楊房溝水電站泄洪消能設(shè)計(jì)深化研究

殷 亮，徐建軍，魏海寧，黃熠輝

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

楊房溝水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，為一等大(1)型工程。壩址控制流域面積8.088萬km2，多年平均流量896 m3/s。工程開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，電站總裝機(jī)容量1 500 MW(4×375 MW)，多年平均年發(fā)電量68.557億kW·h。水庫(kù)總庫(kù)容5.125億m3，正常蓄水位2 094 m，死水位2 088 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.538 5億m3。

楊房溝水電站樞紐建筑物主要由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水、泄洪建筑物按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)流量為9 320 m3/s；5 000年一遇洪水校核，相應(yīng)流量為11 200 m3/s；消能防沖建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)流量為7 930 m3/s。

對(duì)于具有大落差、窄河谷、泄洪流量大的高拱壩，壩身泄洪消能多采用表深孔挑跌流水舌空中碰撞+下游水墊塘的泄洪消能方式，如二灘拱壩[1]、小灣拱壩[2]和溪洛渡拱壩[3]等，在這些工程中得到了成功應(yīng)用。但也存在一些問題，比如水舌橫向擴(kuò)散與河谷狹窄矛盾、水舌空中碰撞增加泄洪霧化程度等。為解決這些問題，在吸收碰撞泄洪消能優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，逐漸摸索出無(弱)碰撞泄洪消能技術(shù)，即拱壩泄洪孔口采用收縮式消能工，使表孔、中(底)孔出口水舌豎向擴(kuò)散，縱向拉長(zhǎng)，以減小入射水流在水墊塘單位面積上的集中強(qiáng)度，增加消能率，減輕對(duì)下游的沖刷[4- 6]。無(弱)碰撞泄洪消能技術(shù)在錦屏一級(jí)拱壩壩身得到了成功應(yīng)用[7]。

寬尾墩是我國(guó)學(xué)者林秉南院士和龔振贏[8，9]在20世紀(jì)70年代首創(chuàng)的一種新型消能工，常用于混凝土壩表孔，以實(shí)現(xiàn)射流水股的縱向分散和摻氣。但楊房溝水電站工程表孔位置高，水頭低，出射水流流速相對(duì)要小，僅通過在表孔出口設(shè)置寬尾墩不能使入水水舌沿縱向擴(kuò)散，還會(huì)引起表孔水面線過高、降低泄流能力等問題。

楊房溝水電站工程泄洪消能具有“河谷狹窄、岸坡陡峻，流量大、水頭高，水墊塘兩岸地形不對(duì)稱且長(zhǎng)度受限”等特點(diǎn)，尤其是“水墊塘兩岸地形不對(duì)稱且長(zhǎng)度受限”問題突出，給泄洪消能建筑物布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力學(xué)指標(biāo)控制、岸坡防護(hù)設(shè)計(jì)和下游防沖帶來了較大的技術(shù)難度[10]。為此，對(duì)于該工程泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)原則及要求如下[11]：①結(jié)合水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容小等特點(diǎn)，應(yīng)采取靈活可靠的泄洪方式，并具有一定的超泄能力；②盡量充分利用混凝土壩和下游水位較高的有利條件，采用壩身泄洪、壩后消能；③壩后消能區(qū)盡量減少對(duì)兩岸邊坡開挖為宜，控制消能區(qū)沖擊壓力，同時(shí)避免干砸岸坡；④盡量減輕壩身分層孔口出流空中碰撞，控制泄洪霧化影響范圍；⑤應(yīng)協(xié)調(diào)好泄洪消能與樞紐建筑物之間關(guān)系，避免對(duì)尾水出流造成不利影響。

1 可研及招標(biāo)階段泄洪消能建筑物布置

可研階段，綜合考慮壩高、泄流量、壩后消能區(qū)地形地質(zhì)條件、壩身開孔對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的影響、壩后水位情況等因素，對(duì)“3表+4中”、“4表+5中”、“5表+4中”3種方案從水力計(jì)算、泄洪孔口布置、工程量及工程可比投資等方面進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較分析，推薦采用3個(gè)表孔(12 m×14 m)+4個(gè)中孔(5.5 m×7 m)。通過1∶60比尺整體水力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)表、中孔“碰撞消能”和“無(弱)碰撞消能”兩種形式從泄流能力、水流流態(tài)、水墊塘沖擊壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)、下游河道流態(tài)及流速分布、孔口運(yùn)行方式等進(jìn)行了的模型試驗(yàn)研究。

由于“碰撞消能”方案存在水舌沖擊水墊塘兩岸邊墻的情況，塘內(nèi)水流流態(tài)較差，泄洪水舌散裂及激濺區(qū)范圍大大增加；中孔單獨(dú)泄洪時(shí)，存在頂沖二道壩的情況；二道壩后水面跌落最大約11 m，存在二次消能問題。因此，推薦采用表、中孔“無(弱)碰撞消能”形式。設(shè)計(jì)洪水位工況下，“碰撞消能”和“無(弱)碰撞消能”兩種形式表中孔聯(lián)合運(yùn)行泄洪水舌形態(tài)見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運(yùn)行泄洪水舌形態(tài)

3個(gè)表孔溢流面采用WES堰，堰頂高程2 080 m。表孔堰頂控制線圓弧半徑為210 m。表孔平面呈上游等寬(12 m)、下游收縮(分別收縮到8.7 m和10 m)，收縮角分別為5.27°、4.4°和2.94°。表孔出口采用30°俯角出流。

4個(gè)中孔分別布置在表孔閘墩下部。進(jìn)出口底高程均為2 029 m，進(jìn)口尺寸為5.5 m×8 m，出口尺寸5.5 m×7 m。為避免水舌搭接，將2號(hào)、3號(hào)中孔中心線分別向兩側(cè)岸坡方向偏轉(zhuǎn)1°。中孔出口采用窄縫出流，出口寬度由5.5 m收縮到3.3 m，收縮段長(zhǎng)為7 m。

水墊塘采用底部為平底的復(fù)式梯形斷面，長(zhǎng)約199.97 m。水墊塘頂高程2 002 m，底高程1 953～1 949～1 953 m，底寬為75～45～67 m不等，兩岸邊墻坡比為1∶0.3，在高程1 988.5 m和1 968 m分別設(shè)有3 m寬?cǎi)R道。二道壩采用混凝土重力壩，壩頂高程為1 988.5 m，壩高38.5 m，上游壩坡為1∶0.3，下游壩坡為1∶0.5。二道壩后設(shè)有護(hù)坦，長(zhǎng)20 m。

校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運(yùn)行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布見圖2，底板沖擊壓強(qiáng)最大值為14.1×9.8 kPa。

圖2 校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運(yùn)行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布

2 施工圖階段泄洪消能深化研究

根據(jù)可研階段水力學(xué)模型試驗(yàn)成果及歷次咨詢?cè)u(píng)審意見，為進(jìn)一步改善下游消能條件、提高工程泄洪消能安全性和運(yùn)行靈活性，通過1∶50比尺水工模型，施工圖階段泄洪消能設(shè)計(jì)深化研究分兩階段開展，第一階段在可研階段“3表孔+4中孔”方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化研究，第二階段研究工作針對(duì)“4表孔+3中孔”方案進(jìn)行深化研究，綜合兩階段成果進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后，提出施工圖階段的泄洪消能建筑物布置推薦方案。

2.1 “3表孔+4中孔”方案深化研究

可研階段整體水力學(xué)模型試驗(yàn)成果表明：表孔水面線均在閘門支鉸以下，不會(huì)沖擊閘門支鉸。中孔有壓段后沿程水面線升高明顯，但均低于閘門支鉸和兩側(cè)牛腿最低點(diǎn)高程。實(shí)際運(yùn)行過程中，受波浪等因素的影響，表孔水面線可能會(huì)波及到大梁底部，可能會(huì)對(duì)泄流能力及大梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。中孔出口受水面線影響亦較大，不僅影響弧門支鉸和大梁的布置，而且影響尾部收縮段的結(jié)構(gòu)。此外，水墊塘底板最大附加時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)(14.10×9.81 kPa)和脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值(10.03×9.81 kPa)相對(duì)于楊房溝工程規(guī)模而言有些偏大，二道壩后河道主流明顯偏于右側(cè)，下游河道流速相對(duì)偏大(12.3 m/s)。

因此，第一階段研究工作，除了對(duì)可研階段模型試驗(yàn)成果進(jìn)行復(fù)核外，擬通過模型試驗(yàn)對(duì)局部結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題：①表、中孔出口段水面線偏高；②水墊塘底板最大附加時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值偏大；③下游河道流速偏大；④泄洪霧化降水影響范圍預(yù)測(cè)。

“3表孔+4中孔”方案設(shè)計(jì)深化研究主要工作包括以下幾方面：①調(diào)整表孔寬尾墩收縮比(0.4和0.5)，優(yōu)化表孔尺寸和出口俯角(32°～35°)，創(chuàng)新性地提出了楔形體+底板鏤空的新型組合體形(見圖3)；②調(diào)整中孔出口窄縫收縮比(0.6和0.8)，優(yōu)化中孔軸線偏轉(zhuǎn)角度(0.75°和1°)和出口角度(-10°～0°)；③調(diào)整水墊塘體形，增設(shè)阻水墩；④優(yōu)化二道壩擋水?dāng)嗝?，適當(dāng)下移二道壩增加水墊塘長(zhǎng)度(15～25 m)。

圖3 “楔形體+底板鏤空”新型表孔結(jié)構(gòu)體形示意

通過上述設(shè)計(jì)方案及模型試驗(yàn)研究，“3表孔+4中孔”深化方案布置為：表中孔尺寸與可研及招標(biāo)階段保持一致。表孔出口采用35°俯角出流，設(shè)有楔形體(水平長(zhǎng)11 m、高15.5 m)+底板鏤空5 m，出口寬6.09～12 m。2、3號(hào)中孔中心線在控制點(diǎn)后分別向外側(cè)偏轉(zhuǎn)0.75°，中孔出口寬度由5.5 m收縮到4.4 m，收縮段長(zhǎng)為7 m，中孔弧門半徑由14 m減小為12 m，支鉸高程由2 040.5 m相應(yīng)調(diào)整為2 039 m，中孔閘墩下游懸挑長(zhǎng)度減小1.57 m。二道壩沿溢流中心線向下游移動(dòng)15 m。

校核洪水位工況，表中孔聯(lián)合運(yùn)行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布見圖4，底板沖擊壓強(qiáng)最大值為11.8×9.8 kPa。

圖4 校核洪水位工況，表中孔聯(lián)合運(yùn)行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布

2.2 “4表孔+3中孔”方案深化研究

根據(jù)第一階段深化研究成果，各項(xiàng)主要水力學(xué)指標(biāo)雖然得到了明顯改善，但中孔單獨(dú)泄洪時(shí)消能效果仍不理想。結(jié)合專家咨詢?cè)u(píng)審意見，為充分利用表孔泄洪消能效果較好的條件，提高常遇洪水的泄洪消能安全性及運(yùn)行靈活性，第二階段深化研究工作重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題：①“4表孔+3中孔”方案的泄流能力及消能效果；②優(yōu)化表孔體形，增加挑距，保證表孔水舌跡線與中孔啟閉房、中孔閘墩的安全距離，保證表孔水舌落點(diǎn)與壩趾的安全距離；③優(yōu)化中孔體形，改善中孔單獨(dú)泄流時(shí)的流態(tài)和消能效果，保證中孔水面線與中孔弧門支鉸及大梁的安全距離。

“4表孔+3中孔”方案設(shè)計(jì)深化研究主要工作包括以下幾方面：①調(diào)整表、中孔整體布置(整體向下游平移1.65 m)，盡可能減小壩外懸挑長(zhǎng)度；②調(diào)整表孔堰頂軌跡線圓弧半徑(210、190、150 m)和出口俯角(32°和35°)；③調(diào)整1號(hào)和4號(hào)表孔末端楔形體體形，研究對(duì)稱布置的可行性；④調(diào)整中孔出口收縮比(0.8和1.0)，研究不收縮的可行性。

通過上述設(shè)計(jì)方案及模型試驗(yàn)研究，“4表孔+3中孔”方案布置為：表孔尺寸為寬10 m、高14 m，中孔尺寸為寬5.5 m、高7 m。表孔布置整體向下游平移1.65 m，中孔進(jìn)口結(jié)構(gòu)向下游平移0.95 m。表孔堰頂軌跡線圓弧半徑由210 m調(diào)整為190 m，相鄰表孔中心線夾角由6.546°調(diào)整為7°。表孔出口俯角由35°調(diào)整為32°，設(shè)有楔形體(水平長(zhǎng)11.48 m、高15.67 m)+底板鏤空4 m，出口寬6.09～12 m。相鄰中孔中心線夾角為7°，平面上不進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。1、3號(hào)中孔出口俯角10°、頂部壓坡12°，2號(hào)中孔出口俯角3°、頂部壓坡7°。中孔出口收縮體形、弧門半徑、支鉸高程、二道壩位置等與“3表+4中”方案一致。

“4表孔+3中孔”方案平面布置見圖5。校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運(yùn)行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布見圖6，底板沖擊壓強(qiáng)最大值為10.47×9.8 kPa。

圖5 “4表孔+3中孔”方案平面布置

圖6 校核洪水位工況，表、中孔聯(lián)合運(yùn)行水舌形態(tài)及水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)分布

2.3 泄洪消能布置方案比選

(1)“3表孔+4中孔”和“4表孔+3中孔”兩種泄洪孔口布置方案泄流能力均可以滿足設(shè)計(jì)要求，且略有余度。

(2)校核(P=0.02%)、設(shè)計(jì)(P=0.2%)、消能防沖(P=1%)洪水工況下，可研階段 “3表4中”布置方案、施工圖階段“3表4中”布置方案和施工圖階段“4表3中”布置方案整體水力學(xué)模型試驗(yàn)關(guān)于水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出，施工圖階段“4表3中”布置方案在校核、設(shè)計(jì)、消能防沖洪水工況下水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)最大值和脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根總體比可研階段“3表4中”、施工圖階段“3表4中”布置方案有所降低，對(duì)保證水墊塘安全運(yùn)行更加有利。

表1 不同階段典型工況下，水墊塘底板壓強(qiáng)試驗(yàn)成果對(duì)比

(3)施工圖階段“4表3中”布置方案在校核、設(shè)計(jì)洪水工況下二道壩下游河道流速比可研階段“3表4中”布置方案總體上有所降低，與施工圖階段“3表4中” 布置方案基本相當(dāng)。兩種布置方案表、中孔水舌空中形態(tài)基本類似，表孔水舌與中孔水舌相互穿插下落，實(shí)現(xiàn)了表中孔出流水舌的無碰撞消能。水墊塘內(nèi)水流流態(tài)也基本相似。兩種布置方案表、中孔水面線均與弧門支鉸保持一定的安全距離，泄洪水舌均不會(huì)沖擊弧門支鉸。相對(duì)而言，“4表3中”布置方案中孔水面線的安全裕度更大。

(4)施工圖階段“4表3中”方案由于表孔數(shù)量多，其超泄能力更強(qiáng)，表孔全開+兩臺(tái)機(jī)組發(fā)電可以滿足宣泄常年洪水(P=20%)，運(yùn)行調(diào)度更加靈活。兩種布置方案均對(duì)大壩施工影響不大，對(duì)施工導(dǎo)流程序和蓄水規(guī)劃影響很小。兩種布置方案工程投資基本相當(dāng)。

3 主要結(jié)論

楊房溝水電站工程泄洪消能問題突出，在可研階段審定的泄洪消能建筑物“3表孔+4中孔”布置的基礎(chǔ)上，施工圖階段開展了大量的設(shè)計(jì)優(yōu)化和模型試驗(yàn)論證工作，優(yōu)化了“3表4中”布置、改善了泄洪消能水力學(xué)指標(biāo)，并進(jìn)一步對(duì)“4表3中”和“3表4中”布置方案進(jìn)行了深化比選研究。推薦的“4表孔+3中孔”布置方案水力學(xué)條件相對(duì)較優(yōu)，超泄能力強(qiáng)，運(yùn)行調(diào)度更加靈活，可進(jìn)一步提高楊房溝水電站工程泄洪安全性。

通過設(shè)計(jì)深化研究，創(chuàng)新性地提出了一種“楔形體+底板鏤空”新型導(dǎo)控表孔水舌的結(jié)構(gòu)，避免了采用寬尾墩收縮引起表孔水面線過高、降低泄流能力的問題，可為后續(xù)窄河谷、高水頭、大泄量、壩后消能區(qū)受限的水利水電工程提供借鑒和參考。