烏弄龍水電站泄洪建筑物消能工選擇

陳念水,朱展博,李玉潔

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安　710065)

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烏弄龍水電站泄洪建筑物消能工選擇

陳念水,朱展博,李玉潔

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安710065)

烏弄龍水電站壩址區(qū)河谷狹窄，兩岸陡峻；洪水流量大，泄洪建筑物單寬流量大；工程的特點(diǎn)制約了泄洪建筑物的布置和消能工的選擇。設(shè)計通過多方案比較，經(jīng)水工模型試驗表明，選擇的“寬尾墩+臺階溢流面+消力戽池”的聯(lián)合消能方式較好地解決工程的泄洪消能問題。

烏弄龍水電站；泄洪消能；寬尾墩；聯(lián)合消能工

1　工程概況

烏弄龍水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)，為瀾滄江上游水電規(guī)劃7個梯級電站中的第2個電站，上、下游分別為古水和里底水電站。壩址控制流域面積8.59萬km2，多年平均流量744 m3/s，多年平均徑流量235億m3。工程主要任務(wù)為以發(fā)電為主，水庫總庫容2.84億m3，正常蓄水位1 906.00 m，調(diào)節(jié)庫容0.36億m3，為日調(diào)節(jié)水庫。電站裝機(jī)容量990 MW，年發(fā)電量43.62 kWh(考慮上游古水、如美水庫調(diào)節(jié))。工程屬Ⅱ等大(2)型工程，擋水、泄水建筑物按500年(重現(xiàn)期)一遇洪水設(shè)計，2 000年一遇洪水校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為9 960和11 700 m3/s。工程于2009年11月開工建設(shè)。

2　工程樞紐布置

樞紐由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、壩身泄洪底孔及右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。 攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線為折線布置。壩頂高程1 909.50 m，最大壩高137.50 m。大壩壩頂長度247.10 m，壩頂寬度10 m，壩體斷面上游面垂直，下游坡比為1∶0.72。表孔布置在主河床壩段，2孔底孔(其中一孔為生態(tài)放水孔兼非常泄洪底孔)布置在表孔壩段的兩側(cè)。3孔表孔堰頂高程為1 885.00 m，孔口尺寸為15 m×21 m，表孔3孔最大泄量10 465 m3/s，采用寬尾墩+戽式消力池聯(lián)合消能。底孔和生態(tài)放水孔進(jìn)出口底板高程均為1 835.00 m，孔口尺寸分別為3.5 m×7.2 m(寬×高)和3.5 m×6 m(寬×高)，每個孔最大泄量639 m3/s，采用挑流消能。電站進(jìn)水口為岸塔式，緊靠右壩肩布置，采用“1機(jī)1孔”布置型式，共4孔。引水隧洞按“1機(jī)1洞”設(shè)置，共4條，平行布置，隧洞洞徑取9.2 m。主廠房、副廠房和安裝間呈“一”字形布置，安裝間及進(jìn)廠交通洞布置在主廠房右側(cè)，通風(fēng)機(jī)房位于左側(cè)。地下廠房尺寸183 m×26.7 m×70.25 m，主廠房內(nèi)安裝4臺單機(jī)額定容量247.5 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

3　泄洪建筑物消能工擬定和比選

烏弄龍水電站設(shè)計洪水位1 906.00 m，校核洪水位為1 908.70 m；設(shè)計、校核下游水位分別為1 932.31 和1 934.22 m；正常尾水位(下泄多年平均流量745 m3/s時)下游1 818.70 m。下游水位變幅大，校核洪水時上、下游水頭差為74.48 m。烏弄龍水電站泄洪流量大，泄洪單寬流量較大，表孔宣泄0.02%～10%頻率洪水時的堰頂單寬流量為232.57～111.33 m3/(s·m)，表孔入池單寬流量為188.24～91 m3/(s·m)，表孔宣泄校核、設(shè)計洪水時的佛氏數(shù)為5.4、5.7，壩下自由水躍的淹沒系數(shù)均大于1.0，以上這些主要水力學(xué)特征直接影響了泄洪建筑物消能方式的選擇。由于壩址河床較窄，底孔及生態(tài)放水孔布置在表孔兩側(cè)，底孔選用挑流消能方式。從地質(zhì)、地形、水力學(xué)條件方面分析，表孔消能方式不存在制約性限制，因此在選定孔口布置方式(表孔集中布置、底孔分列兩側(cè))的基礎(chǔ)上，表孔擬定了3種不同的消能方式，5個方案的對比研究。方案1：底流消能方案，即表孔底流+底孔、生態(tài)放水孔挑流聯(lián)合消能；方案2：表孔跌坎底流消能方案，表孔跌坎底流+底孔、生態(tài)放水孔挑流聯(lián)合消能；方案3：表孔寬尾墩底流+底孔、生態(tài)放水孔挑流聯(lián)合消能；方案4：表孔寬尾墩壩面臺階戽流消能方案+底孔、生態(tài)放水孔挑流聯(lián)合消能；方案5：表孔挑流+底孔、生態(tài)放水孔挑流聯(lián)合消能。

方案1為傳統(tǒng)的消能方式。消能機(jī)理和效果均得到大量工程的實際驗證，主要運(yùn)用在中低水頭的工程中。雖然底流消能形式是常規(guī)的、在理論上和實踐上都是比較成熟的、也是有效的消能形式之一，但是在高壩大流量泄洪過程中采用的還不多。在中國的水電工程中，隨著高水頭泄洪建筑物的不斷增加，特殊條件下，底流消力池消能工用于高水頭泄洪建筑物也有所增加(目前只有向家壩這樣的大型水電站采用了復(fù)合式的底流消能方式)，但與挑流消能形式相比，仍然是少數(shù)。像瀾滄江這樣大流量、大單寬流量的河流上，為保證消能效果，消力池的長度、底板厚度、尾坎高度均較大，造成工程量非常大，而由于消力池底流速較大，消力池底板的脈動壓力較大，且高脈動壓力影響范圍較大，對工程的安全運(yùn)行存在著較大的威脅，從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，不宜采用完全底流消能的消能工。

方案2為表孔跌坎底流的消能方式。主要為了減小消力池底流速較大的問題，在體型設(shè)計上考慮在收縮水深的部位形成一跌坎，使得高速水流像射流一樣進(jìn)入下游水體，主流仍然形成水躍，底流由于有水墊的作用，大大降低了消力池臨底水力學(xué)指標(biāo)，中國的高壩中，向家壩水電站就采用這種消能方式，但這種消能工仍為底流，只解決了減小底流速，增加底板穩(wěn)定性，但工程量的減少有限。跌坎底流消能的消力池長度與常規(guī)底流消能理論計算的消力池長度基本一致，可以通過常規(guī)底流消能理論計算來確定消力池長度；跌坎底流的消力池消能比較充分，消能率和常規(guī)底流消力池基本相同。

方案3為表孔寬尾墩底流消能。該種組合是中國自創(chuàng)的消能型式。大量的工程應(yīng)用和模型試驗表明：由溢流壩面下泄的水流，經(jīng)寬尾墩時，橫向迅速收縮、縱向擴(kuò)展，出墩后形成一高聳的水舌，其上部為沖擊波擊起的水冠，并以不同角度連續(xù)射向空中躍入池內(nèi)，底部水流貼壩面而下，形成水躍。上述過程中水舌同時坦化擴(kuò)向兩側(cè)形成水翅，并為池中水體淹沒，形成空間水躍，貼底水流水躍成為挑流水舌的水墊。這種三元水躍使池中水流紊動劇烈，大量摻氣，旋渦破碎，水面升高，紊動剪切作用增強(qiáng)，消能效果理想，消能工的第2共軛水深和躍長比常規(guī)的二元水躍消力池大為減少，一般長度為平尾墩消力池的2/3左右，消能率大為提高，而且由于池長縮短，工程量也有較大的減少。

方案4為表孔寬尾墩+臺階+戽流消能。該消能方式在中國也有成功運(yùn)用的工程實例，如巖灘、大朝山等水電站，從水力學(xué)理論分析和水力計算方法可以知道，寬尾墩戽躍和完全三元水躍本質(zhì)上沒有什么不同，但由于寬尾墩的作用，原來二元戽流的“3滾1浪”的典型流態(tài)大為改觀，由于尾坎的設(shè)置有將出池水流挑向下游河道表面的作用，河道底部雖然仍有底漩，但強(qiáng)度十分微弱，且沖刷甚微。因此，相對方案3而言，表孔寬尾墩+戽式消力池的池長可以更加縮短，長度約縮短到常規(guī)消力池的1/3，消力戽基礎(chǔ)高程抬高，混凝土量和開挖量都大大減少，另外，邊坡長度減短，減少了邊坡防護(hù)費(fèi)用，具有更好的經(jīng)濟(jì)性，安全性也大有保障。

方案5消能工為連續(xù)挑坎+水墊塘聯(lián)合消能，為防止水流沖刷下游河道覆蓋層，從而造成對下游廠房尾水出口的淤堵，也為了方便岸坡防護(hù)的施工，對下游覆蓋層進(jìn)行預(yù)挖。雖然挑流消能方式在高水頭水電站消能設(shè)計中的應(yīng)用最為廣泛，但結(jié)合烏弄龍水電站具體情況，表孔采用壩身挑流消能具有如下特點(diǎn)：由于上下游水頭差約74 m，壩高137.50 m，表孔挑流的挑舌入水點(diǎn)距壩體較近，對大壩安全不利；該消能方式能量集中，為了減輕對下游廠房尾水出口的淤堵，減少表孔消能對電站運(yùn)行的影響，需預(yù)挖一個長約135 m、寬約55 m的水墊塘。烏弄龍水電站處于“V”形狹窄河谷，將產(chǎn)生較大的開挖和支護(hù)量；大泄量窄河谷挑流消能的霧化問題較嚴(yán)重，需要采取大量、有效的工程措施來保證兩岸岸坡的安全；巨大能量的挑流水舌將會產(chǎn)生較大的水面波動，對下游河道也會造成比較嚴(yán)重的沖刷、淤積問題。

綜合比較表孔幾種消能方式，從消能效果、下游流態(tài)、運(yùn)行安全、工程投資等方面綜合考慮，寬尾墩+戽流消能具有水流霧化輕、消力池短，較好地適應(yīng)了壩址區(qū)的地形、地質(zhì)條件，且工程及投資均較省的特點(diǎn)，在5個方案的比較中，占明顯優(yōu)勢，因此選用該方案即表孔寬尾墩+戽流消能+底孔、生態(tài)放水孔長泄水道挑流消能為推薦的消能組合方式。

4　選定泄洪建筑物消能工設(shè)計

電站共布置3個泄洪表孔，位于主河床略靠右側(cè)，底孔分列2側(cè)，對稱布置，泄洪建筑物壩段總寬80 m，每一壩段寬20 m，壩體分縫在表孔中心線位置，底孔與邊表孔處于同一壩段。表孔采用開敞式溢流堰，堰頂高程為1 885.00 m，堰頂控制斷面尺寸15 m×19 m，堰頂最大作用水頭Hmax=23.7 m ，為控制堰面負(fù)壓，選定定型設(shè)計水頭Hs=22 m(0.928Hmax)。堰頂上游為3圓弧組合曲線，3圓弧半徑分別為R1=11 m，R2=4.4 m，R3=0.88 m，上游堰面與上游鉛直面相切連接。

經(jīng)試驗調(diào)整確定最終推薦方案中兩邊孔為不對稱結(jié)構(gòu)(“X”形)，從距閘墩末端14 m開始過度為寬尾墩，寬尾墩的收縮比為0.467；中間孔為對稱結(jié)構(gòu)(“Ⅰ”形)，從距閘墩末端13 m開始過度為寬尾墩，寬尾墩的收縮比為0.413。寬尾墩下方開口從原推薦方案的2 m加大到2.4 m。戽池底高程選定的原則是溢洪道泄洪的各運(yùn)行工況均產(chǎn)生穩(wěn)定戽流，并力求經(jīng)濟(jì)。結(jié)合地質(zhì)條件初步擬定戽池底板高程。經(jīng)過反復(fù)調(diào)算，戽池底板高程為1 795.00 m時，各種工況下下游實際水深均大于臨界戽流發(fā)生以及臨界戽流消失的下游水深，通過計算可以看出，淹沒度可以達(dá)到1.10左右。根據(jù)類似工程模型試驗經(jīng)驗，戽池水平段長度與自由水躍第2共軛水深大致相等即可，因此戽池底板水平長度根據(jù)消能計算結(jié)果及布置需要選取41 m，本工程整體水工模型試驗結(jié)果表明消力戽水平段長度滿足消能要求。戽池的寬度根據(jù)孔口及閘墩尺寸確定，為55 m。戽式消力池尾坎的主要作用是在消力池內(nèi)形成一定的水墊深度，保證戽池內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的三元水躍，同時還可以阻擋回旋泥沙。戽式消力池尾坎的體型由消能效果、檢修條件及尾坎后水流條件決定。烏弄龍水電站消力池尾坎坡度初選1∶2，初擬的尾坎高度為8 m，頂高程為1 803.00 m。在消力戽初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合水工模型試驗結(jié)果，對消力戽布置進(jìn)行了優(yōu)化。消力戽布置優(yōu)化部位主要有反弧、尾坎、以及消力戽右邊墻末端。經(jīng)過試驗優(yōu)化后消力戽體型為1∶0.72的壩坡后接反弧，反弧半徑為15 m,起點(diǎn)位于壩下0+081.246 m，高程為1 800.24 m，終點(diǎn)位于壩下0+098.804 m，高程為1 795.00 m。反弧終點(diǎn)與消力戽池相連，戽池池底頂面高程1 795.00 m，戽池末端樁號為0+154.000 m，池寬55 m。池末設(shè)有墩式連續(xù)尾坎，尾坎起始樁號為壩下0+143.00 m，消力戽底板以上設(shè)有4 m高的鉛直面，鉛直面頂端接1∶1.5的反坡，反坡水平長度為9 m，反坡末端接尾坎頂部，頂部寬度為2 m，高程1 805.00 m,末端壩下0+154.00 m。

泄洪表孔布置見圖1、2。

5　選定泄洪建筑物消能工水工模型試驗

對選定泄洪建筑物消能工型式后，委托科研單位進(jìn)行了水工模型試驗。通過1∶80的整體水工模型試驗結(jié)果表明，樞紐整體布置是合理的，各建筑物進(jìn)流條件均較好，電站進(jìn)水口無漩渦產(chǎn)生。表孔閘門全開時，堰面最小壓力1.46×9.8 kPa，出現(xiàn)在校核工況0+012.13 m位置，其它位置均為正壓。表孔3孔全開時臺階立面和水平面上的壓力均呈鋸齒狀分布，臺階水平面上最大沖擊壓力發(fā)生在校核工況，其值為14×9.8 kPa；臺階立面產(chǎn)生負(fù)壓，最大負(fù)壓值-2.0×9.8 kPa。設(shè)計和校核工況下，反弧段末端附近壓力較大，最大壓力均出現(xiàn)在反弧段，壓力值為55.36×9.8 kPa和55.96×9.8 kPa。對于表孔單孔全開工況，最大脈動壓強(qiáng)均方根不超過40 kPa，完全可以中孔全開運(yùn)行，這為工程安全運(yùn)行提供了很大的便利，既能方便地解決排漂問題，又能順利地宣泄不同頻率洪水，有利于運(yùn)行期管理。除宣泄校核洪水情況外，其它運(yùn)行工況下，戽池底板最大脈動壓強(qiáng)均低于50 kPa；至于校核洪水，最大脈壓為50.36 kPa，稍微高于50 kPa。從工程經(jīng)驗來看，消力池破壞的原因較多，有結(jié)構(gòu)原因、施工原因、運(yùn)行原因、地質(zhì)原因，同時，脈動壓強(qiáng)也是引起底板破壞的一個重要因素，根據(jù)工程經(jīng)驗分析和從類似工程水工模型試驗看，所有的破壞均發(fā)生在脈壓均方根大于50 kPa的情況，為降低烏弄龍水電站因脈壓引起消力池底板的破壞，將其值控制在50 kPa內(nèi)。

試驗分別對表孔寬尾墩體型、消力戽池體型進(jìn)行了多種方案的修改對比，最終確定了“寬尾墩+臺階溢流面+消力戽池”的聯(lián)合消能方式，通過調(diào)整寬尾墩體型與寬尾墩下部開口尺寸，協(xié)調(diào)流態(tài)與戽池底板的脈動壓力的關(guān)系，極大地改善了戽池及下游河道水流流態(tài)，較好地解決了戽池下游涌浪及電站尾水渠水面波動較大的問題。

圖2　溢洪表孔縱剖面圖　　單位：m

6　結(jié)　語

烏弄龍水電站表孔泄洪建筑物單寬流量大、佛氏數(shù)小，消能工的選擇充分考慮了壩址區(qū)地形地質(zhì)條件、壩高、上下游水位差、泄洪單寬流量等因素，

選擇的“寬尾墩+臺階溢流面+消力戽池”的聯(lián)合消能方式，適應(yīng)了烏弄龍水電站大流量、窄河谷的特點(diǎn)，較好地解決了工程泄洪消能問題。

[1]瀾滄江烏弄龍水電站工程可行性研究階段整體水工模型試驗研究報告[R].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2012,6.

[2]梁宗祥,尹進(jìn)步,鄭治.X型寬尾墩體型設(shè)計方法探索[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008(05)：214-218.

[3]梁宗祥,尹進(jìn)步,劉韓生,等.寬尾墩與臺階壩面聯(lián)合消能工試驗探索[J].長江科學(xué)院院報,2003,20(06)；3-5.

[4]周恒,李玉潔,張文江.公伯峽水電站泄洪建筑物布置與設(shè)計[J].西北水電,2005(01):47-50.

[5]建保衛(wèi).白虎潭水庫溢流壩泄洪消能方式研究[J].西北水電,2011(06):29-32.

[6]錢麗云，任萎.戽流與挑流聯(lián)合消能工在狹窄彎道河段水電工程中的應(yīng)用[J].西北水電,2016(01):53-55.

Selection of Energy Dissipator of Outlet Structures, Wunonglong Hydropower Project

CHEN Nianshui, ZHU Zhanbo, LI Yujie

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

At dam site area of Wunonglong Hydropower Project, the river valley is narrow and both banks are steep. The discharge of outlet structures at single width is higher because of the high flood discharge. These features restrict layout of outlet structures and selection of energy dissipator. Through scheme comparison and hydraulic model tests, the combined energy dissipation mode of flaring pier, step overflow surface and roller bucket is selected. This successfully resolves the issue of energy dissipation.Key words:Wunonglong Hydropower Project; energy dissipation of flood discharge; flaring pier; combined energy dissipator

1006—2610(2016)04—0019—04

2016-06-14

陳念水(1956- )，男，福建省人,教授級高工，從事水電站水工結(jié)構(gòu)設(shè)計與咨詢工作.

TV653

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.005