印度某水電站泄洪設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

姚德生 李永勝 李 淼

印度某水電站泄洪設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

姚德生 李永勝 李 淼

水庫(kù)泄洪問(wèn)題關(guān)系到水庫(kù)的安全、工程施工進(jìn)度以及工程投資，介紹了承擔(dān)國(guó)外工程項(xiàng)目需復(fù)核原設(shè)計(jì)方案的合理性，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，通過(guò)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化對(duì)比，選擇施工簡(jiǎn)單、安全性好、工程投資小、后期運(yùn)行管理方便的泄洪方案，為今后類似國(guó)外工程項(xiàng)目提供參考。

泄洪 合理性 優(yōu)化 泄洪方案

水電站位于印度某河流上，工程任務(wù)為發(fā)電。攔河壩采用黏土心墻堆石壩型，最大壩高112.00 m，水庫(kù)總庫(kù)容7.57億m3，地面式電站總裝機(jī)容量186 MW。工程規(guī)模為大 (2)型。水庫(kù)正常運(yùn)行水位為276.00 m，最低運(yùn)行水位為250.00 m。上游最高洪水位采用PMF洪水，入庫(kù)洪峰流量8 002 m3/s，相應(yīng)的庫(kù)水位為277.45 m，壩下游水位182.11 m。

1 原方案泄洪建筑物設(shè)計(jì)

根據(jù)印度提供的原詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告，洪水標(biāo)準(zhǔn)采用PMF洪水，入庫(kù)洪峰流量8 002 m3/s，經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄后最大下泄流量為7 200 m3/s。泄洪建筑物包括左岸溢洪道和右岸泄洪排沙洞，左岸溢洪道為岸邊式開(kāi)敞溢洪道，最大泄流能力按不低于2 000 m3/s設(shè)計(jì)，右岸泄洪排沙洞泄洪能力按不低于5 200 m3/s設(shè)計(jì)。

溢洪道采用WES堰型，堰頂高程264.0 m，共4孔，每孔尺寸10 m（寬）×14 m（高），總寬度52 m。泄槽收縮段長(zhǎng)60 m，寬度由52 m漸變到40 m，縱坡為1∶7.8；泄槽長(zhǎng)度為664 m，縱坡為1∶7.8；消力池長(zhǎng)度為105 m，消力池邊墻高度為4.0 m。

右岸泄洪洞開(kāi)挖斷面為馬蹄形，襯砌后斷面為內(nèi)徑11.5 m的圓形，襯砌厚度為600 mm。施工導(dǎo)流洞進(jìn)口高程172.00 m。改建為泄洪排沙洞后采用 “龍?zhí)ь^”形式將進(jìn)口高程抬高至215.00 m，隧洞出口高程為168.00 m。

2 泄洪建筑物優(yōu)化調(diào)整原則及方案

本工程地質(zhì)條件較差，而泄洪排沙洞洞徑較大，考慮到本工程左岸雖然缺少天然埡口，但地勢(shì)相對(duì)低緩，較適宜修建開(kāi)敞式溢洪道。綜合分析左、右岸地形，地質(zhì)條件和泄洪建筑物規(guī)模要求，并對(duì)原報(bào)告中的溢洪道及泄洪洞工程量及工程造價(jià)的分析，初步考慮通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)截流建筑物的形式，減小右岸導(dǎo)流洞規(guī)模，相應(yīng)減小泄洪排沙洞工程規(guī)模，增加左岸溢洪道的泄流能力。根據(jù)上述思路初步擬定兩種泄洪建筑物比選方案。

比選方案1：導(dǎo)流洞兼作泄洪洞。導(dǎo)流洞襯砌后內(nèi)徑由11.5 m縮減為10 m。導(dǎo)流洞改建為泄洪排沙洞后，PMF洪水時(shí)單洞過(guò)流能力由3 272 m3/s減少到2 385 m3/s，考慮到15%的富裕度后按2 000 m3/s計(jì)，右岸泄洪排沙洞總過(guò)流能力減少為4 000 m3/s。為滿足泄洪總量達(dá)到7 200 m3/s，左岸溢洪道在PMF洪水時(shí)的泄流能力需滿足3 200 m3/s，計(jì)入15%的富裕度后應(yīng)滿足3 680 m3/s。

比選方案2：鑒于泄洪洞直徑11.5 m相對(duì)較大，考慮到本工程地質(zhì)條件較差，隧洞圍巖類別中Ⅳ～Ⅴ類圍巖比例較大，導(dǎo)流洞不再兼作泄洪洞，則運(yùn)行期洪水全部由溢洪道下泄。PMF洪水時(shí)溢洪道泄流能力按不少于7 200 m3/s設(shè)計(jì)，考慮10%的富裕度取整后按8 000 m3/s確定左岸溢洪道的規(guī)模。

本工程正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容為7.57億m3，多年平均輸沙量455.2萬(wàn)m3，庫(kù)沙比為166<100，按中國(guó)規(guī)范不屬于泥沙嚴(yán)重型水庫(kù)，電站進(jìn)水口底板高程233.0 m遠(yuǎn)高于214.0 m的70年淤沙高程，因此，可不設(shè)專門的排沙設(shè)施。本工程泥沙沉積率91.24%，排沙比約為8.76%，水庫(kù)多年平均含沙量1.7 kg/m3，過(guò)機(jī)多年平均含沙量0.17 kg/m3< 0.27 kg/m3，可不設(shè)沉沙池；因此，從排沙運(yùn)用方面看，本工程不設(shè)泄洪排沙洞是可行的。

3 方案比選

3.1 方案1泄洪建筑物設(shè)計(jì)

右岸泄洪洞洞徑由11.50 m減小為10.00 m，工程量及工程投資將大大減少。

3.1.1 溢洪道控制段體型比選

左岸溢洪道控制段可通過(guò)降低堰頂高程或增加溢洪道過(guò)流寬度的辦法，使其泄洪能力由2 000 m3/s增大到3 680 m3/s，為此擬定了4種溢洪道控制段體型的方案，各方案及泄洪能力詳見(jiàn)表1所示。

分別計(jì)算上述4種方案的工程量，結(jié)果表明方案4的工程投資最經(jīng)濟(jì)，故方案1控制段體型采用方案4。

3.1.2 泄槽寬度及消能方式比選

左岸溢洪道泄槽段考慮兩種方案，分別是保持原寬度40 m，以及將寬度增加到50 m。泄槽末端消能工分別對(duì)底流消能工和挑流消能工進(jìn)行比較。

表1 溢洪道控制段體形方案表

根據(jù) 《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過(guò)泄槽水面線計(jì)算以及底流消能計(jì)算，控制段采用方案4時(shí)兩種泄槽寬度情況下，泄槽深及消力池計(jì)算成果詳見(jiàn)表2所示。

表2 不同泄槽寬度時(shí)底流消能計(jì)算成果表

采用挑流消能方式時(shí)，泄槽段長(zhǎng)480 m，縱坡為1∶8。挑流控制段長(zhǎng)20 m，挑坎頂高程185.07 m，反弧段半徑20 m，挑角20°。根據(jù)挑流消能計(jì)算公式，挑流消能計(jì)算成果詳見(jiàn)表3所示。

表3 不同泄槽寬度時(shí)挑流消能計(jì)算成果表 m

通過(guò)底流消能及挑流消能方案的工程量對(duì)比，結(jié)果表明挑流方案工程量較小，投資較少，故此階段選定挑流消能方案。

泄槽寬度40 m和50 m的單寬流量分別為92 m3/s 和74 m3/s，根據(jù)表3可知，兩個(gè)方案的沖坑深度與挑距比分別為0.25和0.22。由于本階段地質(zhì)資料較少，且下游沖坑位于河灘地，泄槽寬度50 m方案單寬流量較小，沖坑較淺偏于安全。

3.1.3 左岸泄洪方案的選擇

經(jīng)比較后，方案1采用的控制段體型為：堰頂高程261.6 m，閘孔寬度10.0 m，閘孔數(shù)4孔，總寬度52.0 m；泄槽段寬度為50.0 m，泄槽末端消能方式采用挑流消能的消能方式。

3.2 方案2泄洪建筑物設(shè)計(jì)

右岸導(dǎo)流洞內(nèi)徑為10 m，進(jìn)口高程172.0 m，出口高程168.0 m，施工結(jié)束時(shí)對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵，不再改建為泄洪洞。

根據(jù)左岸溢洪道泄流規(guī)模要求，溢洪道位置根據(jù)地形及地質(zhì)條件在原溢洪道下游40 m處。根據(jù)方案1的比選成果，溢洪道末端采用挑流消能方式，不再進(jìn)行挑流及底流消能的比選。參考國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范，溢洪道末端挑流鼻坎設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)取50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)泄量為4 260 m3/s，PMF洪水時(shí)最大泄流能力滿足8 000 m3/s。

方案2溢洪道采用控制段總寬度104.5 m，共6孔，每孔14.5 m （寬）×15 m（高）。溢流堰采用WES堰型，堰頂高程 262.95 m，每孔設(shè)一道弧形工作閘門，工作閘門前設(shè)一道平板檢修閘門槽。泄槽段長(zhǎng)480 m，泄槽寬度90.0 m，縱坡為1∶10。泄槽段后布置挑流鼻坎，挑流控制段長(zhǎng)20.0 m，反弧半徑20.0 m，挑角20°，鼻坎頂高程200.00 m。挑流鼻坎后接15.0 m長(zhǎng)鋼筋混凝土護(hù)底，護(hù)底末端設(shè)齒槽。

經(jīng)計(jì)算，在下泄50年一遇洪水 （Q＝4 260 m3/s）時(shí)，單寬流量53.25 m2/s，鼻坎斷面平均流速29.93 m/s，挑距127 m，沖坑深29 m，沖坑與挑距比為0.23。在下泄PMF洪水時(shí)，單寬流量100 m2/s，挑距148 m，沖坑深40 m，沖坑與挑距比為0.27。

4 方案比選結(jié)果

經(jīng)工程量計(jì)算，印度某水電站優(yōu)化比選各方案投資對(duì)比見(jiàn)表4所示。

表4 印度某水電站各方案投資對(duì)比表 萬(wàn)元

由表4可知，方案2工程投資最省。在滿足最大泄流量的前提下，方案1比原方案的導(dǎo)流洞洞徑減小，故工程投資減少；方案1中的溢洪道泄流量相較于原方案增加了，但由于降低了溢洪道堰頂高程并減小開(kāi)孔寬度，故工程投資依舊減少了。方案2比方案1增加了導(dǎo)流洞封堵投資，并且加大了溢洪道規(guī)模，導(dǎo)致投資增加，但由于沒(méi)有了泄洪洞改建投資，故總投資依舊低于方案1。另外，方案2運(yùn)行期全部洪水從表孔下泄，導(dǎo)流洞封堵后沒(méi)有高速水流問(wèn)題，導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單，降低了施工期地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行管理期問(wèn)題較少。

根據(jù)本階段基本資料，經(jīng)綜合比較后本階段推薦采用方案2。

5 結(jié)語(yǔ)

溢洪道和泄洪洞是水利工程常用的泄洪方式，導(dǎo)流洞后期改建為泄洪洞也是工程常見(jiàn)工程措施，這樣可以減少部分工程投資，但并不適用所有工程，有時(shí)導(dǎo)流洞封堵對(duì)工程投資反而更多。故不同工程，應(yīng)綜合研究對(duì)比，選擇技術(shù)可行、施工簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、安全性好、工程投資少的最優(yōu)方案。

姚德生 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李永勝 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李 淼 女 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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