拉哇水電站高水頭大泄量泄水建筑物布置與設(shè)計(jì)

董金玉，王慶祥，王曉亮

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江上游，水庫正常蓄水位2 702 m，相應(yīng)庫容23.14億m3，電站裝機(jī)容量2 000 MW。壩址區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，最大洪峰流量11 900 m3/s。樞紐主要由混凝土面板堆石壩、泄水建筑物及輸水發(fā)電建筑物等組成，最大壩高239 m。

拉哇水電站壩址區(qū)河谷狹窄，河床覆蓋層深厚，不良地質(zhì)體發(fā)育。擋水大壩采用面板堆石壩，最大壩高239 m，超過已建和在建同類工程。壩址兩岸地形陡峭且不對(duì)稱，大壩拱效應(yīng)明顯，壩體填筑料采用高壩填筑中較少見的角閃片巖，壩體應(yīng)力水平高，大壩下部約70 m長(zhǎng)期處于水下，壩體濕化范圍大，壩體后期變形大，且工程處于強(qiáng)震區(qū)，工程建設(shè)難度大。

泄水建筑物具有泄量大、泄洪水頭高、歷時(shí)長(zhǎng)、泄洪功率大、抗震設(shè)防烈度高等特點(diǎn)。泄水建筑物的布置既要保證泄洪的安全性，又要保證具有一定的放空水庫的能力，以方便大壩檢修等要求。主要建筑物均布置于右岸，洞室密集，建筑物布置條件復(fù)雜，泄水建筑物軸線與河道夾角大，下泄水流歸槽條件差，布置難度大。通過對(duì)泄水建筑物結(jié)構(gòu)布置深入細(xì)致的研究，優(yōu)化建筑物布置，確保了泄水建筑物技術(shù)可行、安全可靠、運(yùn)行方便及經(jīng)濟(jì)合理。

2 地形地質(zhì)條件

壩址處于松洼背斜(M1)傾伏端。岸坡巖體卸荷作用強(qiáng)烈。壩址左岸發(fā)育區(qū)域性斷層F1和區(qū)域性次級(jí)斷層F9-1，受其影響，左岸結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖體不完整。壩址區(qū)右岸山體雄厚，地形齊整，岸坡多為基巖弱風(fēng)化陡壁。樞紐區(qū)主要發(fā)育的不良地質(zhì)體包括右岸Ⅴ號(hào)堆積體和左岸Ⅵ號(hào)、Ⅶ號(hào)、Ⅷ號(hào)堆積體及2 740 m高程以上深厚全強(qiáng)風(fēng)化自然邊坡。壩址區(qū)河床覆蓋層最大厚度約72 m，成分復(fù)雜。下游消能防沖區(qū)兩岸岸坡基巖裸露，為弱風(fēng)化基巖陡壁。邊坡整體穩(wěn)定條件好，不存在潛在特定的不穩(wěn)定塊體。

圖1 右岸溢洪洞方案平面布置

3 泄水建筑物布置原則

根據(jù)該工程的泄洪規(guī)模，結(jié)合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件、水庫特性、水文特性、水庫調(diào)度運(yùn)行方式并兼顧施工中后期導(dǎo)流，泄水建筑物布置原則為：

(1)合理選擇泄水建筑物形式及泄量分配比例，提高泄洪設(shè)施的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性。

(2)泄水建筑物的布置應(yīng)避開主要不良地質(zhì)體，并與其他樞紐建筑物的布置相協(xié)調(diào)，避免施工和運(yùn)行期相互干擾。

在滿足泄洪要求并保證大壩安全的前提下，考慮泄水建筑物工程量及投資較省。

4 泄水建筑物泄洪規(guī)模

拉哇水電站工程主要建筑物，受地形地質(zhì)條件制約，除大壩外，其他均以洞室建筑物的形式布置于右岸地下，布置空間局促，泄水建筑物宜盡量以減小洞室條數(shù)、加大單洞泄量為主要因素進(jìn)行布置。

拉哇水電站最大洪峰流量11 900 m3/s，泄水建筑物擬考慮由表孔、中孔和底孔構(gòu)成，表孔以泄洪為主并兼顧水庫放空及水庫水位控制，中孔參與渲泄大洪水，底孔用于水庫放空，不參與泄洪。結(jié)合壩址地形地質(zhì)和建筑物布置條件，擬布置2條表孔、1條中孔和1條底孔，表孔總泄量約8 500 m3/s，中孔泄量約3 000 m3/s，底孔根據(jù)水庫放空要求設(shè)置。

5 泄水建筑物布置格局[1- 4]

拉哇大壩壩址左岸被拉哇溝切割，受區(qū)域斷層F9-1、F1和Ⅶ號(hào)拉勉堆積體等影響，左岸巖體完整性差，地質(zhì)條件差，不宜布置大型地下洞室建筑物，但壩址左岸壩頂高程以上地形相對(duì)較緩，下游河道右拐，具備布置岸邊開敞式溢洪道的地形條件。右岸地形陡峻，無天然埡口，無大型結(jié)構(gòu)面，山體雄厚，地形齊整，斷層、層間夾層不發(fā)育，巖體較完整，地質(zhì)條件明顯優(yōu)于左岸，具備布置大型地下洞室群條件，且右岸為凸岸，可裁彎取直布置洞室泄水建筑物。

根據(jù)左右岸地形地質(zhì)條件，將中孔泄洪洞、底孔放空洞及輸水發(fā)電系統(tǒng)均布置于右岸地下，表孔考慮兩種布置方式，分別為：布置于左岸的溢洪道，采用開敞式進(jìn)口、明渠泄槽；和布置于右岸的溢洪洞，采用開敞式進(jìn)口、隧洞泄槽。因此，根據(jù)表孔位置及泄槽形式的不同，泄水建筑物布置格局分為右岸溢洪洞方案(見圖1)和左岸溢洪道方案(見圖2)。

圖2 左岸溢洪道方案平面布置

5.1 方案布置

右岸溢洪洞方案將泄水建筑物均布置于右岸地下，包括2條溢洪洞、1條泄洪洞、1條放空洞。溢洪洞采用開敞式進(jìn)口，洞室泄洪。溢洪洞單孔孔口尺寸15 m×23 m，相應(yīng)堰頂高程2 679 m，單洞最大泄量4 137 m3/s，單寬流量276 m3/s，無壓隧洞斷面尺寸15 m×23 m，出口挑流消能。泄洪洞進(jìn)口底板高程2 640 m，采用有壓接無壓隧洞布置形式，最大擋水水頭62 m，工作閘門孔口尺寸12 m×9 m，圓形有壓隧洞直徑13.5 m，無壓隧洞斷面尺寸12 m×18 m，出口挑流消能。泄洪洞最大泄量3 149 m3/s，單寬流量262 m3/s。放空洞不參與泄洪，僅在庫水位低于2 660 m時(shí)參與水庫放空。進(jìn)口底板高程2 585 m，采用有壓接無壓隧洞布置形式，工作閘門孔口尺寸6 m×6 m，圓形有壓隧洞直徑8 m，無壓隧洞斷面尺寸7 m×12 m，出口采用挑流消能。放空洞最大泄量1 084 m3/s。

左岸溢洪道方案是將表孔溢洪道布置于左岸，泄洪洞和放空洞布置于右岸。溢洪道采用開敞式進(jìn)口，明渠泄洪，共2孔。各建筑物泄洪規(guī)模與孔口尺寸和右岸泄洪洞方案相同。

5.2 方案比較

右岸溢洪洞方案避開了左岸各不良地質(zhì)體和大型結(jié)構(gòu)面，較好地適應(yīng)了壩址的地形地質(zhì)條件。主要開挖邊坡分布于右岸，均為反向巖質(zhì)坡，邊坡穩(wěn)定性較好。消能區(qū)遠(yuǎn)離大壩壩腳，可避免下泄水流淘刷壩腳堆石。

左岸溢洪道方案的開敞式溢洪道超泄能力強(qiáng)，但進(jìn)水渠開挖觸及左岸深厚全強(qiáng)風(fēng)化自然邊坡，對(duì)其穩(wěn)定有較大影響。泄槽段施工及施工道路布置對(duì)Ⅶ號(hào)堆積體有影響。溢洪道下泄水流淘刷Ⅷ堆積體，泄洪霧化有可能影響Ⅶ號(hào)和Ⅷ堆積體的穩(wěn)定。挑流鼻坎緊鄰大壩壩腳布置，壩腳堆石需采取防護(hù)措施。另外，左岸開挖邊坡主要為斜交順向坡，邊坡穩(wěn)定條件相對(duì)較差，處理難度大。

經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，左岸溢洪道方案工程潛在風(fēng)險(xiǎn)大、投資大，且投資可控性較差；右岸溢洪洞方案投資較左岸溢洪道方案少約12.6億元，更好地適應(yīng)了壩址的地形地質(zhì)條件，具有不擾動(dòng)左岸不良地質(zhì)體、潛在風(fēng)險(xiǎn)小、工程投資可控程度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，選擇右岸溢洪洞方案為泄水建筑物布置方案。

6 泄洪洞與放空洞結(jié)合研究

拉哇水電站地形地質(zhì)條件復(fù)雜，工程規(guī)模大，樞紐主要建筑物占投資比例高。為降低工程投資，優(yōu)化樞紐布置，并確保工程安全，研究泄洪洞與放空洞結(jié)合布置的可能性。

6.1 研究方案擬定

按泄洪洞是否與放空洞結(jié)合，擬定四洞方案和三洞方案進(jìn)行比較。四洞方案在右岸溢洪洞方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，共設(shè)置4條洞室；三洞方案在四洞方案基礎(chǔ)上取消放空洞，降低泄洪洞進(jìn)口底板高程，使其兼具泄洪和放空水庫的功能，共設(shè)置3條洞室。

6.2 方案布置

6.2.1四洞方案布置

四洞方案設(shè)3層泄水通道，表層為2條溢洪洞，中間為1條泄洪洞，底層為1條放空洞。

四洞方案在右岸溢洪洞方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，將電站進(jìn)水口布置在右岸壩頭與泄水建筑物之間，將放空洞洞線與④機(jī)引水洞上平段平面共線布置。優(yōu)化后的布置縮短了輸水發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)度，經(jīng)論證可取消調(diào)壓井，水頭損失小，單機(jī)單洞布置，運(yùn)行條件好，投資省。

四洞方案泄水建筑物總泄洪規(guī)模為11 423 m3/s，最低放空水位2 592.2 m，實(shí)際放空高度比0.48，泄放庫容比0.9。

6.2.2三洞方案布置

三洞方案設(shè)2層泄水通道，表層為2條溢洪洞，底層為1條泄洪放空洞。三洞方案的關(guān)鍵在于確定泄洪放空洞的進(jìn)口高程和泄洪規(guī)模。

高面板壩設(shè)置放空設(shè)施，可適當(dāng)控制水庫蓄水和有條件降低庫水位，主要目的是用于大壩超預(yù)期滲漏檢查與修補(bǔ)，在發(fā)生非常情況(如地震等)時(shí)減小次生災(zāi)害的影響。從已有工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)資料來看，高壩運(yùn)行期缺陷大多發(fā)生在2/3壩高以上；在地震情況下，大壩震損主要出現(xiàn)在壩頂附近。根據(jù)國(guó)內(nèi)外面板堆石壩放空設(shè)施設(shè)置情況統(tǒng)計(jì)分析可知，大部分工程的放空高度比約為0.5[5]，基本可滿足大壩檢修的要求。

拉哇水電站河床覆蓋層厚約72 m，約1/3壩體高度長(zhǎng)期掩埋于河床以下；大壩面板應(yīng)力和周邊縫變形最大部位位于1/3壩高左右；大壩靜力分析研究成果表明，大壩應(yīng)力和變形較大部位主要位于中下部，低于水庫100年淤沙高程2 581 m。以上情況表明，拉哇水電站大壩下部約1/3壩高范圍不具備檢修條件。

水閘規(guī)范規(guī)定，當(dāng)擋水水頭超過85 m時(shí)，宜選用設(shè)有突擴(kuò)門槽的壓緊式或充壓式止水的弧形閘門，相對(duì)于采用常規(guī)止水，其閘門結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，操作環(huán)節(jié)多，可靠性低，因此泄洪洞弧形閘門的擋水水頭以不超過85 m為宜。

綜合以上因素，并類比高水頭大流量泄洪洞特性，將泄洪放空洞工作閘門運(yùn)行水頭設(shè)定為85 m，相應(yīng)進(jìn)口底板高程2 617 m，工作閘門孔口尺寸9 m×8.5 m，最大泄量2 609 m3/s，單寬流量237 m3/s。拉哇大壩和猴子巖大壩[5- 6]工程布置條件近似，壩高基本相當(dāng)，均位于強(qiáng)震區(qū)，河床覆蓋層深度均為70 m左右，放空高度比0.38，與猴子巖(0.41)[5]相近。

三洞方案適當(dāng)加大溢洪洞泄流能力以泄放同等規(guī)模洪水，將溢洪洞堰頂高程由2 679 m降低至2 678 m，孔口尺寸15 m×24 m，單洞最大泄量4 406 m3/s，單寬流量294 m3/s，最大流速45 m/s。

三洞方案泄水建筑物總泄洪規(guī)模11 422 m3/s，最低放空水位2 623.6 m，實(shí)際放空高度比0.35，泄放庫容比0.74。

6.3 方案比較

三洞方案和四洞方案泄流能力、運(yùn)行條件總體相當(dāng)。兩方案均較好地適應(yīng)了壩址地形地質(zhì)條件，具有不擾動(dòng)左岸不良地質(zhì)體、工程投資可控程度高等優(yōu)點(diǎn)。

從已有工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，面板堆石壩運(yùn)行期缺陷和地震震損主要出現(xiàn)在2/3壩高以上，兩個(gè)方案均具備枯水期降低庫水位進(jìn)行大壩檢修的條件，且能泄放大部分庫容。

四洞方案泄水建筑物分3層布置，樞紐泄洪運(yùn)行靈活，但隧洞較多，受地形條件限制，相鄰建筑物間距較小，布置局促。三洞方案溢洪洞泄洪規(guī)模略大，泄洪放空洞孔口大，設(shè)計(jì)水頭高，弧門推力大，雖然對(duì)施工質(zhì)量及工程運(yùn)行管理要求高，但均在國(guó)內(nèi)技術(shù)水平所能達(dá)到的范圍之內(nèi)。三洞方案由于減少了1條洞室，拉大了洞室間距，更利于洞室圍巖穩(wěn)定，布置上也更加靈活，且投資比四洞方案少約3.3億元。

綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，兩方案技術(shù)上均可行，各有利弊。四洞方案設(shè)置了專門的放空洞，放空洞進(jìn)口高程低，降低庫水位能力較強(qiáng)，同時(shí)泄洪洞進(jìn)口高程較高，運(yùn)行相對(duì)可靠，但四洞方案存在極低運(yùn)用幾率的放空洞如何維修保養(yǎng)問題；三洞方案泄洪放空洞設(shè)計(jì)水頭相對(duì)較高，流速相對(duì)較大，但三洞方案可改善建筑物的布置條件，節(jié)省投資。

綜上所述，泄洪洞與放空洞結(jié)合布置，可滿足樞紐泄洪要求和大壩檢修要求，技術(shù)可行，投資較省。最終選擇三洞方案作為泄水建筑物布置方案。

7 結(jié) 語

拉哇水電站河谷狹窄，岸坡陡峭，左岸大型不良地質(zhì)體發(fā)育。樞紐布置將主要建筑物布置于右岸地下，避開了左岸Ⅶ號(hào)堆積體、Ⅷ號(hào)堆積體、深厚全強(qiáng)風(fēng)化自然邊坡，較好地適應(yīng)了壩址地形地質(zhì)條件。泄水建筑物分2層布置，采用3條洞室泄洪，雖然泄洪水頭高、流量大，對(duì)運(yùn)行管理要求高，但均在國(guó)內(nèi)技術(shù)水平所能達(dá)到的范圍之內(nèi)。泄水建筑物布置滿足樞紐泄洪和大壩檢修要求。下一步將重點(diǎn)研究泄水建筑物高速水流、混凝土抗沖耐磨、隧洞摻氣減蝕、隧洞襯砌及下游河道防護(hù)等問題。