹溝水電站的泄水建筑物設(shè)計(jì)總結(jié)，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。

［3］ 諸 亮，衛(wèi) 勇，徐春燕，等.新疆開都河柳樹溝水電站工程整體水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.西安：西北勘測設(shè)計(jì)研究院，2007：15－37.

［4］ 諸 亮，徐春燕 .柳樹溝水電站泄洪消能試驗(yàn)研究［J］.西北水電，2009，（3）：23－26.

The Design of Discharging Structrures of Xinjiang Liushugou Hydropower Project

BIANQuan，MA Xiao－h(huán)ua
（Hydro China Xibei Engineering Corporation，Xi’an，Shaanxi710065，China）

To better achieve the purposes of optimized layout，saving investment，accelerating construction progress，in the design of Liushugou hydropower project，the hydraulic structurewas composed of diversion and flood discharging tunnels and spillway tunnels after technical and economic comparison.Through detailed simulation of the integral hydraulic model test，the questionsof structure body design，flood discharge and energy dissipationwere solved properly.Currently，this projecthas been safely operating formore than 1 year.Itmade great profitand achieved anticipative aims.This paper summarized the design of hydraulic structuresof Liushugou Hydropower Station in the hope of providing references to similar engineering designs.

Liushugou Hydropower Station；discharging；diversion and flood discharging tunnel；spillway tunnel；design

TV65

A

1672—1144（2014）04—0116—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.022

2014－02－28

2014－04－05

卞 全（1972—），男 ，河南桐柏人 ，高級(jí)工程師 ，主要從事水電站工程泄水建筑物的設(shè)計(jì)、研究及項(xiàng)目管理工作。