天花板水電站泄洪消能建筑物設(shè)計

林健勇，王毅鳴，李賀林

（中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高107 m。攔河壩及泄洪消能建筑物為3級建筑物，設(shè)計洪水標準為50年一遇洪水，相應入庫洪峰流量為3 530 m3/s；校核洪水標準為500年一遇洪水，相應入庫洪峰流量為5 650 m3/s；消能防沖建筑物設(shè)計標準采用30年一遇洪水，相應入庫洪峰流量為3 090 m3/s。

電站位于牛欄江中下游流域，汛期來沙量占全年來沙量的90%以上，輸沙率年際間分配不均，多年平均年輸沙量為1 403萬t，推移質(zhì)占懸移質(zhì)的15%，約為211萬t。壩址懸移質(zhì)含沙量為3.11 kg/m3。

壩址處河床較狹窄、泄洪功率較大，河水來沙量大。根據(jù)工程地質(zhì)、地形、洪水、泥沙等情況，如何確定經(jīng)濟、合理的泄水建筑物布置方案，是天花板水電站泄洪消能建筑物布置時需研究的重要技術(shù)問題。

2 泄洪排沙及消能建筑物布置

2.1 泄洪消能建筑物布置原則

天花板水電站樞紐泄洪消能建筑物布置有以下特點：①壩址處河床寬度約為30～40 m，正常蓄水位的河谷寬約120 m，屬于典型的窄狹谷，泄流量大，水庫調(diào)蓄后最大下泄流量5 046 m3/s，泄洪最大水頭69.57 m，相應下泄功率約3 500 MW。②牛欄江來水含沙量較高，為保持長期有效庫容和電站進水口的 “門前清”，需考慮排沙措施。③河道下游水深較大，河床覆蓋層厚度較大。

根據(jù)上述特點，確定泄洪消能建筑物布置的主要原則如下：

（1）滿足樞紐正常泄洪和水庫排沙需要，并有一定的超、預泄能力。

（2）泄洪建筑物正常運行時，必須確保大壩及主要建筑物運行安全，并將霧化程度減到最低。

（3）根據(jù)地形、地質(zhì)條件，按照 “水舌平面分散、縱向分層拉開、總體入水歸槽”的設(shè)計原則，合理選擇水舌入水寬度，最大限度地分散水舌；使水舌沿縱向拉開，以減小消能區(qū)單位面積的消能功率及下游沖坑深度；使下泄水流與下游河道的天然流態(tài)良好銜接，以減少下游河道和岸坡防護的工程量。

（4）確保消能建筑物運行安全可靠且管理方便。

（5）泄洪建筑物的布置應綜合考慮河道泄洪寬度，結(jié)合水力消能，盡可能方便大壩碾壓混凝土施工。

2.2 泄洪排沙及消能建筑物布置

根據(jù)上述布置原則，結(jié)合壩址處水文、地質(zhì)、地形條件及拱壩泄洪特點，按照施工導流度汛及水庫運行、泄洪沖沙等要求，通過水力學計算和水工模型試驗，以及對壩體孔口尺寸對壩體應力及削弱程度和工程量的影響等進行綜合比較，確定了泄洪建筑物采用壩身泄洪的布置方式，壩身設(shè)集中布置的大孔口，即正對主河床的3個表孔和2個中孔，表、中孔間隔布置，溢流前沿總寬度為67.5 m。表孔采用挑、跌流結(jié)合的方式消能，中孔采用窄縫式消能，表孔、中孔泄流水舌縱向拉開，無疊加和碰撞。

此外，為保證電站進水口 “門前清”，還在壩身設(shè)置了沖沙孔及延伸至進水口前的沖沙廊道。受地質(zhì)地形條件所限，拱壩為不對稱體形。泄洪中心線走向與河道走向一致，與拱壩中心線存在4.3°夾角。

2.2.1 泄洪表孔的布置

表孔堰面曲線采用開敞式WES堰，堰頂高程1 062.50 m，上游面為鉛直面。堰頂上游面采用1/4橢圓曲線，下接WES堰面曲線，WES堰下接反弧段?？紤]消能布置需要，表孔出口分別布置小角度挑角或俯角鼻坎，使水舌縱向拉開，以減輕下泄水流對下游河床的沖刷。經(jīng)水工模型試驗分析論證確定，1、3號表孔挑角為10°，鼻坎高程為1 050.636 m，下接的反弧段半徑為12.7 m；2號表孔俯角為9°，鼻坎高程為1 046.364 m，下接的反弧段半徑為15.1 m。表孔均設(shè)一道弧形工作門。

2.2.2 泄洪中孔的布置

中孔采用有壓長管式布置。進口底板高程1 020.00 m，進口段為喇叭口式，其頂部及兩側(cè)為橢圓曲線，底緣進口為圓弧。有壓段洞身尺寸為5 m×8 m （寬×高），出口設(shè)5.45 m壓坡段，出口斷面尺寸為5 m×6.5 m （寬×高）。受拱壩體形影響，2個中孔洞身有壓段尺寸有所差異。

為使體形簡單同時減小挑距，中孔出口挑角均采用平底式，即挑角為0°。由于中孔沿泄洪軸線徑向布置，孔口中心線與泄洪中心線存在夾角，使水流產(chǎn)生向心集中現(xiàn)象。為盡量避免中孔水舌向心集中，同時使水舌縱向拉開，減小入水單寬流量，尾坎采用窄縫式異型鼻坎。

中孔進口段設(shè)一道事故門，出口設(shè)一道弧形工作門。

2.2.3 排沙建筑物的布置

牛欄江汛期來水含沙量較大，而天花板工程庫容有限，樞紐布置應考慮滿足進水口 “門前清”的要求，使進水口盡量靠近壩體及泄洪排沙中孔，進水口布置在距壩體約35 m處，同時，為確保電站進水口 “門前清”的可靠性，還設(shè)置了壩體排沙孔及排沙廊道，排沙廊道伸至進水口前，定期沖沙，確保排沙效果和引水質(zhì)量。

排沙孔進口高程1 025.00 m，壩身內(nèi)孔口尺寸為 2 m×4 m （寬×高）， 下游出口尺寸為 2 m×3 m（寬×高）。進口段設(shè)一道事故門，出口設(shè)一道弧形工作門。

排沙廊道設(shè)在進水口前緣，與排沙孔高程相同，廊道孔口尺寸為3 m×4 m （寬×高）。為增加進口面積以利沖沙，在進水口前廊道段順水流方向設(shè)有7個3.5 m×2 m （寬×高）的側(cè)向進流孔。

2.2.4 下游消能防沖系統(tǒng)設(shè)計

天花板下游消能防護措施采用的原則是 “護坡不護底”，在不影響壩基穩(wěn)定和兩側(cè)邊坡穩(wěn)定的前提下，充分利用下游水深較大、覆蓋層較厚的特點，消能設(shè)施簡單，未設(shè)置水墊塘及二道壩，為確保小流量時壩趾安全，在壩體下游緊接大壩壩體后設(shè)置了順河向長40 m，厚3 m的混凝土護坦進行基礎(chǔ)防護，兩側(cè)與左右護岸貼坡式擋墻相接。

3 水工模型試驗驗證

通過水力學計算及水工整體模型試驗，驗證了表、中孔泄洪能力及下游消能布置的合理性，試驗表明：①泄流能力滿足設(shè)計要求；②表、中孔體形設(shè)計滿足下游泄洪消能的需要，沖坑較淺，下游消能效果好，霧化程度較低，不需要修建二道壩，沖坑不影響拱壩和下游邊坡安全；③沖沙廊道沖沙效果較好，能進一步滿足電站進水口門前清的要求。

4 結(jié)語

天花板拱壩下游消能區(qū)河谷較窄，水舌不宜橫向擴散，泄洪消能建筑物設(shè)計時充分考慮了泄流水舌落點與下游河道方向的一致性，并充分利用了河床的有效寬度。

表孔采用小挑角及跌流組合的布置方式，水舌落點縱向拉開，可降低下泄能量，并減小對岸坡的霧化作用；中孔正對主河床中部，鼻坎為窄縫式挑流布置，充分利用空間，水舌沿橫向、縱向、鉛直向擴散，消能充分。此種布置方式消能工布置簡單，僅需設(shè)置短護坦，可充分利用下游水深較大、覆蓋層較厚的特點，沖坑深度淺，霧化程度相對較低，兩岸防護工程量小。由于不必設(shè)置水墊塘及二道壩，在節(jié)省較多工程投資的同時，也縮短了工期。

正對主河床設(shè)置的中孔，除滿足運行期泄洪要求外，同時也參與施工期大壩的導流度汛。此外，因河水含沙量較大，庫容較小，泄洪中孔對排沙保庫也起到重要作用。

天花板水電站工程實踐表明，對于河谷狹窄、泄洪功率適中的水電工程，通過合理分配泄洪表中孔泄量、調(diào)整優(yōu)化鼻坎體形，可以實現(xiàn)較好的消能效果，取得較好的經(jīng)濟效益。天花板水電站泄洪消能建筑物的設(shè)計方案，對規(guī)模和條件類似的工程泄洪消能建筑物的設(shè)計具有一定的借鑒意義。