淺析白鶴灘水電站泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫東旭，顧祥武，熊成凱，歐陽(yáng)凌云，李興蓮

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，云南昆明 650000）

1 白鶴灘水電站樞紐工程泄洪洞概況

白鶴灘水電站樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、導(dǎo)流洞、泄洪洞、二道壩及水墊塘等建筑物組成?；炷岭p曲拱壩最大壩高289 m，壩頂高程834 m。根據(jù)歷年水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在壩身共布置有7 孔泄洪深孔和6 孔泄洪表孔用于泄洪。此外在左岸還布置有3 條泄洪洞。

泄洪洞均采用進(jìn)水口短有壓接長(zhǎng)距離無壓段型式，由進(jìn)水口、閘門段、上斜坡直線段、豎曲線段、下斜坡直線段、挑流鼻坎段組成。3 條泄洪隧洞采用直線發(fā)散型布置，無壓洞斷面為圓拱直墻型，出口位于白鶴灘村對(duì)岸，采用挑流消能。壩址設(shè)計(jì)及校核洪峰流量分別為38 800 m3/s 和46 100 m3/s，3 條泄洪洞設(shè)計(jì)和校核總泄量分別為11 705 m3/s 和12 254 m3/s，約占總泄洪量的30%。

2 泄洪洞結(jié)構(gòu)

2.1 進(jìn)水口

泄洪洞進(jìn)水口位于左岸發(fā)電進(jìn)水口與大壩之間，包括進(jìn)水渠、進(jìn)水塔和聯(lián)系平臺(tái)。3 個(gè)岸塔式進(jìn)水口近似“一”字齊平布置，從里到外依次編號(hào)為1#、2#和3#進(jìn)水塔。進(jìn)口呈喇叭形，為短有壓進(jìn)水口，頂曲線采用非完整的1/4 橢圓曲線。3 個(gè)進(jìn)水塔之間相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)進(jìn)水塔之間通過混凝土聯(lián)系平臺(tái)連接交通和門機(jī)軌道，塔后回填混凝土與左岸壩頂平臺(tái)銜接。

每個(gè)進(jìn)水塔內(nèi)都設(shè)置有一道事故檢修閘門和一道工作閘門，其中檢修閘門通過布置在進(jìn)水塔頂部的門機(jī)進(jìn)行啟閉。檢修閘門下游設(shè)2 個(gè)通氣孔，對(duì)泄洪洞進(jìn)水口段進(jìn)行通氣?；⌒喂ぷ鏖l門由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，工作閘門下游設(shè)通風(fēng)豎井通向進(jìn)水塔頂。檢修閘門至工作閘門之間的流道周邊設(shè)鋼板襯護(hù)，鋼襯厚24 mm 并設(shè)加勁梁，進(jìn)水口結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 泄洪洞洞身

無壓洞段平面布置宜采用直線型，沿線盡量減少結(jié)構(gòu)變化，以保證水流平順。若無法避免需布置擴(kuò)散段時(shí)，擴(kuò)散段布置在水流比較平穩(wěn)的洞段，邊墻擴(kuò)散處宜采用圓弧連接。無壓洞段洞身縱斷面布置型式有一坡到底直線型、折線型、龍?zhí)ь^型、龍落尾型等，應(yīng)綜合地形地質(zhì)條件、水流條件、施工方法等選擇合理的型式。無壓洞段縱坡坡度應(yīng)大于水流的臨界坡。當(dāng)洞段水流流速較大時(shí)，為滿足水流強(qiáng)迫摻氣要求，縱坡坡度宜適當(dāng)增大，同時(shí)為方便施工，可采用8%～15%的坡度。無壓洞水力設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)布置和流量進(jìn)行水力要素計(jì)算，包括無壓洞水面線、斷面流速、摻氣水深、壓力分布、水流空化數(shù)等[1]。

圖1 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)

白鶴灘泄洪洞洞身部分為無壓洞段，由上平段和龍落尾段兩部分組成。泄洪洞上平段位于進(jìn)口工作閘門下游，洞身采用城門洞形斷面。龍落尾段位于上平段下游，由渥奇曲線段、斜坡段和反弧段三部分組成。1#和2#泄洪洞的反弧段直接與挑流鼻坎連接，而3#泄洪洞受地形條件限制，在反弧段與挑流鼻坎之間增加了一段用于過渡的下平段。

2.2.1 通風(fēng)洞及通風(fēng)豎井工程

為補(bǔ)充高速水流拖曵及摻氣帶走的空氣，在進(jìn)水塔工作閘門后設(shè)置有2 個(gè)通氣孔向閘室和洞內(nèi)補(bǔ)氣。此外在長(zhǎng)達(dá)近1900 m 的上平段中部布置有1 條通風(fēng)洞，與施工支洞相結(jié)合對(duì)泄洪洞進(jìn)行補(bǔ)氣。通風(fēng)洞底高程與泄洪洞直墻頂同高，位于泄洪洞摻氣水深水面以上，后期可兼做檢修通道。與交通洞的連接需要封堵或設(shè)防風(fēng)門，以免泄洪洞泄洪產(chǎn)生的高風(fēng)速影響交通安全。

2.2.2 龍落尾式設(shè)計(jì)

泄洪洞龍落尾布置形式指上游采用長(zhǎng)距離小坡度、下游采用短距離大坡度的設(shè)計(jì)方式。通過合適的坡度設(shè)計(jì)，可以使得水流在小坡度段的加速度和流道阻力達(dá)到平衡，從而限制水流在進(jìn)入龍落尾段時(shí)的流速，避免出現(xiàn)水流速度過快的現(xiàn)象，達(dá)到取消摻氣設(shè)施、減輕空蝕的目的。此外，在龍落尾段設(shè)置短陡坡形成高速水流，設(shè)置摻氣效果良好的摻氣坎，可達(dá)到良好的保護(hù)效果。

龍落尾式泄洪洞將可能造成空蝕破壞的部位盡量布置的靠近出口，避免高速水流對(duì)大壩或洞身造成破壞，同時(shí)也對(duì)后期的修復(fù)工作提供了便利。

2.2.3 摻氣坎布置

隨著泄水建筑物的泄洪流量和運(yùn)行水頭的增加，流道的空化空蝕已成為最常見的建筑物破壞形式。通過長(zhǎng)時(shí)間的研究和工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，增加摻氣設(shè)施可以有效解決空蝕破壞。

白鶴灘泄洪洞在龍落尾段共布置有3 道摻氣設(shè)施，用以減少高速水流對(duì)流道的破壞。3 道摻氣設(shè)施均為底部摻氣和側(cè)面摻氣相結(jié)合的形式。其中底部摻氣為跌坎型，側(cè)面摻氣為突擴(kuò)型。此外為保證摻氣跌坎的通氣效果，每道摻氣跌坎處均進(jìn)行局部擴(kuò)挖，利用混凝土襯砌形成兩側(cè)獨(dú)立進(jìn)氣的結(jié)構(gòu)型式?？紤]到高速水流段洞頂空氣可能充滿水汽混合物，對(duì)摻氣坎的通氣效果造成不利影響，因此設(shè)置了獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)摻氣坎進(jìn)行補(bǔ)氣。通風(fēng)系統(tǒng)的3 條主通風(fēng)洞通過豎井與每個(gè)摻氣坎通氣孔口連通，出口處直接通至泄洪洞出口開挖邊坡（圖2）。

2.3 出口挑流鼻坎

在河流上修建的大壩、水閘等建筑物會(huì)縮窄河道，抬高上游水位，同時(shí)改變水流特征，使下泄水流勢(shì)能增大。當(dāng)建筑物泄水時(shí)，水流較大的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，流速增加。而下游水流流速相對(duì)較緩，不同流速的水流銜接不當(dāng)可能會(huì)對(duì)河道以及建筑物造成沖刷等嚴(yán)重后果。根據(jù)研究，在挑流水舌沖擊影響因素方面，主要包括時(shí)間、流速、摻氣濃度以及下游河床條件（下游水墊深度和特征床沙粒徑）等對(duì)沖刷坑形態(tài)特征（尤其是最大沖坑深度）的影響[2]。

圖2 摻氣坎結(jié)構(gòu)

白鶴灘泄洪洞出口采用挑流鼻坎設(shè)計(jì)，在龍落尾段經(jīng)過摻氣坎對(duì)水流摻氣后，利用較大坡度轉(zhuǎn)化的高流速，將水流挑射到較遠(yuǎn)的位置，可有效減輕水流對(duì)下游河床的破壞。1#泄洪洞出口挑流鼻坎為左長(zhǎng)右短的斜切鼻坎，2#和3#泄洪洞出口挑流鼻坎采用右邊墻向下游收縮的扭曲鼻坎。

3 結(jié)束語(yǔ)

白鶴灘水電站作為單機(jī)100 萬千瓦級(jí)的巨型水電站，是當(dāng)今世界上在建綜合技術(shù)難度最大的水電工程。電站具有世界最大規(guī)模的無壓泄洪洞群，根據(jù)電站樞紐布置和地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了3 條泄洪洞。從進(jìn)水口、洞身以及出口工程三部分，對(duì)泄洪洞的建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為后續(xù)大型水電站在泄洪洞的設(shè)計(jì)方面提供參考。