白鶴灘水電站泄洪消能問題的研究

王一博

（四川華電木里河水電開發(fā)有限公司 四川 涼山 615000）

1 工程概況

白鶴灘水電站主要由泄洪消能設(shè)備、攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪消能設(shè)備等構(gòu)成，攔河壩采用混凝土雙曲拱壩，高度為227m。在設(shè)計時，工程按照千年一遇的洪水標準進行設(shè)計，并按照萬年一遇的洪水標準進行校核。設(shè)計洪峰量為40300 m3/s和48200 m3/s。樞紐泄洪的總功率可以達到90000MW，泄洪水頭接近200m。雖然使用水庫調(diào)蓄和削峰后，泄洪量仍然在44168m3/s，下游河床最大單寬泄洪功率幾近1000MW/m，為世界已建拱壩工程所未曾有過。因此，必須妥善解決好白鶴灘水電站的泄洪消能設(shè)計問題。拱壩剖面圖如圖1所示。

2 泄洪方式的選取

白鶴灘水庫總庫容191億m3，但多年平均徑流量為1258億m3，庫容相對較小，泄洪頻繁，要求泄洪建筑物運行安全可靠，因此采取多種泄洪設(shè)施泄洪，可互為備用，也增加了工程運行的靈活性和安全性。就壩址區(qū)地形地質(zhì)條件來說，河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸無適合布置岸邊溢洪道的位置，而壩區(qū)內(nèi)巖石完整，無大斷層切割，具有修建大型泄洪隧洞的地質(zhì)條件[1]。泄洪洞雖造價高于壩身泄洪，但具有遠送水流的特點，能減少壩下消能防沖的負擔，且運行安全可靠。

根據(jù)國外和國內(nèi)建壩經(jīng)驗以及白鶴灘工程自身特點，制定了壩身孔口和岸邊泄洪洞相聯(lián)合的泄洪方案。在可以展示壩身能力的前提下，在岸邊安置一些泄洪設(shè)備，以達到白鶴灘大壩總體施工要求。

3 泄洪消能建筑物的設(shè)計

3.1 設(shè)計原則和設(shè)備布置

在水電站施工過程中，白鶴灘工程岸坡斜度大、水流量較大、水頭高河谷狹窄等特點，根據(jù)這個特點，在設(shè)計泄洪消能建筑物時必須和混凝土壩身泄洪、壩下消能的整體布局相結(jié)合，從而降低泄洪霧化對下游高邊坡造成的負面作用，設(shè)計泄洪消能建筑物時要遵守以下幾點要求：

圖1 拱壩剖面圖

（1）必須考慮到壩后消能和樞紐建筑物的關(guān)系，防止對尾水流出產(chǎn)生的不良后果，同時也解決好楊房溝對樞紐建筑物產(chǎn)生的作用。

（2）壩后消能區(qū)域最好不要對兩岸邊坡動土，同時也要想到入水水舌所處的位置水必須足夠深，防止出現(xiàn)干砸兩邊岸坡的狀況。

（3）水流根據(jù)壩身布置在不同的出口流出，降低水流沖下對消能區(qū)建筑物產(chǎn)生的壓力。

（4）考慮到此工程水庫的特點以及調(diào)節(jié)庫容量的大小，要選擇較為安全可靠的泄洪方案，保證洪水能夠安全瀉下，不會對下游高邊坡產(chǎn)生負影響。

（5）提前考慮泄洪霧化會影響到的地區(qū)范圍，繼而避免霧化作用到兩岸邊坡，由于白鶴灘水庫泄洪頻率高，庫容系數(shù)為8%，因此對泄洪建筑設(shè)備的可靠性和安全性要求比較高，為了增加樞紐的超泄能力，需要對表孔的數(shù)量進行增加。另外還需設(shè)置一定數(shù)量的深孔，以滿足降低庫水位、檢修大壩、泥沙調(diào)度等要求。結(jié)合國內(nèi)外建壩經(jīng)驗，初步選定“壩身6表孔+7深孔+5岸邊泄洪洞”的布置方案，為節(jié)省工程投資，其中2條泄洪洞為導(dǎo)流洞改建的豎井泄洪洞。

對投入資金和工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行綜合對比后，本工程設(shè)計堰頂高度為834m，壩身布置6個表孔，洞口的大小為15.2m×28m，有7個較深的孔洞，出口位置尺寸為6m×9m，出口位置高度大約876m的泄洪設(shè)備布置格局，大壩下流選擇水墊塘消能。岸邊布置5條泄洪洞，其中3條為有壓接無壓的常規(guī)泄洪洞，工作閘門孔口尺寸14m×11.3m，底板高程750m；另2條為利用導(dǎo)流洞改建的豎井泄洪洞，工作閘門孔口尺寸7.5m×10m，底板高程765m。

3.2 壩身泄洪孔口設(shè)置

為了防止岸坡受到洪水的刷洗，白鶴灘壩身泄洪口位一般設(shè)計在拱壩的中心，將溢流中心線變成了下游中心線，讓洪水緩緩地流下。表孔共6孔，孔洞大小為15.2m×28m，溢堰頂高度是834m，閘門設(shè)計為弧形工作閘門，以達到阻止水下流的目的，溢流堰面使用的是WES流曲線。閘門的寬度15m，溢流前面總體寬度194m。以溢流為中心，在兩邊對稱布置表孔，表孔從岸邊一直布置到河中，在出口處跌坎俯角分別為15°、30°、0°。對應(yīng)的跌坎高程分別為787.60m、785.90m、798.80m。平面上使用 4°～6°的擴散角，擴大水舌進水面積，讓水流向四周分散，降低每平方米內(nèi)的進水量。為了減縮溢流前方的寬度大小，安設(shè)了7個閘墩，每個閘墩下都設(shè)有一個較深的孔，設(shè)置孔洞的目的是防止水庫水位上升和泥沙的沖擊[2]。在設(shè)置時，要求孔洞口的直徑、7個深孔水頭必須與閘門、開關(guān)機設(shè)備的運行水平相結(jié)合，設(shè)計的每個孔洞口的高度最好低一些，白鶴灘充分考慮施工的安全性后，最終決定深孔出口底高度為876m，單個孔洞排泄水量是1736 m3/s，孔洞面積6m×8m（寬×高），工作水頭是110m。此時每個表孔都可以進行泄洪，那么瀉出的水舌就會有較大的沖擊角度，從而增強消能效果。為了將入水水舌沿縱向拉開，分成三組在七個深孔處使用不同的挑角，其中2#、6#深孔出口挑角為10°，1#、4#、7#深孔出口挑角為3°，3#、5#深孔出口挑角為16°。各個水舌的落點不允許出現(xiàn)重疊的情況。以降低水流集中造成的負面影響。除了四號孔以外，剩余的各個孔都在平面上向河岸方向轉(zhuǎn)動2°、2°、3°。

3.3 壩下消能建筑的設(shè)計布置

考慮到楊房溝工程泄洪建筑物本身的特點，壩后消能建筑物最后確定水墊塘和二道壩結(jié)合的方案，此方案可以避免兩岸邊坡受到洪水刷洗，還能保證大壩和抵抗物體的安全。

3.3.1 水墊塘設(shè)計布置

水墊塘設(shè)置時要與拱壩相鄰，水墊塘從底部到二道壩的長度為200.2m，其斷面形式設(shè)計時采取的是復(fù)式梯形斷面，底部板面選擇平地設(shè)計，其高度大約為5m，底板頂面高度要依照建基要求來決定，最后考慮地理條件、大壩的所處地形條件以及抗力物體穩(wěn)定的基本條件，從下游到上游方向水墊塘的底部直徑是50m～76m之間。水墊塘兩岸，每相隔23m就會設(shè)置一個馬道，馬道的大小是6m左右，并且其所用的鋼筋混凝土砌護高度是1987.3m。

3.3.2 二道壩布置

使用重力式壩體結(jié)構(gòu)布置二道壩，為了滿足過壩水流對流態(tài)的具體要求，借鑒類似工程的施工經(jīng)驗，初步擬定下游坡比為1∶0.8、上游坡比為1∶0.6。消力塘具有非常大的下泄流速，這樣在水上形成滾動和漩渦，成為非定態(tài)流動和具有脈動現(xiàn)象的湍流[3]。底板結(jié)構(gòu)受力比較多，在底板判斷浮力穩(wěn)定性和相似工程的參考下，決定采取混凝土底板，厚度為5m，以錨筋固定邊緣，為了使底板更加穩(wěn)定，采用交叉式排水管道，強迫其排水[4]。

在底板側(cè)面邊上，不間斷的水流、水團不斷沖入到水墊塘邊上，所以底板兩側(cè)必須有護欄，設(shè)成坡度為1∶2，間隔22m時設(shè)置馬道8m，并且內(nèi)帶排水。采取厚度為4m的混凝土，下部安裝排水孔和錨桿，上部安裝的墻壁有阻浪作用。

3.4 泄洪洞設(shè)計

壩外泄洪洞作為白鶴灘的主要泄洪設(shè)施項目之一。與許多泄洪布局方案相比之后，決定為全部泄洪洞。建立洪水情境時，設(shè)定泄量15000m3/s，校正泄量15801m3/s。其中泄洪洞泄量大約占總泄量的1/3，可進行單獨常年洪水灌溉，其下泄功率最大可達29122MW。根據(jù)泄量和工程總分布情況，泄洪洞以5條岸邊進行泄洪，當中2條是豎井泄洪洞由導(dǎo)流洞改建，3條是常規(guī)泄洪洞有壓接無壓組建。

3.5 泄洪霧化及防護設(shè)計

高壩泄洪水流霧化是一種難以解釋的物理現(xiàn)象，其受作用的原因很多，就目前來講，科學(xué)家還沒有提出有依據(jù)的計算方式。單從我國來說，研究霧化現(xiàn)象的方法依然是原型觀測[5]。整篇文章都是依靠大壩所處的地質(zhì)條件來對白鶴灘泄洪水流產(chǎn)生的霧雨展開研究討論，同時也研究霧化的作用范圍，提前制定好對應(yīng)的保護方案。

白鶴灘工程壩高277m，壩身布置6表孔（15.2m×28m），7深孔（6m×9m），兩岸布置了5條泄洪洞，泄洪流量、泄洪功率巨大。采用孔口分層出流、空中碰撞消能，壩址區(qū)河谷狹窄、地形陡峻，所引起的高速水流霧化問題將非常嚴重。

由于泄洪洞出口距離拱壩較遠，在壩軸線以下1500m～1700m（2條豎井泄洪洞因采取洞內(nèi)消能方式，無霧化現(xiàn)象），由此會造成拱壩壩體泄洪和泄洪洞泄洪兩個位置的霧化源。此工程霧化暴雨區(qū)包括大壩下游消能區(qū)、下方水流400m左右的區(qū)域以及孔洞口的消能區(qū)。按照霧化強度來推測降水強度，從而制定較好的防水和排水方案，降低有水量高造成的損壞[6]。另外，此工程選擇采用地下廠房設(shè)置的方法，將地面的出廠線安置在拱壩上游處。泄洪時，不會影響到其它建筑物。

4 結(jié)論

實踐證明，使用上述方法來進行泄洪消能基本可以達到水電站的運行需求。不過在實際設(shè)計過程中還要進一步對泄洪洞的體型、壩身泄流水舌的流臺進行調(diào)整。進而更進一步做好水電站泄洪消能工作。陜西水利

[1]王仁坤，溪洛渡水電站高拱壩大流量泄洪消能技術(shù)研究 [J].中國三峽建設(shè)）,2005（06）.

[2]于青，王建新，何明杰，殷亮，黃熠輝.楊房溝水電站泄洪消能設(shè)計 [J].東北水利水電2012,（01）.

[3]覃文文，劉華，胡嵐平，李連俠，沈煥榮易文敏.安谷水電站消能防沖布置方案優(yōu)化[J].西南民族大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版）,2011（04）.

[4]孫雙科.我國高壩泄洪消能研究的最新進展[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報,2009（02）.

[5]楊曉紅，林新志，黃元.碾壓薄拱壩泄洪消能布置優(yōu)化設(shè)計 [J].水利水電工程設(shè)計2011,（03）.

[6]于青，王建新，何明杰，殷亮，黃熠輝.楊房溝水電站泄洪消能設(shè)計 [J].東北水利水電2012,（0）