水電工程中環(huán)境友好型泄洪消能建筑物研究

潘洪月，李 華，宛良朋，王 坤，王英奎

(1.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610041；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

我國(guó)水資源絕大部分集中在西南地區(qū)，一大批高拱壩已經(jīng)或正在建設(shè)中，這些工程一般都具有“高水頭、大流量、窄河谷”等特點(diǎn)。隨著建設(shè)美麗中國(guó)的理念逐漸深入人心，水利水電工程對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，而水利工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行可能造成的各類環(huán)境影響也越來(lái)越受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，對(duì)水利水電工程建設(shè)提出了更高的要求[1]。

對(duì)于西南地區(qū)的大部分工程而言，由于泄流量和泄洪功率較大、河谷狹窄、山高坡陡，樞紐布置及泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)受到很大限制，在方案選擇、整體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面都存在很大困難。泄洪消能建筑物的設(shè)計(jì)不僅影響工程運(yùn)行安全、工程投資及效益，而且對(duì)壩址區(qū)及周邊環(huán)境也有較大影響：①泄洪消能引起的泄洪霧化和河道嚴(yán)重沖刷不利于岸坡穩(wěn)定，如龍羊峽、李家峽、二灘等工程都因泄洪霧化引起了不同規(guī)模的山體滑坡[2]；②下游河道水流產(chǎn)生溶解氣體過(guò)飽和引起魚(yú)類的死亡，三峽和溪洛渡水電站泄洪導(dǎo)致水體溶解氣體過(guò)飽和導(dǎo)致下游河道死魚(yú)現(xiàn)象；③泄洪消能水體紊動(dòng)引起消能區(qū)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)及周邊場(chǎng)地振動(dòng)，向家壩水電站在泄洪消能設(shè)計(jì)中曾經(jīng)遇到泄洪誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)的問(wèn)題。這些泄洪消能引發(fā)的次生危害問(wèn)題在一定程度上制約了水利水電工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)。

本文針對(duì)水電工程泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)中的環(huán)境影響進(jìn)行了探討，指出了“環(huán)境友好型”的特點(diǎn)，結(jié)合水電工程實(shí)際提出了其具體要求，并對(duì)幾種比較常用的環(huán)境友好型泄洪消能建筑物進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 環(huán)境友好型建筑特點(diǎn)及要求

所謂“環(huán)境友好型”，廣義上講可以理解為在建筑壽命周期內(nèi)，通過(guò)降低資源和能源的消耗減少各種廢物的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)與自然共生的工程；狹義上講是指規(guī)劃、設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮并利用了環(huán)境因素，施工、運(yùn)行過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響最低的工程。水力發(fā)電作為一種傳統(tǒng)清潔型能源，是我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、建設(shè)美麗中國(guó)的重要組成部分，但在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響，因此有必要在設(shè)計(jì)階段就充分考慮其環(huán)境影響，盡量達(dá)到環(huán)境友好的目的。而泄洪消能設(shè)計(jì)作為水電工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，“環(huán)境友好型”主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)泄洪霧化影響較小。泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)應(yīng)盡量控制泄洪霧化范圍和霧雨強(qiáng)度，采取必要的工程措施，減輕泄洪霧化對(duì)工程邊坡和自然邊坡的影響[2]。

2)盡量避免總?cè)芙鈿怏w(TDG)過(guò)飽和。泄洪消能方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免泄洪消能引起的總?cè)芙鈿怏w(TDG)過(guò)飽和，減輕對(duì)水生生態(tài)的影響。

3)減輕流激振動(dòng)及場(chǎng)地振動(dòng)。泄洪消能方案應(yīng)避免對(duì)消能區(qū)工程邊坡和自然邊坡的直接沖刷，減輕消能區(qū)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)，盡量避免引起周邊場(chǎng)地振動(dòng)。

另外，在保證泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)安全的前提下，泄洪建筑物設(shè)計(jì)盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、投資節(jié)約，以減輕資源和能源浪費(fèi)。

2 環(huán)境友好型泄洪消能建筑物研究

隨著對(duì)環(huán)境影響的逐漸重視及泄洪消能技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的泄洪消能設(shè)計(jì)開(kāi)始重視其環(huán)境影響，具備一定的環(huán)境友好型特點(diǎn)，下面簡(jiǎn)單對(duì)幾種環(huán)境友好型泄洪消能建筑物的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，以供工程設(shè)計(jì)中參考。

2.1 壩面臺(tái)階式消能

將泄水建筑物過(guò)流面設(shè)計(jì)成臺(tái)階狀溢流面而形成的消能型式(圖1)，利用水流流經(jīng)臺(tái)階狀溢流面時(shí)形成的水平軸漩滾、碰撞和摻氣等作用達(dá)到消能目的。壩面臺(tái)階式消能可單獨(dú)采用，也可以與消力池、寬尾墩等聯(lián)合應(yīng)用。

圖1 臺(tái)階式消能工圖

臺(tái)階式消能的顯著特點(diǎn)是過(guò)流面上的摩阻力大，摻氣多，從而消能率高，可極大的縮短下游所需消能工的尺寸，一般可使消力池長(zhǎng)度縮短10%～30%。臺(tái)階式消能工單獨(dú)采用時(shí)，多適用于設(shè)計(jì)單寬流量小于20 m3/(s·m)的中壩、低壩；而與寬尾墩聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，也逐漸應(yīng)用于單寬流量較大或高壩工程中。

壩面臺(tái)階式消能的消能區(qū)在壩面臺(tái)階部位，單獨(dú)應(yīng)用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生泄洪霧化，對(duì)下游河道及附近山體影響很小，一般也不會(huì)引起周邊山體的流激振動(dòng)或場(chǎng)地振動(dòng)，但通常應(yīng)用于單寬流量較小、高度較低的碾壓混凝土壩中，應(yīng)用范圍有一定局限性。

圖2 沫若水電站臺(tái)階式消能泄洪照片

2.2 水墊塘消能

現(xiàn)有大型水電工程中，挑跌流+水墊塘消能方案應(yīng)用較多，這種消能型式適應(yīng)性強(qiáng)、消能效果好、泄洪安全保障性較高，但也存在泄洪霧化及岸坡沖刷等問(wèn)題，工程中一般也采取了一定的防護(hù)措施。

水墊塘主要是利用淹沒(méi)水躍消能。水墊塘中的斜向淹沒(méi)沖擊射流，為射流主流區(qū)+旋渦區(qū)的混合結(jié)構(gòu)。其中主流區(qū)與各宏觀旋渦區(qū)的交界區(qū)域是一層強(qiáng)紊動(dòng)剪切作用區(qū)，主流在該區(qū)通過(guò)強(qiáng)烈紊動(dòng)剪切和擴(kuò)散作用使其有效機(jī)械能(動(dòng)能)不斷地被消剎[3]，因此該區(qū)域是射流有效機(jī)械能消剎的主區(qū)域，消能率可達(dá)70%以上。水墊塘內(nèi)流態(tài)如圖3所示。

圖3 水墊塘內(nèi)典型流態(tài)示意圖

在工程實(shí)踐中，為了減輕水墊塘內(nèi)消能水流紊動(dòng)以及泄洪霧化對(duì)邊坡的影響，壩后水墊塘一般需要采取坡面防護(hù)措施，一般分全襯砌水墊塘、局部襯砌水墊塘兩種形式[4-6]，如圖4和圖5所示。

圖4 全襯砌水墊塘結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 局部襯砌水墊塘(護(hù)岸不護(hù)底水墊塘)結(jié)構(gòu)示意圖

水墊塘消能的應(yīng)用較為廣泛，消能機(jī)理和防護(hù)技術(shù)均比較成熟，但其存在泄洪霧化、流激振動(dòng)、下游水體總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和等不足，需要采取邊坡防護(hù)等工程措施來(lái)提高其環(huán)境友好性。

2.3 壩身孔口無(wú)碰撞消能

高拱壩表中孔水流空中碰撞消能產(chǎn)生比較嚴(yán)重的泄洪霧化，因此部分工程泄洪消能設(shè)計(jì)中采用表深孔水流無(wú)碰撞消能型式，一般采用兩種方式：一種是表中孔仍采用常規(guī)出口體型，在平面布置上各孔橫向相互盡量拉開(kāi)，但受工程所處河谷狹窄限制而很難實(shí)現(xiàn)；另一種是高拱壩表深孔采用收縮式消能工，如寬尾墩、窄縫挑坎等，利用收縮式消能工收縮水流的特性獲得窄長(zhǎng)的下泄水舌流態(tài)，各股水舌從相互間間隙穿插下落，從而實(shí)現(xiàn)表深孔水舌的空中無(wú)碰撞消能。

錦屏一級(jí)水電站表孔采用寬尾墩，深孔采用窄縫挑坎，下泄水舌呈窄長(zhǎng)的水流流態(tài)，在空中相互穿插下落，不發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)了表深水舌空中無(wú)碰撞消能，如圖6所示[7]。

圖6 水墊塘內(nèi)典型流態(tài)示意圖

無(wú)碰撞窄縫消能降低了泄洪霧化的強(qiáng)度和范圍，對(duì)環(huán)境影響較小，適用于狹窄河谷中的高拱壩工程，但受窄縫影響，孔口泄流能力會(huì)有一定減小，并且設(shè)計(jì)中應(yīng)研究避免下泄水舌對(duì)水墊塘底板的沖擊破壞。

2.4 旋流式消能

旋流式消能工是指通過(guò)設(shè)置氣旋器等措施，使水流在泄洪洞內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到消能的目的。旋流式消能工一般由引水道、旋轉(zhuǎn)水流發(fā)生裝置、消能段和出水道四部分組成，主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)水流的高速旋轉(zhuǎn)，利用水流層間的紊動(dòng)、剪切作用和漩渦消耗水流能量，同時(shí)利用旋流的摻氣作用使水流變?yōu)槎嗔鳎黾恿藲?水紊動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而有效地消剎能量。

旋流式消能的有效消能區(qū)集中在旋流洞內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生泄洪霧化，對(duì)工程區(qū)邊坡影響很小，但旋流式消能的泄流能力受到一定影響，并且旋流洞內(nèi)的摻氣也容易導(dǎo)致下游水體總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和等問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)隨著水利水電工程對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，環(huán)境友好型水電工程將逐漸成為未來(lái)研究的重點(diǎn)，需要在水電工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行等各階段引起足夠重視。

2)環(huán)境友好型泄洪消能建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮其環(huán)境影響，盡量達(dá)到泄洪霧化影響小、避免總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和、減輕流激振動(dòng)及場(chǎng)地振動(dòng)等要求，并且盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、投資節(jié)約，以減輕資源和能源浪費(fèi)。

3)壩面臺(tái)階式消能、水墊塘消能、壩身孔口無(wú)碰撞消能和旋流式消能等均具備一定的環(huán)境友好特點(diǎn)，但也存在一定的不足，需要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行充分的研究論證，以選擇合適的設(shè)計(jì)方案。