高拱壩大流量全壩身孔口泄洪消能布置設計方案研究

劉小強，胡 筱，祝海霞

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

葉巴灘工程開展樞紐泄洪消能設計時，在總結參考以往工程經(jīng)驗基礎上，通過類比及水力學模型試驗驗證，開展樞紐泄洪消能布置方案的技術經(jīng)濟綜合比較，提出最終的泄洪消能布置方案，可作為同類工程設計借鑒參考。

1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川白玉縣與西藏貢覺縣交界的金沙江干流降曲河口以下約350 m河段上，電站壩址控制流域面積173 484 km2，多年平均流量839 m3/s。正常蓄水位2 889.00 m，相應庫容10.80億m3，調(diào)節(jié)庫容5.37億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力；電站裝機容量2 240 MW(含200 MW泄放生態(tài)流量機組容量)，年發(fā)電量(聯(lián)合運行)102.05億kW·h。

電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電三大系統(tǒng)組成，樞紐布置如圖1所示。電站設計泄量8 870 m3/s，校核泄量10 100 m3/s，最大泄洪水頭154.00 m，泄洪功率高達14 370 MW。

圖1 樞紐建筑物三維示意

2 泄洪消能系統(tǒng)布置原則

壩址區(qū)段岸坡陡峻、河道狹窄，大壩下游至電站主尾水出口之間存在3.5 km的減水河段是魚類洄游、集誘魚系統(tǒng)運行的主要場所，對氣體過飽和要求較高，左右岸水墊塘正上方分布有5號、7號等堆積體，對泄洪消能的霧化現(xiàn)象要求嚴格。因此泄洪消能建筑物布置需要考慮本工程“高水頭、大流量、窄河谷”的特點，同時還要兼顧控制氣體過飽和以及泄洪霧化效應等問題。

根據(jù)本工程的泄洪規(guī)模，結合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件、水庫特性、水文特性、水庫調(diào)度運行方式，兼顧施工中后期導流以及樞紐泄洪特點，從泄洪的安全性、經(jīng)濟性、運行靈活性等方面，確定了泄洪消能建筑物布置原則為：

(1)泄洪設施的規(guī)模和技術水平，控制在目前國內(nèi)外已有的技術水平之內(nèi)；

(2)合理選擇樞紐泄洪設施及泄量分配比例，以提高泄洪設施的經(jīng)濟性；

(3)為滿足庫區(qū)拉沙和降低水庫水位的需要，布置一定數(shù)量的深式泄水孔；

(4)泄洪布置應滿足在中小洪水時泄洪設施的運行靈活；遇特大洪水時，具有一定的超泄能力；

(5)為減小泄洪霧化的影響，盡量采用能夠減少壩身泄洪霧化的泄洪消能方案；

(6)壩身孔口布置應盡量減少對拱壩結構的不利影響；

(7)泄洪建筑物的布置應與其他樞紐建筑物的布置相協(xié)調(diào)，避免相互干擾。

3 樞紐泄洪消能布置格局選擇

拱壩樞紐主要泄洪布置方式包括：壩身泄洪(可細分為壩身、壩肩、壩側泄洪等)、岸邊泄洪(溢洪道和泄洪洞)、壩身泄洪與岸邊泄洪組合等。根據(jù)樞紐布置特點及工程經(jīng)濟，在樞紐布置格局方案比較時，擬定了“全壩身孔口泄洪”方案、“壩身孔口+岸邊泄洪洞”方案。

對兩個方案綜合比選表明，兩個方案在適應地形地質(zhì)條件能力、泄流能力、泄洪設施運行靈活性、可靠性等方面差別不大，“全壩身孔口泄洪”方案由于集中布置泄洪建筑，相比“壩身孔口+岸邊泄洪洞”方案而言，運行維護相對容易且投資較優(yōu)，故推薦采用“全壩身孔口泄洪”方案。

4 全壩身孔口泄洪消能設計

4.1 壩身孔口布置方案比較

參照國內(nèi)外高拱壩工程壩身泄洪孔口布置，結合本工程泄洪消能建筑物布置原則，以及樞紐總泄量和目前國內(nèi)閘門技術水平和運行條件，擬定了以下三個“全壩身孔口泄洪”方案：“4表5深”、“5表4深”和“4表3深”三種布置型式。具體布置特征見表1。

表1 泄洪設施布置特征

通過對上述三個綜合分析比選表明：三個方案在泄流能力、設計及施工技術難度、放空能力等方面基本相當；綜合比較閘門設計難度、流道水力條件、下游泄洪消能等因素，“5表4深”和“4表5深”方案在閘門設計難度上明顯優(yōu)于“4表3深”方案；考慮表孔運行靈活性好、超泄能力強的的特點，“5表4深”的孔口布置方案優(yōu)于“4表5深”方案。

綜合比較后，全壩身泄洪孔口布置方案推薦“5表4深”方案。其表孔、深孔平面布置如圖2所示。

圖2 壩身孔口布置方案平面圖(“5表4深”)

4.2 空中消能方式

高水頭、窄河谷、大泄量的高拱壩工程(如二灘、構皮灘、小灣、溪洛渡、白鶴灘、錦屏一級等)，普遍采用挑、跌流相結合的壩身泄洪消能方式，即壩身表、深(中)孔水舌空中碰撞、無碰撞或少碰撞泄洪消能方式。水舌空中碰撞方式，消能效果較好，較好的解決了峽谷地區(qū)、高水頭、大泄量拱壩壩身泄洪消能問題，但同時因表、深(中)孔水舌碰撞，也帶來了較為嚴重的泄洪霧化問題。因此，為減小泄洪霧化影響，近年來一些泄量及泄洪功率相對較小的高拱壩工程(壩身泄量為10 000～20 000 m3/s、壩身泄洪功率為25 000 MW以下)，如錦屏一級、楊房溝等，在水墊塘具有足夠消能深度的情況下，采用了壩身表、深孔水舌空中無碰撞(少碰撞)泄洪消能方式，效果良好。國內(nèi)部分采用表、深(中)孔聯(lián)合泄洪消能方式的高拱壩工程統(tǒng)計(見表2)。

表2 國內(nèi)部分采用表、深(中)孔聯(lián)合泄洪消能方式的高拱壩工程統(tǒng)計

本工程兩岸開挖邊坡范圍外有不少危巖體分布，受泄洪霧化影響，危巖體的穩(wěn)定性會進一步惡化。泄洪霧化區(qū)分布3號、5號、7號、9號、11號等堆積體，難以采取工程措施完全清除。因此，為降低泄洪霧化強度，以利于霧化邊坡穩(wěn)定及減小霧化區(qū)防護工程量，本工程采用水舌空中無碰撞消能方式。

壩后河床范圍巖體質(zhì)量總體較好，下游設置了二道壩，水工模型試驗成果表明，采用不碰撞消能方式，水墊塘內(nèi)水深32 m足以消能，下泄水流對水墊塘底板最大動水沖擊壓力為11.32×9.81 kPa，均滿足設計控制指標要求。

綜合考慮后，為減小泄洪霧化影響及下游防護工程量，保證兩岸抗力體的穩(wěn)定性條件，優(yōu)先采用水舌空中無碰撞消能方式。

4.3 二道壩設置必要性

國內(nèi)已建、擬建高拱壩工程，除下游水力銜接本身具有足夠的水墊深度外，大都將壩趾下游一定距離內(nèi)的河床用混凝土防護，并在適當?shù)奈恢眯藿ǘ缐?，形成水墊塘形式的消能建筑物，達到消能和防沖的目的。

(1)考慮本工程壩址區(qū)河道坡降較大、下游拉哇電站蓄水水位較低，以及生態(tài)流量機組尾水洞與導流洞結合，壩后至電站尾水出口之間約4 km的河段為減水河段，在不設二道壩的情況下，天然水深難以滿足泄洪消能的布置要求。

(2)不設二道壩時，由于下游水墊很淺，壩身開始泄洪時，下泄水流直接砸在壩后河床，必定帶來較嚴重的沖刷破壞。計算表明，不設二道壩，單個深孔泄洪時水墊塘沖坑深度為31.93 m，沖坑底高程約為2 658.00 m，低于建基面高程，不利于拱壩及消能建筑物結構及穩(wěn)定安全。

(3)由于下游河道水深較淺，在宣泄中小洪水尤其是常遇洪水時，設置二道壩可壅高塘內(nèi)水位形成足夠水墊，使得下泄水流在塘內(nèi)充分旋滾消能，同時可以為水墊塘檢修提供條件和阻擋回砂。

綜合上述因素，充分考慮到水墊塘消能水墊深度、水墊塘檢修條件及二道壩壩后的水力條件，并根據(jù)泄洪消能計算分析及模型試驗驗證，確定了二道壩高程為2 728.00 m。

4.4 水墊塘襯護方式研究

通過對國內(nèi)外同類工程統(tǒng)計表明：多數(shù)壩高超過200 m的高拱壩均采用全面加固的襯護水墊塘，也有未對水墊塘進行襯護的高拱壩，如128 m高的卡里巴拱壩。

根據(jù)葉巴灘工程的泄洪消能特點和泄洪消能布置原則，擬定了“全襯護水墊塘+二道壩”和“不襯護水墊塘+二道壩”兩個方案進行比較分析。

通過對上述兩個方案進行比較，較“不襯護水墊塘+二道壩”方案而言，“全襯護水墊塘+二道壩”方案從泄洪安全性、運行靈活性及泄洪霧化工程可靠性較優(yōu)，但總投資略多。綜合比選后，推薦“全襯護水墊塘+二道壩”方案。水墊塘底板頂高程為2 692.00 m，底板寬度為65.00 m，邊墻頂高2 753.00 m。二道壩壩頂前端樁號為(壩)0+295.00 m，二道壩為梯形斷面型式，壩頂高程2 728 m。水墊塘及二道壩典型剖面示意見圖3。

圖3 水墊塘及二道壩典型剖面示意(單位：m)

4.5 水力學模型試驗成果

通過開展樞紐泄洪消能水工模型試驗研究工作，對推薦方案的壩身孔口的布置和泄洪消能設計方案的合理性和安全性進行研究和論證。試驗主要結論如下：

(1)壩身孔口下泄校核洪水流量時，校核水位2 891.22 m，下泄流量10 480 m3/s，比校核洪水10 100 m3/s超泄380 m3/s，泄流能力滿足設計要求。

(2)各種工況時，表孔及深孔泄洪水舌進入水墊塘后形成沖擊射流，近壩區(qū)水面較平穩(wěn)，沖擊區(qū)水流紊動劇烈、大量摻氣，水面波動明顯，至二道壩處有所減弱，水墊塘長度基本滿足要求。

(3)表、深孔水舌入水區(qū)沿溢流中心線基本對稱(見圖4)。表孔水舌橫向之間的間距約為7.0 m，深孔水舌空中沿縱向拉開，不存在相互交叉和碰撞現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)水舌直接沖擊水墊塘兩側邊坡現(xiàn)象(見圖5)。水舌入水區(qū)及其下游的水面壅高較明顯，水面最高高程為2 752.80 m。

圖4 “5表4深”全開泄洪時水舌形態(tài) 圖5 “5表4深”水力學試驗示意(單位：m)

(4)校核洪水流量時，水墊塘底板的最大時均壓力為49.52×9.8 kPa，最大脈動均方根為6.64×9.81 kPa。正常蓄水位時，水墊塘底板上時均最大動水沖擊壓力為11.32×9.81 kPa，校核洪水工況下，最大動水沖擊壓力值為7.56×9.81 kPa；消能防沖工況，二道壩上游壩腳處動水沖擊壓力最大，為5.75×9.81 kPa，均滿足15.0×9.81 kPa的設計要求。

(5)消能防沖工況，壩后旋滾區(qū)約為二道壩下游60 m，出了旋滾區(qū)后下游河道水流總體歸槽良好，壩下游900 m以內(nèi)河道最大流速7.42 m/s。

5 結 語

在總結類比同類工程成功經(jīng)驗基礎上，經(jīng)過技術經(jīng)濟綜合比較，葉巴灘工程提出“全壩身泄洪(壩身布置5個表孔+4個深孔)、壩身分層出流、水舌空中無碰撞、壩后設水墊塘及二道壩”的泄洪消能布置方案，通過水力學模型試驗研究和驗證，能滿足工程運行要求。