老撾NT1電站泄洪系統(tǒng)布置研究

秦永濤，宋 慧，田 野

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222）

1 工程概述

NT1水電站位于老撾中部的Nam Theun河上，壩址距湄公河與Nam Theun河匯合處約33km，距首都萬(wàn)象約220km，壩址控制集水面積14070km2。

NT1水電站安裝3臺(tái)200MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量600MW，年利用小時(shí)3951h，多年平均發(fā)電量2371GWh。老撾地區(qū)雨季集中，汛期洪水流量大。NT1水電站主要特點(diǎn)為洪水流量巨大（PMF洪水流量34000m3/s），大壩采用面板堆石壩，最大壩高167m，泄洪及導(dǎo)流建筑物規(guī)模大，機(jī)組裝機(jī)規(guī)模相對(duì)較小（由于上游跨流域引水，裝機(jī)僅600MW），工程投資大，泄洪消能難度高。

2 可研階段泄洪建筑物成果

NT1水電站可研階段泄洪建筑物布置方式為：緊鄰大壩右岸山脊分別布置5條岸邊開(kāi)敞式溢洪道、1條放空洞、4條導(dǎo)流洞（后期改建為非常泄洪洞）。

開(kāi)敞式溢洪道布置在右岸壩肩緩坡地帶，最大下泄流量為28000m3/s。溢洪道溢流堰采用開(kāi)敞式WES型實(shí)用堰，溢流堰垂直水流方向的頂部總寬度為236.0m?？刂贫喂卜譃?5孔，單孔尺寸為12m×15m（寬×高），泄槽長(zhǎng)約400m，出口采用挑流消能型式。

緊鄰溢洪道右側(cè)布置1條放空洞，為有壓接無(wú)壓洞，總長(zhǎng)1142.31m。進(jìn)水口采用岸塔式，出口采用挑流消能型式。放空洞不參與樞紐泄洪。

4條非常泄洪洞布置于放空洞右側(cè)，全部由導(dǎo)流洞改建而成，采用有壓豎井洞塞型式。進(jìn)水口采用岸塔式，單條洞長(zhǎng)約1100m，非常泄洪洞泄量共約4×1504m3/s。

上述方案的整個(gè)泄洪工程投資為233137.38 萬(wàn)元，占整個(gè)建筑工程投資的比例為51.86%，其中溢洪道133287.64萬(wàn)元，放空洞50220.99萬(wàn)元，4條非常泄洪洞改建費(fèi)用49628.75萬(wàn)元。

為了降低工程投資，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此需要對(duì)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便順利推動(dòng)項(xiàng)目實(shí)施。

3 泄洪建筑物布置方案研究

3.1 研究思路

NT1水電站工程施工期長(zhǎng)，洪水流量大，布置有1～4號(hào)初期導(dǎo)流洞。導(dǎo)流洞如果在導(dǎo)流結(jié)束后能與永久工程相結(jié)合，則樞紐布置更加緊湊。利用大壩右岸現(xiàn)有地形布置非常溢洪道，研究采用非常溢洪道替代非常泄洪洞的可行性和經(jīng)濟(jì)性。論證放空洞參與泄洪及導(dǎo)流洞封堵期下游供水的可行性。

3.2 泄洪方式研究

主要從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面針對(duì)導(dǎo)流洞后期改建為泄洪、放空設(shè)施進(jìn)行研究。

（1）導(dǎo)流洞改建為非常泄洪洞方案研究。

將1～4號(hào)導(dǎo)流洞改建為4條非常泄洪洞，采用有壓豎井洞塞消能型式。單條非常泄洪洞最大設(shè)計(jì)泄流量為1600m3/s。

經(jīng)計(jì)算，1～4號(hào)導(dǎo)流洞改建為4條非常泄洪洞需直接投資49628萬(wàn)元。如果1～4號(hào)導(dǎo)流洞不改建為非常泄洪洞，由非常泄洪洞承擔(dān)的6400m3/s下泄流量改由設(shè)置在岸邊的非常溢洪道下泄，則非常溢洪道寬度需要27m。通過(guò)調(diào)整正常溢洪道的孔口尺寸，加大單寬泄量，調(diào)整溢洪道布置形式，在旁邊布置一條非常溢洪道[1]，需增加直接投資約10044萬(wàn)元。

綜上所述，在同樣下泄6400m3/s 的情況下，1～4號(hào)導(dǎo)流洞改建為非常泄洪洞方案比加寬非常溢洪道方案增加直接投資約39584萬(wàn)元。為了降低工程造價(jià)，不采取導(dǎo)流洞改建為非常泄洪洞的方案。

（2）放空洞與4號(hào)導(dǎo)流洞相結(jié)合方案研究。

根據(jù)大壩檢修要求，大壩檢修時(shí)需要將庫(kù)水位放空至240.00m高程，需要設(shè)置一條放空洞。放空洞主要功能為放空，兼作后期導(dǎo)流洞，和生態(tài)放水洞。

1～4號(hào)初期導(dǎo)流洞封堵后，放空洞作為后期導(dǎo)流洞過(guò)流，因此放空洞的進(jìn)口底板高程及孔口尺寸受后期導(dǎo)流要求控制。

根據(jù)導(dǎo)流洞和放空洞的布置要求及地形地質(zhì)條件，放空洞與導(dǎo)流洞研究以下三種結(jié)合方式：

a.采用旋流豎井消能方式與4號(hào)導(dǎo)流洞結(jié)合。

該結(jié)合方式存在以下問(wèn)題：后期導(dǎo)流和放空期間的最大過(guò)流量為1400m3/s，進(jìn)入渦室的水流最大流速為31m/s，其規(guī)模已遠(yuǎn)超過(guò)目前已實(shí)施的旋流豎井式泄洪洞；由于渦室尺寸及豎井高度限制，洞內(nèi)水流條件難以滿(mǎn)足旋流豎井消能的要求[2]。

b.采用洞塞消能方式與4號(hào)導(dǎo)流洞結(jié)合。

洞塞消能方式的前提條件是整個(gè)洞段為有壓流。在后期導(dǎo)流及放空期間，放空洞的過(guò)流量變化較大，當(dāng)過(guò)流量較少時(shí)，放空洞內(nèi)無(wú)法滿(mǎn)足有壓流要求。

c.采用龍?zhí)ь^型式與4號(hào)導(dǎo)流洞結(jié)合。

4號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口高程為145.00m，出口高程為139.00m，縱坡為i=0.004。放空洞采用龍?zhí)ь^型式與4號(hào)導(dǎo)流洞結(jié)合，泄槽為洞內(nèi)陡坡接緩坡。泄洪放空時(shí)，放空洞內(nèi)最大流速約為30m/s，水流進(jìn)入結(jié)合段時(shí)會(huì)產(chǎn)生洞內(nèi)水躍，水流條件差。

三種結(jié)合方式都存在較大的水力學(xué)問(wèn)題，而在后期導(dǎo)流期間，放空洞為唯一導(dǎo)流通道，對(duì)放空洞的過(guò)流可靠度要求很高[3]。故認(rèn)為放空洞不宜與初期導(dǎo)流洞結(jié)合，為使放空洞得到充分的利用，放空洞在設(shè)計(jì)上除作為放空和后期導(dǎo)流外，還需參與泄洪。

4 泄洪建筑物布置新方案

4.1 泄洪建筑物布置方案選定

根據(jù)上述布置方案研究，最終確定泄洪建筑物由開(kāi)敞式溢洪道和放空洞組成。開(kāi)敞式溢洪道分為正常溢洪道和非常溢洪道，放空洞兼后期導(dǎo)流，并參與泄洪。4條初期導(dǎo)流洞不參與泄洪。

泄洪建筑物的泄量分配原則為，在設(shè)計(jì)洪水下（1000年一遇流量19800m3/s）采用正常溢洪道和放空洞泄洪，正常溢洪道泄量為17448.69m3/s，放空洞泄量為1397.35m3/s；在校核洪水下（10000年一遇流量23600m3/s）采用正常溢洪道、非常溢洪道和放空洞泄洪[4]，正常溢洪道泄量為15734m3/s，非常溢洪道泄量為6481m3/s，放空洞泄量為1385m3/s；在PMF（流量34000m3/s）洪水下采用正常溢洪道、非常溢洪道和放空洞泄洪，正常溢洪道泄量為21754m3/s，非常溢洪道泄量為10825m3/s，放空洞泄量為1421m3/s。PMF洪水泄洪建筑物有關(guān)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 PMF洪水泄洪建筑物有關(guān)參數(shù)對(duì)比表Table 1 Comparison parameters of PMF flood discharge buildings

4.2 溢洪道設(shè)計(jì)

開(kāi)敞式溢洪道利用地形條件布置在右岸壩肩緩坡地帶，由引水渠、控制段、泄槽段和出口消能段組成。非常溢洪道位于山內(nèi)側(cè)，靠近壩側(cè)分別為1、2號(hào)正常溢洪道，布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 溢洪道布置示意圖Figure 1 Spillway layout

（1）引水渠。

引水渠段長(zhǎng)150m，渠底板高程為263.00m，左側(cè)（堆石壩側(cè)）為重力式導(dǎo)墻與控制段相接。

（2）控制段。

控制段閘頂高程為297.00m，橫水流向頂部總寬度172.5m。其中正常溢洪道6孔，非常溢洪道3孔，孔口尺寸均14.0m×21m（寬×高），正常溢洪道控制段順?biāo)鏖L(zhǎng)度40.0m，設(shè)有平板檢修閘門(mén)和弧形工作門(mén)各一道。非常溢洪道控制段順?biāo)鏖L(zhǎng)度20.0m，考慮到經(jīng)濟(jì)性和使用頻率，只設(shè)一道平板工作閘門(mén)?？刂贫窝唧w和閘墩兩側(cè)采用0.4m厚C40抗沖磨混凝土進(jìn)行保護(hù)。

（3）泄槽段。

溢洪道泄槽為明槽，正常溢洪道分為兩個(gè)單獨(dú)泄槽。為使水流順利挑入河槽，1號(hào)泄槽采用變坡形式，樁號(hào)0+000.00m～0+175.00m段底板坡度為i=0.13，0+198.25m～0+310.00段底板坡度為i=0.40，兩段中間采用拋物線連接，泄槽平面長(zhǎng)度為310.00m；2號(hào)泄槽采用一坡到底的型式，底板坡度為i=0.13，平面長(zhǎng)度為345.00m。1、2號(hào)泄槽邊墻寬度均為2.5m，底板厚度為2.0m。泄槽底板及兩側(cè)邊墻采用0.4m厚C40抗沖磨混凝土進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)為保證泄槽底板穩(wěn)定，對(duì)底板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，設(shè)置反濾排水層，底板設(shè)置錨筋與基礎(chǔ)連接。

非常溢洪道單獨(dú)為一個(gè)泄槽，為降低工程投資非常溢洪道僅底板采用0.5m厚C25混凝土襯砌。為防止非常溢洪道運(yùn)行時(shí)底板破壞對(duì)正常溢洪道底板及邊墻造成影響，非常溢洪道底板高度比正常溢洪道底板高1.5m。

（4）出口消能段。

正常溢洪道出口采用挑流消能方式，采用等寬挑坎，挑坎長(zhǎng)度為40m，挑坎及兩側(cè)邊墻采用0.4m厚C40抗沖磨混凝土進(jìn)行保護(hù)。非常溢洪道出口不設(shè)置消能設(shè)施。

（5）岸坡防護(hù)。

為了避免小泄量時(shí)對(duì)溢洪道挑坎出口下方山體的沖刷，對(duì)溢洪道挑坎下方的山體進(jìn)行局部開(kāi)挖和C20混凝土貼坡保護(hù)處理。同時(shí)對(duì)溢洪道出口對(duì)岸500m范圍內(nèi)的山體進(jìn)行C20混凝土貼坡保護(hù)處理，以防止泄洪霧化對(duì)溢洪道出口對(duì)岸山體的破壞。

4.3 放空洞設(shè)計(jì)

放空洞單獨(dú)布置于4號(hào)導(dǎo)流洞右側(cè)，為有壓接無(wú)壓洞形式，由進(jìn)水口、有壓洞、工作閘門(mén)室、無(wú)壓洞、明泄槽、挑流鼻坎組成，總長(zhǎng)1038m。放空洞形式見(jiàn)圖2。

圖2 放空洞（兼后期導(dǎo)流洞、泄洪洞）Figure 2 Emptying tunnel（diversion tunnel，flood discharging tunnel）

（1）進(jìn)口布置。

放空洞進(jìn)口位于大壩上游右岸的山坡上，距壩軸線約350m。進(jìn)口采用岸塔式進(jìn)水口，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)20m，寬20m，塔高97m。進(jìn)口內(nèi)設(shè)事故平板閘門(mén)，孔口尺寸為7.4m×8.5m（寬×高）。

（2）洞身布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

放空洞進(jìn)口后接圓形有壓洞，內(nèi)徑8.5m，長(zhǎng)446.88m，縱坡為i=0.0045。隧洞采用C40抗沖磨鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度1.0m。

有壓洞后接工作閘門(mén)室。工作閘門(mén)室布置于大壩軸線下游約10m處。工作閘門(mén)室底部流道順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)35.00m，寬13.50m，上部順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)15.5m，寬18.5m。閘室凈高53.0m。 閘室內(nèi)設(shè)弧形工作閘門(mén)，孔口尺寸為6.5m×7.5m（寬×高）。工作閘門(mén)室后接無(wú)壓洞。

無(wú)壓洞長(zhǎng)616.56m，縱坡為i=0.0577，洞身斷面為圓拱直墻型，內(nèi)斷面寬7.9m，高11m。無(wú)壓洞過(guò)水?dāng)嗝娌捎肅40抗沖磨鋼筋混凝土襯砌，其余部位采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度1.0m。無(wú)壓洞后接明泄槽。

明泄槽長(zhǎng)74.83m，縱坡為i=0.0577。明泄槽采用矩形斷面，寬7.9m，高10m。放空洞出口采用挑流消能。明泄槽及挑坎底部設(shè)置插筋并進(jìn)行固結(jié)灌漿。

4.4 新方案的經(jīng)濟(jì)合理性

通過(guò)加深溢洪道孔口高度，調(diào)整溢洪道進(jìn)口數(shù)量，增加非常溢洪道，縮短非常溢洪道進(jìn)口段長(zhǎng)度，調(diào)整底板襯砌以及“三洞合一”增加放空洞功能等措施，泄洪建筑物投資由原方案的 233137.38 萬(wàn)元，降低到164682萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

因地制宜，通過(guò)臨時(shí)建筑物和永久建筑物相結(jié)合，合理分配泄量，放空洞兼后期導(dǎo)流洞并參與泄洪，設(shè)置壩旁非常溢洪道等措施使NT1水電站泄洪建筑物設(shè)置更為合理，經(jīng)濟(jì)性更佳。泄洪建筑物占整個(gè)工程直接投資的比例降低到了36%，且該方案已經(jīng)通過(guò)了項(xiàng)目所在國(guó)家能源部的審查。