古瓦水電站泄水建筑物設(shè)計(jì)

詹 國(guó) 強(qiáng) ， 楊 斌 ， 賀 開 云， 謝 桃

(1.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072；2.大唐鄉(xiāng)城水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610072)

1 電站概況

古瓦水電站發(fā)電廠房位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣境內(nèi)，電站涉及鄉(xiāng)城、理塘、稻城三縣，是碩曲河干流鄉(xiāng)城、得榮段“一庫(kù)六級(jí)”梯級(jí)開發(fā)方案的“龍頭水庫(kù)”電站，混合式開發(fā)，水庫(kù)總庫(kù)容2.458億m3，裝機(jī)容量201MW+4.4(2.6)MW(主體電站+生態(tài)機(jī)組)。攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高139 m。泄水建筑物由左岸泄洪洞(與放空導(dǎo)流洞結(jié)合的“三洞合一”的布置型式)和右岸溢洪洞(洞式溢洪道)組成。項(xiàng)目于2017年5月正式開工建設(shè)，計(jì)劃于2021年4月蓄水發(fā)電。

2 工程建設(shè)條件

2.1 徑流和洪水

碩曲河流域徑流主要由降水形成，其次有少量融雪、融冰和地下水補(bǔ)給。據(jù)古瓦壩址1960年6月～2005年5月共45年(水文年)徑流系列統(tǒng)計(jì)，多年平均流量為43.9 m3/s，折合年水量為13.84億m3，年徑流深為450.2 mm。

古瓦水電站壩址設(shè)計(jì)洪水按水文比擬的方法，由濯桑站推算，為工程安全起見，對(duì)壩址處的校核洪水、校核洪量加15%的安全值修正，設(shè)計(jì)洪水流量737 m3/s(P=0.2%)，校核洪水流量1 032 m3/s(P=0.02%)。

2.2 地形地貌和基本地質(zhì)條件

壩址區(qū)河道總體較順直，河谷斷面為V型，河谷結(jié)構(gòu)以縱向谷為主，左岸低高程為橫向谷。枯水期水面高程3 263～3280.3 m，水面寬15～35 m，谷底寬30～65 m，正常蓄水位3 398 m時(shí)，谷寬290～370 m。

壩址區(qū)為一短軸向斜，出露地層為三疊系變質(zhì)砂巖夾板巖，兩岸巖層走向與河谷走向幾乎一致，主要為中等傾角，為層狀順傾向結(jié)構(gòu)邊坡，層間擠壓帶發(fā)育。巖石風(fēng)化較微弱，物理地質(zhì)作用主要表現(xiàn)為變形體、危巖體、風(fēng)化卸荷和崩塌等。

3 泄洪規(guī)模及建筑物布置原則和特點(diǎn)

古瓦水電站為大(Ⅱ)型電站，攔河大壩為Ⅰ級(jí)建筑物，泄洪建筑物為2級(jí)建筑物，水庫(kù)調(diào)蓄后，設(shè)計(jì)洪水流量737 m3/s(P=0.2%)，校核洪水流量856 m3/s (P=0.02%)。

壩址位于高山峽谷區(qū)，河谷兩岸均為順向坡，泄水建筑物的布置、設(shè)計(jì)有以下一些原則和特點(diǎn)需要遵循和注意：

(1)古瓦水電站是碩曲河流域“一庫(kù)六級(jí)”梯級(jí)開發(fā)的龍頭水庫(kù)，流域梯級(jí)中部有鄉(xiāng)城縣城，泄洪建筑物對(duì)古瓦電站本身和對(duì)下游梯級(jí)電站、城鎮(zhèn)的安全至關(guān)重要，故采用表中組合的左、右兩岸泄洪的布置型式。

(2)本電站面板堆石壩壩高139 m，底流消能，泄洪流速大，進(jìn)出流方向應(yīng)盡量順應(yīng)河勢(shì)。洞室泄水建筑物的洞線應(yīng)充分考慮地形地質(zhì)條件、水力條件、樞紐總布置及施工等因素，力求洞線短，水流歸槽順暢，洞線進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定；洞軸線與巖層具有較大的夾角，洞頂有足夠的巖體厚度。

(3)為避開出口影響，溢洪洞布置于右岸，導(dǎo)流放空洞布置于左岸。豎井旋流泄洪洞布置于左岸，下平段與導(dǎo)流放空洞結(jié)合以節(jié)省工程投資。

(4)大壩下游緊鄰壩踵設(shè)有生態(tài)基流電站，泄洪及消能建筑物布置應(yīng)避免對(duì)其造成影響。

(5)為防止壩下游右岸岸坡分布的覆蓋層受霧化影響和保證基巖順層邊坡穩(wěn)，泄洪建筑物宜采用底流消能。

(6)放空洞工作門擋水水頭近130 m，不參與泄洪，左岸泄洪洞、右岸溢洪洞應(yīng)合理分配泄量，確保泄洪安全。

4 泄水建筑物布置與設(shè)計(jì)

4.1 左岸放空(導(dǎo)流)洞

放空洞(導(dǎo)流)布置于左岸，總長(zhǎng)約925 m；進(jìn)口底板高程3 282.00 m，出口高程為3 267.90 m。放空洞前端設(shè)置檢修和事故閘門豎井，樁號(hào)0～473 m段平均縱坡為0.3%，過水?dāng)嗝鏋閳A形，內(nèi)徑7.2 m，洞身段全襯砌；中部為弧形工作門，樁號(hào)485～924 m洞段平均縱坡為2.8%，斷面為城門洞型，隧洞底寬5.5 m，直墻高5.0 m，拱高1.50 m，頂拱中心角114°。出口布置40余m長(zhǎng)明渠接消力池。消能后水流平順入河。

4.2 左岸泄洪洞

左岸泄洪洞采用豎井消能，泄洪洞依次由進(jìn)口、有壓隧洞段、弧形工作閘室、無壓上平段、渦室、旋流豎井、無壓下平段和出口消力池組成。

泄洪洞進(jìn)口位于壩軸線上游130 m，進(jìn)口高程3 370.00 m。進(jìn)口后圓形有壓段隧洞長(zhǎng)117.5 m，過水?dāng)嗝嬷睆?.5 m；工作門后上平段長(zhǎng)為70.90 m，縱坡為5%，斷面為城門洞形，斷面尺寸4.5 m×4.5 m；上平段接直徑為10 m、高29.4 m的渦室，渦室下接直徑為6.5 m、高78.8 m的豎井，豎井底部設(shè)深10 m的水墊室，豎井之后接無壓下平段長(zhǎng)285.85 m，后與放空洞結(jié)合，利用放空洞段總長(zhǎng)340.55 m；出口消力池?cái)U(kuò)散段長(zhǎng)40 m，池身斷面為矩形，底板高程3 260.00 m，長(zhǎng)40 m，寬10 m，深3 m，消力池后段位于河道中部，右側(cè)不設(shè)邊墻，水流在消力池內(nèi)消能后泄入碩曲河。

4.3 右岸溢洪洞

溢洪洞 (洞室溢洪道)布置于右岸。在低流速引渠段設(shè)置彎道，轉(zhuǎn)彎半徑為50 m，圓心角度70.5度，后接駝峰堰控制閘及陡槽、下平段和出口消力池，溢洪洞總長(zhǎng)706.50 m，其中引渠段長(zhǎng)130.668 m，控制閘室段長(zhǎng)24 m，泄槽段長(zhǎng)204.05 m，下平段長(zhǎng)233.09 m，消力池段長(zhǎng)114.68 m。

引渠段進(jìn)口位于壩軸線上游約160 m處，為城門洞型，底板高程為3 385.00 m，硐室尺寸9×18.2 m(寬×高)，縱坡為平坡；駝峰堰堰頂高程3 387.80 m，設(shè)計(jì)洪水時(shí)堰頂水頭10.20 m，校核洪水時(shí)11.36 m?？刂崎l室內(nèi)設(shè)弧形工作門一道，閘門尺寸9.0 m×12.0 m(寬×高)，閘頂高程3 402.00 m，與大壩頂高程一致。泄槽段坡度45°，由漸縮弧段、泄槽和反弧段組成?；《伟霃?0 m，寬度從9 m縮至6m后接陡槽段。泄槽布置有1#～3#摻氣坎，總落差111.65 m。下平段縱坡為5%，斷面為城門洞型，寬度6.5 m，高度7 m。出口消力池總長(zhǎng)114.68 m，消力池進(jìn)口反弧段長(zhǎng)29.68 m，寬6.5 m；池身段寬度擴(kuò)大為20 m，池身長(zhǎng)85 m，深10 m，水流經(jīng)消力池消能后匯入碩曲河。

5 泄洪流量分配及功能定位

水庫(kù)調(diào)蓄后校核洪水流量為865 m3/s。左岸泄洪洞與放空(導(dǎo)流)洞采用三洞合一方式結(jié)合，其泄量按照放空(導(dǎo)流)洞過流能力并參照國(guó)內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)(如沙牌、冶勒、斜卡等)，從安全角度出發(fā)確定為275 m3/s；右岸溢洪洞泄量確定為600 m3/s，左右岸泄水建筑物聯(lián)合泄洪，總泄洪流量為875 m3/s，能滿足泄洪流量要求。放空洞僅承擔(dān)水庫(kù)死水位下的放空功能及保壩作用，不參與泄洪。

右岸溢洪洞為表孔，首部樞紐泄洪右岸溢洪洞為主。左岸泄洪洞進(jìn)口高程為3 370 m，低于正常蓄水位3 398 m，當(dāng)上游來水流量小于2年一遇時(shí)，可根據(jù)硐室運(yùn)行及檢修情況選擇左岸或右岸泄水建筑物進(jìn)行泄洪。右岸溢洪洞僅需要出現(xiàn)在大于2年一遇洪水時(shí)才開啟。這種布置方式運(yùn)行下，可根據(jù)水情預(yù)報(bào)、洞室和設(shè)備維護(hù)、檢修等條件靈活選擇開啟泄洪洞或溢洪洞。

表1 泄水建筑物的泄流能力、運(yùn)用組合表

圖1 古瓦水電站泄水建筑物布置示意圖

6 水工模型試驗(yàn)

通過1∶40水工模型對(duì)溢洪洞、泄洪洞進(jìn)行水力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，有以下主要成果：

(1)泄流能力。聯(lián)合泄洪工況，校核水位3 399.16 m，左岸泄洪洞全開泄流276.75 m3/s，右岸溢洪洞617.95 m3/s。合計(jì)泄洪流量894.7 m3/s。右岸溢洪洞隨著水位增加，泄流量增大，具有較強(qiáng)的超泄能力。

(2)水流流態(tài)。左岸泄洪洞上平段水流順暢，渦室內(nèi)起漩良好且渦腔內(nèi)側(cè)水流貼壁良好；豎井出口壓坡后水流自由面無竄高現(xiàn)象；泄洪洞與原導(dǎo)流洞交匯區(qū)設(shè)置了35 m長(zhǎng)的圓弧形整流結(jié)構(gòu)，整流結(jié)構(gòu)起點(diǎn)位于放空洞右側(cè)之前4.0 m高位置，圓弧半徑R=1.0 m，圓心角θ=120.00°；水流實(shí)現(xiàn)了較好的銜接，沒有出現(xiàn)水流沖頂?shù)牟焕F(xiàn)象。校核工況下豎井內(nèi)水深為25.80 m，豎井段消能率為73.86%。渦室最大時(shí)均壓強(qiáng)為11.6×9.81 kPa，壓坡底板脈動(dòng)壓強(qiáng)最大值為6.03×9.81 kPa；消力池3.11×9.81 kPa。

圖2 古瓦水電站泄水建筑物剖面圖

右岸溢洪洞泄槽各段水面沿程波動(dòng)小，銜接良好，且水面橫向分布均勻。摻氣坎下游無積水，摻氣坎內(nèi)可以形成有效空腔，各級(jí)流量工況下消力池內(nèi)水躍形態(tài)均較為良好，出池水流平穩(wěn)；泄槽內(nèi)水面基本為降水曲線，各部位水深均未超過直墻高度；洞頂余幅均在20%以上；水流在經(jīng)過泄槽陡坡段加速后在反弧段末端達(dá)到最大流速分別為41.79 m/s、43.44 m/s和44.05 m/s。水流經(jīng)過緩坡段和摻氣坎消能以及自身的能量損失后，入池流速大約降低了6 m/s～10 m/s左右，然后再經(jīng)過消力池的消能后，消能率大約為75%。泄槽空化數(shù)介于0.15～0.5，各部位底板壓力基本為正，脈動(dòng)頻率均在10 Hz以內(nèi)，脈動(dòng)壓力最大均方根為3.74 m。

(3)消力池和下游河道沖刷。 右岸消力池位于上游，左岸消力池布置在下游，水流經(jīng)過左岸消力池后下游河道最大流速6.94 m/s，不同工況下游河道沖刷情況無顯著差異，各工況沖刷相對(duì)坦化，最大沖刷點(diǎn)深度4.75 m，沖刷相對(duì)較輕，消力池消能效果良好。

7 結(jié) 語

古瓦水電站泄洪建筑物采用右岸洞室溢洪道+左岸旋流豎井泄洪洞，采用了表層、中表層、中組合的左、右兩岸泄洪的布置型式，并充分利用左岸放空(導(dǎo)流)洞，采用了“三洞合一”布置方案；為避免對(duì)下游岸坡覆蓋層和壩后生態(tài)廠房影響采用底流消能方案，能滿足泄洪消能要求，運(yùn)行靈活方便；通過合理的流量分配，實(shí)現(xiàn)了溢洪洞、泄洪洞規(guī)模及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理。