巴基斯坦水電站泄洪建筑物布置及消能形式研究

欽震杰

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

1 工程概況

瑪爾水電站位于巴基斯坦AJ&K和旁遮普省交界處的Jhelum河上，總庫容1.54億m3，電站裝機(jī)容量640 MW。工程主要任務(wù)是發(fā)電，本工程為Ⅱ等大（2）型工程，擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要水工建筑物為2級(jí)建筑物。

2 泄洪消能規(guī)模及特點(diǎn)

1）泄洪消能規(guī)模?，敔査娬静捎没炷林亓畏桨?，擋水、泄水建筑物按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，按2000年一遇洪水校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為18 506 m3/s和23 300 m3/s；下游消能防沖建筑物按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)的洪峰流量為11 000 m3/s。

2）泄洪消能特點(diǎn)。吉拉姆河流域位于季風(fēng)區(qū)，在夏秋季季風(fēng)季節(jié)，降雨集中在流域的南部和西部，并有強(qiáng)暴雨。壩址段河谷為一縱向谷，河谷兩岸山體雄厚，呈近對(duì)稱的“V”型谷，河床寬50～60 m，灘面基巖大多裸露。岸坡巖性由砂巖及泥質(zhì)巖組成，巖體受構(gòu)造應(yīng)力擠壓作用強(qiáng)烈，巖體裂隙發(fā)育。下游消能區(qū)河床抗沖能力差，兩岸邊坡穩(wěn)定性較差。電站入庫輸沙量主要受河道天然來水來沙影響，上游規(guī)劃建設(shè)的科哈拉電站和在建N-J水電站，庫容小，建成運(yùn)行對(duì)瑪爾水電站入庫泥沙影響有限，瑪爾壩址處多年平均懸移質(zhì)輸沙量為3 027萬t，多年平均含沙量為1.21 kg/m3。該工程具有“泄流量大、泥沙量大、庫容小、地質(zhì)條件復(fù)雜、消能區(qū)巖體抗沖能力較低”的特點(diǎn)。

3 泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)原則

1）該工程水庫庫容小，調(diào)節(jié)能力小，樞紐泄洪頻繁，泄洪建筑物需運(yùn)行靈活，安全可靠，選擇泄洪設(shè)備規(guī)模及技術(shù)難度，宜控制在國內(nèi)外已有的技術(shù)水平之內(nèi)。

2）該工程泥沙量大，排沙建筑物規(guī)模應(yīng)滿足排沙的要求，需設(shè)置較低高程的泄洪排沙孔或（和）排沙洞；排沙建筑物宜與電站進(jìn)水口靠近布置，有利于電站進(jìn)水口“門前清”。

3）因大壩為碾壓混凝土重力壩，泄洪消能建筑物采用壩身表孔和中孔聯(lián)合泄洪的方式，其中，中孔的作用主要為排沙、泄洪和降低水庫水位，方便檢修電站進(jìn)水口等。

4）綜合考慮消能區(qū)巖石的抗沖能力等問題，合理研究消能方式，合理設(shè)置消能區(qū)的防護(hù)規(guī)模。

5）綜合考慮施工方便和節(jié)省工程量等因素。

4 泄洪建筑物布置

該工程具有河谷狹窄、泄水量大、水庫泥沙問題突出、壩址兩岸山體邊坡穩(wěn)定性差，大壩采用混凝土重力壩，有條件將泄水排沙建筑物布置在壩身上。泄水建筑物采用溢流表孔和泄洪排沙孔聯(lián)合泄洪，其中溢流表孔擔(dān)任主要泄洪任務(wù),泄洪排沙孔除擔(dān)任排沙任務(wù)外，兼顧泄洪及水庫放空。結(jié)合樞紐布置方案，溢流表孔布置在主河床偏右岸壩段，共5孔，單孔尺寸15m×22 m，堰面采用WES型曲線，堰頂高程563.00 m，溢流壩段總寬109 m。泄洪排沙孔采用有壓壩身泄水孔，設(shè)置在溢流壩段左側(cè)，每個(gè)壩段設(shè)2孔，共4孔，底坎高程為540.00 m，出口弧門尺寸為5.5 m×8 m。泄洪排沙孔集中布置在主河床，便于經(jīng)常開啟泄洪排沙，泄洪排沙水流順直歸入主河槽，水流形態(tài)較好，排沙條件較優(yōu)，同時(shí)，靠近電站進(jìn)水口位置，有利于電站進(jìn)水口的“門前清”作用。溢流表孔可根據(jù)地形高低，分為靠河床的3個(gè)表孔和右岸2個(gè)表孔兩組，兩者之間采用導(dǎo)墻隔開，右岸2個(gè)表孔底板可抬高，以適應(yīng)地形條件。施工期可在右岸兩個(gè)泄洪表孔位置設(shè)置明渠導(dǎo)流，減少了導(dǎo)流工程量。

5 消能形式的選擇

瑪爾水電站最大壩高88.4 m，設(shè)計(jì)洪水時(shí)下游水深約為32.93 m，校核洪水時(shí)下游水深約為36.47 m，下游水位的最大值和最小值變幅約為22.47 m，下游最大水深約相當(dāng)于溢流壩堰高的41.30%。校核洪水時(shí)上、下游水頭差約39.19 m?，敔査娬拘购榱髁看螅购閱螌捔髁枯^大，河谷狹窄，地質(zhì)條件較差。這些因素均影響了其消能方式的選擇。

5.1 泄洪排沙孔消能型式

底流消能具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果較好、對(duì)地質(zhì)條件和尾水水位變化適應(yīng)性較強(qiáng)、泄洪霧化輕微等優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)不同水頭。并且，泄洪排沙孔布置在進(jìn)水口壩段右側(cè)，若采用常規(guī)底流消能方式，泄洪排沙孔縱向隔墻可以隔斷表孔與廠房尾水，避免泄洪時(shí)下泄水流對(duì)發(fā)電尾水出水造成影響。因此，泄洪排沙孔宜采用常規(guī)底流消能方案。

5.2 溢流表孔消能型式

該工程下游水位變化大，且下游河床和岸坡抗沖刷能力較弱，面流消能和戽流消能對(duì)該工程適應(yīng)性較差。

對(duì)于挑流消能方式，根據(jù)瑪爾水電站具體情況，會(huì)存在下列問題：

1）溢流表孔堰頂高程為563.00 m，下游最高水位為548.16 m，挑流消能方式布置較困難，且挑流水頭差較小，小流量泄流時(shí)不能起挑變成跌流，而大流量泄流時(shí)下游水位又淹沒挑流鼻坎。

2）挑流消能方式能量集中，需開挖較大的水墊塘，而瑪爾水電站河谷狹窄，預(yù)挖水墊塘?xí)a(chǎn)生的支護(hù)和開挖量較大。

3）河床抗沖刷能力較弱，且表孔泄洪時(shí)易沖刷邊坡。

4）狹窄河谷大泄流量下霧化嚴(yán)重，需進(jìn)一步采取工程措施來保證安全。

5）挑流消能會(huì)產(chǎn)生較大的水面波動(dòng)，對(duì)下游河道也會(huì)造成比較嚴(yán)重的沖刷、淤積問題。因此，溢流表孔也不宜采用挑流消能。

從地形、地質(zhì)、工程布置和水力學(xué)條件方面初步分析，表孔采用底流消能方案適應(yīng)性較好。底流消能在具體布置上有不同型式，考慮以下4種型式進(jìn)行對(duì)比研究及選定：

型式1：常規(guī)底流消能；

型式2：跌坎+底流消能；

型式3：寬尾墩+底流消能；

型式4：寬尾墩+跌坎+底流消能。

①型式1：常規(guī)底流消能。底流消能是比較傳統(tǒng)的消能方式，消能機(jī)理和效果均得到大量工程的實(shí)際驗(yàn)證，主要運(yùn)用在中、低水頭的工程中。國內(nèi)的水電工程，伴隨高水頭泄洪建筑物數(shù)量增多，受各方面因素制約，采用底流消能的案例也不在少數(shù)。像吉拉姆河這樣大流量，大單寬流量的河流，為保證消能效果，消力池的尺寸會(huì)很大從而造成工程量增加，并且高速水流會(huì)在底板上產(chǎn)生較大的脈動(dòng)壓力。

②型式2：跌坎+底流消能。跌坎底流消能主要為解決消力池臨底流速較大的問題，在體型設(shè)計(jì)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)，國內(nèi)的高壩中，向家壩水電站就采用這種消能方式。這種消能工仍為底流，可有效降低消力池的臨底流速，但在跌坎后主流觸底區(qū)，消力池底板的脈動(dòng)壓力會(huì)增加。跌坎消力池的跌坎高度對(duì)水流流態(tài)比較敏感，跌坎高度較低，高流速水流容易觸底，臨底流速與脈動(dòng)壓強(qiáng)減小幅度太小，跌坎高度較高，主流容易上移，增加尾坎高度同時(shí)，尾坎后水流容易形成二次跌落現(xiàn)象。

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。消力池長度與常規(guī)底流消能理論計(jì)算的消力池長度基本一致，但是由于跌坎的存在，消力池底板高程降低，在一定程度上又增加了消力池的工程量。

③型式3：寬尾墩+底流消能。表孔寬尾墩底流消能是近年來應(yīng)用較為廣泛的消能型式。通過形成三元水躍使池中水流紊動(dòng)劇烈，大量摻氣，旋渦破碎，水面升高，紊動(dòng)剪切作用增強(qiáng)，消能效果理想，消能工的第二共軛水深和躍長比常規(guī)的二元水躍消力池大為減少，一般減少長度為平尾墩消力池的1/3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。但是如果下游消力池水深不足，或消力池底板以上總水頭偏高，這種消能形式也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。具體表現(xiàn)為：①寬尾墩水舌對(duì)池底板形成的動(dòng)水沖擊力比較大，實(shí)測(cè)寬尾墩水舌在底板形成的脈動(dòng)壓強(qiáng)比普通平尾墩要大；②水墊深度不足，引起寬尾墩三元水躍淹沒度不夠，導(dǎo)致消力池底板近底水流流速偏高，高流速很容易使底板產(chǎn)生磨蝕破壞等問題。

④型式4：寬尾墩+跌坎+底流消能。該型式是型式2和型式3的綜合，同時(shí)具有布置寬尾墩和跌坎的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

綜合比較以上4種消能型式，每種型式都各有利弊。從消能效果來看，只要布置合理，四種型式消力池消能都比較充分，型式3和型式4的消能率大于型式1和型式2。從工程投資來看，型式1由于消力池較長，工程量較大；型式3消力池可以縮短1/3的長度，工程量較小；由于跌坎的存在基本不影響消力池的長度，卻使消力池底板高程降低，因此，型式2工程量稍大于型式1，型式4工程量稍大于型式3。從運(yùn)行安全來看，型式1消力池臨底流速較大，消力池底板的脈動(dòng)壓力較大，且高脈動(dòng)壓力影響范圍較大；型式2可有效降低消力池的臨底流速，但在跌坎后主流觸底區(qū)，消力池底板的脈動(dòng)壓力會(huì)大幅度增加，可能給底板的安全穩(wěn)定性帶來隱患；型式3如果下游消力池水深不足，或消力池底板以上總水頭偏高，也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；型式4臨底流速也較小，但也存在下游消力池水深不足，或消力池底板以上總水頭偏高引起的問題。綜合上述因素，該工程溢流表孔擬推薦采用消能率較大，工程量最小的型式3，即溢流表孔寬尾墩+底流消能+泄洪排沙孔底流消能組合方式。

5.3 水工模型試驗(yàn)研究驗(yàn)證

為論證泄洪消能建筑物整體布置方案的合理性，進(jìn)行了幾何比尺為1∶60的水工整體模型試驗(yàn)研究，進(jìn)一步提出樞紐布置、排沙孔和消力池的體型布置、減輕下游沖刷的消能工等優(yōu)化改進(jìn)方案。模型試驗(yàn)中選取消能防沖流量、設(shè)計(jì)流量和校核流量等5組典型工況進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。經(jīng)過水工模型試驗(yàn)研究和分析，推薦的泄洪建筑物布置及消能方案水力學(xué)條件總體上較好，泄洪建筑物布置方案較合理，泄流建筑物泄流能力能滿足設(shè)計(jì)要求，溢流表孔寬尾墩+底流消能+泄洪排沙孔底流消能組合方式能較好地對(duì)下泄水流進(jìn)行消能。通過模型試驗(yàn)研究，優(yōu)化了寬尾墩及消力池形體及尺寸，試驗(yàn)結(jié)果顯示各種工況下水面線測(cè)試結(jié)果與流態(tài)相對(duì)應(yīng)，消力池內(nèi)流速有效降低，溢流堰面、溢流表孔后消力池、泄洪排沙孔及其消力池時(shí)均動(dòng)水壓力均未出現(xiàn)負(fù)壓，動(dòng)水壓力整體上沿程逐漸增大，基本與水面線變化趨勢(shì)相符。優(yōu)化形體后的消能防沖建筑物在各工況下流態(tài)較好，消能效果較好，并且出池水流平順，水流歸槽也較好，對(duì)下游左岸坡及河床沒有造成較大沖刷。

6 結(jié)語

該工程泄洪消能具有“泄流量大、泥沙量大、庫容小、地質(zhì)條件復(fù)雜、消能區(qū)巖體抗沖能力較低”的特點(diǎn)。采用溢流表孔和泄洪排沙孔聯(lián)合泄洪方式，泄洪排沙孔集中布置方案，布置緊湊，運(yùn)用靈活方便，適應(yīng)該工程特點(diǎn)。采用溢流表孔寬尾墩+底流消能+泄洪排沙孔底流消能組合，提高了消能效率，減少了消力池長度，節(jié)省了投資。經(jīng)過水工模型試驗(yàn)研究論證表明設(shè)計(jì)是合理的，有效解決了復(fù)雜條件下的泄洪系統(tǒng)布置及消能防沖問題。