構(gòu)皮灘水電站泄洪消能設(shè)計研究與運行檢驗

胡清義 馮雄波 曹去修 程子兵 姜治兵

摘要：構(gòu)皮灘水電站是烏江干流梯級開發(fā)的控制性工程。該電站泄洪消能具有高水頭、大泄量、窄河谷、軟基礎(chǔ)的特點，介紹了泄洪消能建筑物布置和設(shè)計方案、水工模型試驗研究成果以及工程泄洪運行和原型觀測成果。對比分析了原型觀測成果與模型試驗成果。自2008年11月蓄水以來，工程經(jīng)歷了10個汛期，20次泄洪檢驗。實踐應(yīng)用表明，構(gòu)皮灘大壩泄洪消能建筑物設(shè)計合理，下游消能充分，可滿足工程安全匯洪需求。構(gòu)皮灘高拱壩泄洪消能設(shè)計經(jīng)驗可為同類工程提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：泄洪消能;原型觀測;運行檢驗;構(gòu)皮灘水電站

中圖法分類號：TV653 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.009

文章編號：1006-0081（2020）01-0048-07

1 概述

1.1 工程簡介

構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣境內(nèi)，是烏江干流梯級開發(fā)的控制性工程。構(gòu)皮灘水電站正常蓄水位630m，死水位590m;水庫總庫容64.51億m³，調(diào)節(jié)庫容29.02億m³，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量3000MW，多年平均發(fā)電量96.82億kW·h[1]。

攔河大壩為拋物線形混凝土雙曲拱壩，壩頂高程640.5m，河床建基面高程410m，最大壩高230.5m，壩頂弧長552.55m，厚高比0.216。工程泄洪以壩身泄洪為主，岸邊泄洪為輔。河床溢流壩段布置6個表孔、7個中孔泄洪，壩下設(shè)水墊塘消能。左岸布置1條泄洪洞輔助泄洪;右岸布置首部式地下廠房，共安裝5臺600MW水輪發(fā)電機(jī)組，引水系統(tǒng)采用單機(jī)單洞、尾水系統(tǒng)二機(jī)一洞加一機(jī)一洞、主廠房和主變洞、調(diào)壓室三大洞室平行的布置格局。通航建筑物為三級垂直升船機(jī)，布置在左岸煤炭溝至野狼灣一線，設(shè)計通航標(biāo)準(zhǔn)為Ⅳ級航道，可通行500t級船舶。構(gòu)皮灘水電站樞紐平面布置見圖1。

1.2 工程建設(shè)及運行情況

構(gòu)皮灘水電站工程于2003年11月開工，2004年11月實現(xiàn)大江截流;2005年10月開始壩體混凝土澆筑;2008年11月導(dǎo)流洞下閘封堵、工程開始第一階段蓄水;2009年6月8日導(dǎo)流底孔下閘封堵、工程開始第二階段蓄水，2014年7月水庫達(dá)到正常蓄水位;2009年7月首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，同年11月大壩混凝土澆筑至設(shè)計壩頂高程，同年12月電站5臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。工程已經(jīng)歷10個汛期，20次泄洪檢驗。

2 泄洪消能設(shè)計方案

2.1 設(shè)計特點及難點

構(gòu)皮灘水電站壩高230.5m，樞紐校核洪峰流量35 600m³/s，相應(yīng)樞紐最大下泄流量28900m³/s，最大泄洪功率為42380MW。壩身最大泄量25840m³/s，上下游水頭差近150m，壩身最大泄洪功率37940MW，在建時均居國內(nèi)外雙曲拱壩之首。壩址河谷狹窄，呈“V”形，枯水期水面寬度30～60m，常遇洪水水面寬90～110m，設(shè)計、校核洪水水面寬僅140～150m。壩址緊鄰峽谷出口，巖體呈現(xiàn)上游硬下游軟的特點，壩下游200m范圍內(nèi)為灰?guī)r，以下為黏土巖和頁巖，抗沖能力低?！案咚^、大泄量、窄河谷、軟基礎(chǔ)”是構(gòu)皮灘水電站泄洪消能的突出特點，泄洪消能設(shè)計難度大。國內(nèi)外部分特高雙曲拱壩壩身泄洪指標(biāo)見表1[2]。

2.2 泄洪消能建筑物布置

構(gòu)皮灘水電站在壩身布置6個表孔，7個中孔泄洪，壩下采用人工護(hù)底水墊塘消能。左岸布置1條泄洪洞輔助泄洪，泄洪洞進(jìn)口底高程為550.00m、控制斷面尺寸為10m×9m，采用有壓洞平面轉(zhuǎn)彎龍落尾型明流隧洞的型式，泄洪洞采用護(hù)坡加預(yù)挖沖坑消能的布置方案。壩身還設(shè)有2個孔口尺寸3.80m×6.00m的放空底孔，孔底高程為490.00m，用于水庫放空和后期導(dǎo)流的放空。

表孔泄量大、運行靈活、可局部開啟，一般常遇洪水條件下，優(yōu)先開表孔泄洪，其次為中孔，泄洪洞僅在表中孔泄流能力不足時啟用，此時下游水墊深厚，消能安全有保障。

2.3 壩身孔口設(shè)計方案

2.3.1 孔口體形設(shè)計原則

壩身孔口設(shè)計與下游水墊塘消能設(shè)計密切相關(guān)，水墊塘的底板高程受表孔單獨泄流控制，其長度受中孔單獨泄流控制，水墊塘底板沖擊壓力是消能設(shè)計的關(guān)鍵控制指標(biāo)。由于構(gòu)皮灘水電站泄洪功率大，水墊塘單位水體消能率高，為避免能量疊加，減小水墊塘底板的沖擊動水壓力，均化水墊塘的消能負(fù)擔(dān)，孔口體型設(shè)計采取“分散水舌、分區(qū)消能”的原則;同時考慮壩址河谷狹窄，為避免水舌干砸水墊塘邊坡，在適當(dāng)消能的同時盡量降低泄洪霧化影響，表中孔水舌遵循“適度碰撞”的原則進(jìn)行設(shè)計[3]。

2.3.2 孔口布置方案

構(gòu)皮灘水電站壩身6個表孔的孔口尺寸為12.00m×13.00m（寬x高），堰頂高程為617.00m，中孔尺寸為7.00m×6.00m（寬x高），出口平均高程為550.00m。中孔布置于表孔閘墩下方，其中心線與閘墩中心線重合。泄洪孔呈弧線布置，軸線半徑R=350m。表、中孔平面總布置見圖2。

2.3.3 孔口體形設(shè)計方案

（l）表孔體形設(shè)計。表孔堰頂高程617.00m，堰面采用WES曲線，堰面曲線方程為y=0.04187x^1.85。1號和6號孔采用-20°挑角出流，2號和5號孔采用0°挑角出流，3號和4號孔采用-30°出流，各表孔的出口處布置了不同型式的分流齒坎，以擴(kuò)散水舌進(jìn)人墊塘的面積。表孔下游立視見圖3。

（2）中孔體形設(shè)計。中孔為有壓孔型式，弧形工作門布置在出口處，平板事故檢修門布置于進(jìn)口處，1，3，5，7號孔為平底出流，2，6號孔為25°挑角出流，4號孔為10°挑角出流，見圖4，5。

2.3.4 壩身孔口設(shè)計的特點

由以上壩身孔口設(shè)計方案可見，構(gòu)皮灘壩身孔口設(shè)計特點如下：

（1）表孔俯角、中孔挑角布置，總體體型達(dá)到水舌遠(yuǎn)近分區(qū)、加強(qiáng)空中碰撞的目的。

（2）表、中孔均采取出口擴(kuò)散以減小人水單寬，均化能量。

（3）相鄰表孔采用出口俯角大差動布置，相鄰中孔采取不同挑角布置，以達(dá)到調(diào)整水舌落點，避免水舌疊加的目的。

（4）左右邊表孔采取不對稱擴(kuò)散布置，以避免表孔水舌打擊水墊塘邊墻及岸坡;表孔出口設(shè)置不同型式的分流齒，以優(yōu)化分散表孔水舌。

（5）中孔采用“進(jìn)口大差動、出口小差動”布置，即進(jìn)口高程相差較大、出口高程相近的方案，且相鄰中孔挑角不同，可以分散中孔水舌，并有利于閘門、啟閉機(jī)和檢修設(shè)施布置。

2.4 泄洪洞布置方案

泄洪洞采用有壓洞轉(zhuǎn)彎接龍落尾型明流隧洞的型式，進(jìn)口底高程550.00m，進(jìn)水口事故閘門采用岸塔式布置，閘門孔口尺寸為7m×16m，有壓洞為圓形斷面，直徑12m，采用平面轉(zhuǎn)彎，軸線轉(zhuǎn)彎半徑為90m。工作閘門室布置于防滲帷幕線下游34.42m處，控制斷面孔口尺寸10m×9m（寬×高）。無壓段底坡坡度i=0.2063，洞身型式為城門洞型，斷面尺寸10m×15m。泄洪洞出口預(yù)挖沖坑消能，最低預(yù)挖至高程425.00m[4-5]。

3 水力學(xué)試驗研究

構(gòu)皮灘水電站水力學(xué)試驗研究歷時長，研究內(nèi)容廣泛，開展了1：110、1：55水工整體模型試驗、表孔1：35常減壓斷面模型試驗、中孔1：30常減壓模型試驗、消能工（水墊塘）結(jié)構(gòu)型式破壞機(jī)理研究、防護(hù)措施數(shù)模及物模試驗研究、壩身泄洪流激振動試驗研究等工作[6]。

3.1 泄洪消能試驗研究

3.1.1 水流流態(tài)

表孔單獨泄洪時，水舌縱向分開落人水墊塘中。各工況下，3號、4號表孔齒槽水舌挑距最近，2號、5號表孔水舌挑距最遠(yuǎn)。表孔水流最大人水寬度為112m，水舌未直接沖擊水墊塘邊墻。

中孔單獨泄洪時，1，3，5，7號中孔水舌平拋人水，2，4，6號中孔水舌斜拋入水。2，6號中孔水舌挑距最遠(yuǎn)，3，5號中孔挑距最近。

泄洪洞單泄時，水舌中部挑距最遠(yuǎn)，右側(cè)次之，左側(cè)最近，水舌人水最大寬度為76m。

表孔與中孔聯(lián)合泄洪時，2，6號中孔水舌上行時分別與相鄰的表孔水舌發(fā)生碰撞，3，5號中孔水舌在下行過程中與相鄰表孔水舌發(fā)生碰撞，而1，7號中孔水舌在下行過程中僅與1，6號表孔齒槽部分水舌發(fā)生碰撞，故這兩個中孔水舌與表孔水舌的碰撞程度最小。4號中孔水舌在上行過程與3，4號表孔內(nèi)側(cè)齒槽水舌發(fā)生碰撞，在下行過程中與3，4號表孔齒坎水舌發(fā)生碰撞，與表孔水舌的碰撞程度最為劇烈。

3.1.2 泄洪建筑物動水壓力和空化特性

（l）表孔。表孔堰頂附近及壩面WES曲線起始段存在負(fù)壓，最大時均負(fù)壓絕對值為2.19×9.81kPa;邊墻側(cè)擴(kuò)散起點附近最大時均負(fù)壓絕對值為2.73×9.81kPa;檢修門槽下游斜坡末端后出現(xiàn)輕微的逆壓分布，其他壓力正常。

（2）中孔。2號中孔進(jìn)口曲線、檢修門槽區(qū)及出口收縮段內(nèi)局部范圍存在較輕微的逆壓分布，其他壓力特性正常。1號中孔原方案的進(jìn)口曲線段及檢修門槽區(qū)，壓力特性較2號中孔略差，且時均動水壓力絕對值較2號中孔低。通過孔頂部體型優(yōu)化，時均壓力絕對值明顯提高。

3.1.3 水墊塘底板沖擊壓力

壩身表、中孔各股水舌人射水墊塘，在水墊塘底板上形成的動水沖擊壓力是直接影響底板穩(wěn)定性的主要荷載之一，沖擊壓力大小及其分布是評價水墊塘設(shè)計合理性的重要依據(jù)。表孔單泄時，水墊塘底板最大沖擊壓力為6.5×9.81kPa。中孔單泄時，由于水舌落點相互錯開，人塘水流擴(kuò)散良好，水墊塘底板上未出現(xiàn)沖擊壓力。表孔和中孔聯(lián)泄時，由于表孔、中孔水舌碰撞消能效果良好，P=0.2%設(shè)計洪水和P=1%泄洪工況下水墊塘底板上未出現(xiàn)沖擊壓力，P=0.02%校核洪水工況下水墊塘底板上沖擊壓力為1.07×9.81kPa。

3.1.4 下游沖刷

表孔單泄和中孔單泄時，水墊塘二道壩護(hù)坦下游均未形成沖刷。泄洪洞單泄時，水舌人水處下游主沖坑沖深為11.1m;泄洪洞出口下方岸坡坡腳及左岸1號導(dǎo)流洞出口處未沖;電站尾水出口及尾水渠平臺處未見淤積。表孔、中孔和泄洪洞聯(lián)泄時，護(hù)坦下游最大沖深為1.5m，沖坑后坡比緩于1：3;泄洪洞出口下方岸坡坡腳下游形成淘刷，最大沖深為5m，沖坑后坡比緩于1：4.5。

3.2 泄洪霧化研究與防護(hù)方案

根據(jù)泄洪霧化1：55水工整體模型試驗研究成果，構(gòu)皮灘工程泄洪霧化主要有兩個源項，即表、中孔水舌在空中運動自摻氣和碰撞所形成的霧化以及水舌入水激濺所引起的霧化。下游泄洪霧化邊坡防護(hù)按100a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。試驗成果表明，當(dāng)樞紐下泄該標(biāo)準(zhǔn)洪水時，左岸高程550m以下、右岸高程555m以下的泄洪霧雨雨強(qiáng)大于200mm/h，順流向在0+000～0+360m區(qū)域內(nèi)。雨強(qiáng)小于200mm/h的影響在左右岸上述高程以上，順流向在0+000～0+700m區(qū)域內(nèi)。為此，對大壩下游邊坡范圍實行四級區(qū)域保護(hù)：

（1）一級區(qū)（雨強(qiáng)大于600mm/h）。左右岸高程495.50m以下水墊塘邊墻混凝土結(jié)構(gòu)，分級貼坡厚度0.5～3.0m，墻背設(shè)有錨筋（錨樁）及墻背排水溝網(wǎng)。

（2）二級區(qū)（雨強(qiáng)為200～600mm/h）。左岸壩趾至泄洪洞出口、右岸壩趾至尾調(diào)路5號施工支洞高程495.50～550m，開挖邊坡采用50cm厚貼坡混凝土加錨桿保護(hù)，并將坡面排水孔引至結(jié)構(gòu)表面。

（3）三級區(qū)（雨強(qiáng)為10～200mm/h）。上述左右岸二級區(qū)以上至霧化保護(hù)區(qū)邊界間開挖邊坡和自然邊坡采用掛網(wǎng)噴錨保護(hù)，并將坡面排水孔引至結(jié)構(gòu)表面。

（4）四級區(qū)（雨強(qiáng)小于10mm/h）。泄洪霧化保護(hù)區(qū)及二級區(qū)所表述范圍之外的下游邊坡僅設(shè)置防落石措施。

4 工程泄洪運行檢驗

4.1 泄洪運行情況

自2008年11月水庫蓄水以來，構(gòu)皮灘水電站工程已經(jīng)歷10個汛期，經(jīng)受2014年7月和2017年6月兩次泄洪檢驗。2014年7月入庫洪峰流量16900m³/s（與20a一遇洪峰流量相同），最大出庫流量11300m³/s，壩身表孔和部分中孔同時開啟的最大泄量為9910m³/s，最高庫水位629.93m，最大水頭差達(dá)185m。2017年6月人庫洪峰流量8 900 MI/s，只開啟了表孔泄洪[5]。

4.2 泄洪原型觀測及與模型試驗成果對比分析

4.2.1 流態(tài)

上游庫區(qū)水面平靜，各表孔進(jìn)流順暢，過堰頂后閘室內(nèi)水面迅速下降，水面距弧門支鉸間距離較大，水舌出閘室后，兩兩交匯形成水翅，水舌表面摻氣充分，呈白色絮狀（見圖6～8）。水墊塘內(nèi)霧雨彌漫，濃霧沿兩側(cè)山體上升，在高程650m左右形成霧云向下游移動（見圖9）。表孔水舌人水處下游可持續(xù)觀察到巨大涌浪爬升至空中一定高度（最高高程可達(dá)到570m左右）后呈濃霧消散現(xiàn)象（見圖10）。塘內(nèi)水體消能充分，二道壩及下游水流銜接較為平順，未見明顯水面跌落。

除表孔水舌摻氣和裂散程度以及水墊塘內(nèi)涌浪爬升現(xiàn)象較模型試驗顯著加劇外，其余流態(tài)基本一致。

4.2.2 壓力

2014年泄洪期間對1，3號表孔壓力進(jìn)行了觀測，各部位時均壓力分布正常，未出現(xiàn)負(fù)壓。1號表孔最大時均壓力為8.47×9.81kPa，脈動壓力標(biāo)準(zhǔn)差在0.42×9.81～1.96×9.81kPa之間，主頻范圍為0.01～0.40Hz。3號表孔最大時均壓力為7.21×9.81 kPa，脈動壓力標(biāo)準(zhǔn)差在0.37×9.81～1.44×9.81kPa之間，主頻范圍在0.01～1.53Hz。

2017年泄洪期間，對水墊塘底板壓力進(jìn)行了觀測，各測點均為正壓，壓力分布正常，最大脈動壓力標(biāo)準(zhǔn)差為3×9.81kPa。本次泄洪僅開啟表孔，實測未見明顯沖擊壓力，而表孔單泄工況模型試驗最大沖擊壓力為6.5×9.81kPa，實測水墊塘塘底板沖擊效應(yīng)比模型試驗小，可能是實際運行時水舌空中摻氣比模型試驗劇烈，空中消能效果優(yōu)于模型試驗所致。

4.2.3 泄洪霧化

2014年泄洪觀測未獲得霧化降雨量的觀測資料，僅拍攝了相關(guān)照片和視頻，表中孔均開啟時，典型的泄洪霧化照片見圖10。

2017年泄洪期間開展了泄洪霧化觀測。觀測成果表明，右岸開關(guān)站基本不受壩身泄洪霧化影響。左岸550m通風(fēng)洞口（近水墊塘側(cè)）霧化降雨與泄洪表孔開啟方式相關(guān)，3號+4號表孔敞泄時無明顯霧化降雨，其余工況下泄洪霧化降雨強(qiáng)度較大。6號表孔敞泄時觀測到最大降雨強(qiáng)度為14.3mm/h，屬特大暴雨;3，4號表孔敞泄+2，5號表孔開度4m和2-5號表孔敞泄+1號、6號表孔開度6m的工況下，該部位降雨強(qiáng)度為7.6～12.9mm/h，屬于大暴雨。右岸尾調(diào)室495m平臺處霧化降雨強(qiáng)度為1.3～2.9mm/h，基本處于大雨及暴雨的范疇，該部位處于擴(kuò)散段，且位于水舌濺落區(qū)之外，其霧化降雨主要受水舌風(fēng)影響。

泄洪霧化觀測成果表明，霧雨主要集中在水墊塘及其周邊，實際霧化情況與模型試驗成果較為接近，工程泄洪霧化對建筑物及邊坡的影響在預(yù)測范圍內(nèi)。

4.3 滲流監(jiān)測

4.3.1 大壩

2017年6月泄洪期間，大壩基礎(chǔ)廊道實測滲流量58.18L/min，測值較5月增大23L/min;大壩集水井來水量415.71L/min，該輪降雨前來水量111.84L/min。2014年“7·17”泄洪期間最大來水量277.25L/min。

4.3.2 水墊塘

2017年6月泄洪期間，水墊塘集水井來水量1343.67L/min，該輪降雨前來水量308.47L/min。2014年“7·17”泄洪期間，由于下游E支洞封堵門未關(guān)緊，下游有水灌入水墊塘，測到水墊塘集水井最大來水量15924.05L/min，但仍小于集水井最大抽排能力。

滲流監(jiān)測成果表明，水墊塘底板封閉效果良好，為底板穩(wěn)定提供了保障。

4.4 巡視檢查

工程泄洪過程中和泄洪結(jié)束后，均對各主要建筑物和兩岸邊坡進(jìn)行了巡視檢查。泄洪過程中壩頂沒有明顯霧雨，沒有體感泄洪振動，各建筑物運行正常，邊坡局部噴混凝土掉落，高程495m、480m馬道部分防護(hù)墩墻被沖毀。

5 結(jié)論

構(gòu)皮灘大壩是我國已建成壩中的第六高拱壩，在已建同類工程中，設(shè)計最大泄洪功率僅次于溪洛渡大壩。工程實際運行僅經(jīng)受了20a一遇洪水檢驗，雖然未達(dá)到大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)，但在已建同類工程中，是唯一一座壩身實際經(jīng)受10000m³/s大泄量、超高水頭泄洪檢驗的特高拱壩。對構(gòu)皮灘水電站泄洪消能方案及運行檢驗可以得出以下結(jié)論：

（1）工程泄洪消能方案適應(yīng)了“高水頭、大泄量、窄河谷、軟基礎(chǔ)”的特點，泄洪消能建筑物設(shè)計合理，下游消能充分，可以滿足工程安全泄洪的要求。

（2）表中孔出口差動布置、橫向擴(kuò)散、齒坎分流的方案可以有效分散水舌入水，降低水墊塘內(nèi)壓力。

（3）表中孔水舌空中適當(dāng)碰撞可以顯著降低底板沖擊壓力、提高消能效果，對泄洪霧化影響不大。

（4）水墊塘內(nèi)水體沖擊反彈及岸坡涌浪與水工模型試驗成果對比表明，在后續(xù)同類工程設(shè)計中應(yīng)充分考慮其影響，其余部位流態(tài)與模型試驗成果基本一致。

（5）壩身孔口流道及水墊塘底板壓力監(jiān)測成果表明，流道未出現(xiàn)負(fù)壓;水墊塘底板未監(jiān)測到?jīng)_擊壓力，可能是由于實際運行時水舌空中摻氣比模型劇烈，空中消能效果優(yōu)于模型試驗所致。

（6）壩基及水墊塘滲漏量小于設(shè)計值，水墊塘底板封閉效果良好，為底板穩(wěn)定提供了保障;各建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計、邊坡防護(hù)和滲控設(shè)計合理，建筑物安全穩(wěn)定運行。

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（編輯：李曉檬）

收稿日期：2019-09-30

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0401706）

作者簡介：胡清義，男，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail：huqingy@cjwsjy.com.cn