旭龍水電站泄洪消能設(shè)計研究

楊曉紅 黃紅飛 王維浩

摘要：為了研究高地震烈度區(qū)特高拱壩設(shè)計采用全壩身泄洪的可行性，以旭龍水電站特高拱壩為例，對泄洪消能布置、水力指標(biāo)、壩身孔口布置方式、體型以及孔口結(jié)構(gòu)抗震影響等方面進(jìn)行研究和綜合比選后，推薦采用全壩身3表孔加4中孔泄洪、下游反拱水墊塘消能方案。研究表明：合適的壩身孔口布置體型可保障泄洪消能安全與減輕岸坡泄洪霧化，反拱水墊塘安全性和經(jīng)濟(jì)性較好，孔口結(jié)構(gòu)對壩體整體極限抗震性能無影響，高地震烈度區(qū)特高拱壩設(shè)計采用全壩身泄洪是可行的。研究成果可為類似工程泄洪消能建筑物設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：全壩身泄洪； 特高拱壩； 孔口抗震影響； 反拱水墊塘； 數(shù)值計算； 模型試驗； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV652

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.008

文章編號：1006-0081（2024）05-0043-06

0 引言

水利水電建筑物多建于地形地質(zhì)和水文特性條件復(fù)雜的高山峽谷中，具有水頭高、流量大、河谷狹窄、泄洪功率大、地形地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，泄洪消能問題十分突出［1］。狹窄河谷地區(qū)在具備條件的情況下，混凝土壩宜盡可能在壩身布置泄洪孔口［2］，尤其考慮到高拱壩自身的結(jié)構(gòu)特點以及場地空間限制，壩身孔口泄洪是一種常用而經(jīng)濟(jì)的泄洪方式［3］。但是，對于水頭高、泄洪流量大或高地震烈度區(qū)的同類特高拱壩工程，從提高工程泄洪消能的安全性［4-6］，盡量保持拱壩壩身結(jié)構(gòu)完整性［7］，利于拱壩結(jié)構(gòu)抗震安全的角度出發(fā)，增加一條岸邊泄洪通道，采用壩身泄洪孔口組合岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪的方式也較為普遍［8-10］。在高地震烈度區(qū)狹窄河谷特高拱壩中，如何選擇經(jīng)濟(jì)合適的既保證壩體抗震安全，同時解決泄洪消能難題和霧化影響的泄洪布置方案研究則較少。本文依托位于金沙江上游高地震烈度區(qū)的旭龍水電站建設(shè)中面臨的泄洪消能布置關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究，結(jié)合泄洪布置方案比選、水力學(xué)模型試驗、數(shù)值模型分析及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等手段，從水力消能指標(biāo)、抗震影響、施工條件、經(jīng)濟(jì)性等方面優(yōu)選出合適的泄洪消能布置方案，可為同類工程設(shè)計和科研提供參考。

1 工程概況

旭龍水電站是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發(fā)方案中的第12級，位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，壩址多年平均流量990 m3/s，多年平均徑流量313億m3。大壩設(shè)計（P=0.1%）和校核（P=0.02%）洪水工況下的入庫洪水洪峰流量分別為9 970 m3/s和11 300 m3/s。水庫正常蓄水位2 302 m，水庫總庫容8.47億m3，電站總裝機(jī)容量2 400 MW，為I等大（1）型工程。樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、地下引水發(fā)電系統(tǒng)及過魚設(shè)施等組成。拱壩最大壩高213 m，泄水建筑物全壩身布置，由3個泄洪表孔、4個泄洪中孔和1個生態(tài)放水孔組成，壩下設(shè)人工混凝土水墊塘消能，右岸布置引水發(fā)電系統(tǒng)與過魚設(shè)施，左岸布置導(dǎo)流洞。

2 泄洪消能方案

2.1 設(shè)計原則

旭龍水電站主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，不承擔(dān)壩址下游防洪任務(wù)，無供水、灌溉、通航等要求。工程本身100 a淤沙高程較低，無需解決排沙問題。泄水建筑物需主要滿足運(yùn)行期的泄洪、降低庫水位和施工期的導(dǎo)流、度汛以及運(yùn)行期機(jī)組停機(jī)等特殊時期的生態(tài)供水等工程運(yùn)用要求。結(jié)合旭龍水電站洪水泄量相對不大的特點及工程運(yùn)用要求，擬定泄洪消能建筑物設(shè)計原則如下：① 泄洪建筑物能夠安全宣泄校核洪水，并具備一定的超泄能力；② 宜優(yōu)先考慮采用壩身孔口泄洪方式；③ 泄洪孔口布置和調(diào)度方式應(yīng)具有足夠的運(yùn)行靈活性；④ 泄洪建筑物應(yīng)能降低庫水位至大壩中上部，滿足大壩檢修的要求；⑤ 泄洪建筑物布置應(yīng)兼顧施工后期導(dǎo)流及度汛的要求；⑥ 消能建筑物應(yīng)在宣泄設(shè)計洪水及以下各級泄量，尤其是常遇洪水時，具備良好的消能效果。

2.2 泄洪布置方案

旭龍水電站大壩采用混凝土雙曲拱壩，壩址區(qū)河谷狹窄，河道基本順直，兩側(cè)岸坡陡峻，不適宜布置岸邊溢洪道，適合布置壩身孔口和岸邊泄洪洞泄洪。通常壩身集中布置泄洪孔口，工程布置緊湊，調(diào)度靈活，對其他建筑物干擾小，且經(jīng)濟(jì)性較高。旭龍拱壩高達(dá)213 m，壩址區(qū)基本地震烈度達(dá)Ⅷ度，大壩校核地震峰值加速度達(dá)0.497g，為同期在建水電站最高。有必要將設(shè)置岸邊泄洪洞、增加一條泄洪通道的方案作為重點比選方案。

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，大壩兩岸均具備布置泄洪洞的地質(zhì)條件，河道在水墊塘下游略微向右偏轉(zhuǎn)，泄洪洞布置在左岸更有利于水流歸槽，減輕對下游河道及岸坡沖刷的影響。但是左岸泄洪洞沿程因穿過F1斷層、危巖體、崩坡積體，在處理進(jìn)、出口邊坡和洞身段均存在地質(zhì)缺陷問題，為保證出口消能防沖效果，需要額外增加工程投資約3.5億元，經(jīng)濟(jì)性較差。若考慮將其與引水發(fā)電系統(tǒng)共同布置在地質(zhì)條件相對較好的一側(cè)，一則相互間存在干擾，工程完建后可能影響電站的穩(wěn)定安全運(yùn)行；二則洞線更長，工程量更大。從工程布置、地質(zhì)條件、施工條件、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，全壩身孔口泄洪布置方案均較壩身孔口與岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪方案優(yōu)勢明顯，泄洪布置方案中優(yōu)先考慮采用全壩身孔口泄洪。而全壩身孔口泄洪布置方案關(guān)鍵在于研究壩身孔口布置型式，大壩下游消能安全以及孔口結(jié)構(gòu)對大壩抗震安全影響問題，論證全壩身孔口泄洪方案的可行性。

2.2.1 全壩身孔口布置方案

考慮到旭龍水電站拱壩高、地震烈度大，泄洪建筑物應(yīng)當(dāng)能有效降低庫水位，以便應(yīng)急放空和為震后檢修創(chuàng)造條件，需布設(shè)一定數(shù)量的中孔或放空底孔，可兼顧施工期后期導(dǎo)流，也有利于工程運(yùn)行期與表孔相互配合進(jìn)行靈活調(diào)度。雖孔口越低，庫水位降低高程越低，檢修越方便，但是孔口過低，易導(dǎo)致閘門操作難度加大，對拱壩結(jié)構(gòu)不利。在旭龍水電站設(shè)計中考慮不設(shè)置放空底孔，選擇壩身布置兩層孔口，即采用泄洪表孔、中孔聯(lián)合布置的型式較為合適。

全壩身孔口集中泄洪，下游水墊塘底板沖擊壓力取決于表、中孔的泄量比，一般表孔泄量占比越大，底板沖擊壓強(qiáng)越大。全壩身泄洪孔口布置研究中，比選了“3表孔（12 m×15 m）+4中孔（7 m×5 m）”、“4表孔（12 m×15 m）+3中孔（7 m×5 m）”兩種方案。從超泄能力、流量分配、放空能力、抗震性能等方面綜合比較后認(rèn)為，雖然“4表孔+3中孔”方案比“3表孔+4中孔”方案表孔數(shù)量多1孔，超泄能力較強(qiáng)，但表孔與中孔的分流比為2.1∶1，加大了對下游水墊塘底板的沖擊，且對動力放大效應(yīng)最顯著的壩頂拱圈削弱程度相對較大。而后者中孔數(shù)量多1孔，水庫放空能力相對較強(qiáng)，表孔與中孔的分流比為1.25∶1，兩者流量分配接近，泄洪調(diào)度運(yùn)用也更靈活，故選擇“3表孔+4中孔”孔口布置方案較為合適。

2.2.2 全壩身孔口泄洪消能安全分析研究

2.2.2.1 泄洪消能水力指標(biāo)分析

國內(nèi)部分特高拱壩泄洪消能水力指標(biāo)統(tǒng)計見表1。旭龍水電站校核洪水洪峰流量11 300 m3/s，調(diào)蓄后泄水建筑物最大設(shè)計泄流量為11 138 m3/s，最大設(shè)計下泄功率為15 500 MW。相較而言，旭龍水電站洪水泄量、泄洪功率均不大，具備在壩身集中布置泄洪孔口的便利條件。

旭龍水電站拱壩壩址區(qū)河谷為典型的深切“V”形峽谷地形，兩岸地形對稱性較好，枯水期天然江面寬60～80 m，水深約10 m，河床沖積層厚約30 m。按此地形地質(zhì)條件，河床無需大量開挖基巖即可形成大于40 m的深水墊消能塘，估算塘內(nèi)水體消能率12.5 kW/m3亦接近同類特高拱壩中低值。因此，從泄洪消能水力指標(biāo)分析可以看出，旭龍水電站拱壩具備采用全壩身集中泄洪的可行性。

2.2.2.2 減輕泄洪霧化的孔口體型研究

高壩壩身泄洪消能不可避免將帶來泄洪霧化問題。旭龍水電站壩址河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸巖體卸荷深度15～35 m，整體基本穩(wěn)定，但受風(fēng)化、卸荷作用影響，坡表裂隙發(fā)育，松動危巖較多。若壩身集中泄洪霧化產(chǎn)生的強(qiáng)降雨嚴(yán)重，對消能區(qū)兩岸的高位自然邊坡永久安全穩(wěn)定將產(chǎn)生較大影響［14］。結(jié)合旭龍水電站泄洪流量、泄洪功率及塘內(nèi)水體消能率相對不大的便利條件，旭龍水電站泄洪孔口布置和流道體型設(shè)計力求達(dá)到三重目標(biāo)：① 孔口體型簡單；② 水墊塘底板最大沖擊壓力滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求（＜15×9.81 kPa）；③ 盡量減小孔口出流碰撞避免產(chǎn)生較大泄洪霧雨。結(jié)合數(shù)值模擬分析和物理模型試驗，對“3表孔+4中孔”方案開展了多種孔口流道體型的挑射流軌跡對比分析，通過優(yōu)化孔口流道體型改善水舌軌跡、水舌碰撞點位置和寬度，提出“水舌碰撞與不碰撞結(jié)合”“泄洪消能工程安全與減輕岸坡泄洪霧化并重”［15］的旭龍壩身泄洪消能新模式，從而實現(xiàn)既定目標(biāo)。優(yōu)化后推薦孔口體型采用“3表孔（12 m×15 m）+4中孔（6 m×6 m）”方案，中間表孔和中孔水舌碰撞消能以減輕水墊塘底板沖擊壓力，兩側(cè)的邊表孔和邊中孔橫向交錯入水不碰撞以減輕霧化，并且孔口流道體型簡單，未設(shè)分流齒坎等復(fù)雜體型，便于施工。旭龍拱壩水工模型試驗泄洪流態(tài)見圖1。

2.2.3 全壩身孔口泄洪抗震安全研究

旭龍水電站工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，而泄洪孔口集中布置于壩身會削弱拱壩總體剛度，因此全壩身泄洪布置方案中應(yīng)重點研究壩身泄洪孔口對拱壩應(yīng)力和變形的影響，尤其是表孔對抗震安全性的影響。

通過對旭龍拱壩壩體及孔口局部的應(yīng)力、變形與壩體損傷等方面進(jìn)行靜、動力分析，表明壩身孔口對大壩力學(xué)性能影響是局部的，對大壩整體剛度影響較?。?6］。圖2中顯示出旭龍拱壩有無孔口模型上、下游壩面損傷分布對比。泄洪孔口結(jié)構(gòu)與壩體連接部位損傷程度高的區(qū)域通過采取適當(dāng)抗震措施可滿足壩身抗震安全要求，進(jìn)而保證泄洪孔口結(jié)構(gòu)在震后的有效運(yùn)行。因此，旭龍水電站采用全壩身孔口泄洪布置方案從抗震安全角度具有可行性。

2.3 消能方案研究

旭龍水電站壩址河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸巖體卸荷深度15～35 m，大壩高213 m，估算天然狀態(tài)下泄洪對河床基巖的最大沖刷深度達(dá)20～30 m。為保護(hù)下游河床及兩岸岸坡不受沖刷，保證大壩穩(wěn)定不受影響，旭龍水電站下游設(shè)人工混凝土水墊塘。主要比選了平底板與反拱底板兩種體型（圖3）。兩種體型均可滿足水墊塘的消能作用，但反拱底板斷面型式的受力特征較好，下部開挖和錨固工程量小于平底板，并存在優(yōu)化余地，從水墊塘長期運(yùn)行安全考慮，選擇反拱底板水墊塘。

3 泄洪消能建筑物設(shè)計

旭龍水電站泄洪消能建筑物平面、縱剖面圖見圖4。3表孔和4中孔在平面上沿一條半徑為300 m的圓弧泄洪軸線以泄洪中心線為軸對稱布置。

各表孔中心線在堰頂與泄洪軸線相交，相鄰表孔中心線夾角4.7°。4個中孔位于表孔閘墩正下方，也關(guān)于泄洪中心線對稱布置。中間兩個中孔中心線與泄洪中心線夾角分別為2.35°，兩邊兩個中孔中心線與泄洪中心線夾角分別為5.05°。3個表孔和中間兩個中孔中心線與泄洪中心線的交點為泄洪軸線圓心點，而兩邊中孔中心線與泄洪中心線的交點位于泄洪軸線圓心點下游118.942 m。

3.1 表孔

3個表孔堰頂高程2 287 m，孔口尺寸均為12 m×15 m（寬×高），跨縫布置。表孔堰頂上游面選用橢圓曲線。下游采用WES曲線，堰面曲線方程為Y=0.044 99X1.85。為減少水流集中的影響，并盡可能的沿縱向分散表孔水舌落點以及減輕表孔水舌與下部中孔水舌的碰撞，中表孔與邊表孔堰面曲線下游分別采用不同的直線段和反弧段以及出口挑坎體型。中表孔堰面曲線下接1∶1.2的直線段，直線段下游接半徑R=34 m的反弧段，反弧段末端接2 m長直線段，直線段末段即為中表孔出口挑坎，出口挑坎高程2 272.34 m，跌角-14°，寬12 m；兩邊表孔堰面曲線下接1∶1.4的直線段，直線段下游接半徑R=23.8 m的反弧段，反弧段末段即為邊表孔出口挑坎，出口挑坎高程2 275.17 m，跌角-5°，在出口10 m范圍內(nèi)，兩邊表孔流道寬度由12 m漸縮至10 m。

3.2 中孔

4個中孔采用有壓管型式，進(jìn)口高程2 220 m，中孔出口控制斷面尺寸6 m×6 m（寬×高），中孔不跨縫布置。為分散水舌落點，充分利用表孔水舌之后水體消能，中孔出口采用平底型和上挑型兩種型式。

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。平底型和上挑型中孔進(jìn)口高程均為2 220 m，進(jìn)口頂板、側(cè)墻均采用橢圓曲線。兩種孔道中部直線段斷面尺寸均為6 m×8 m（寬×高），中孔有壓段出口采用豎向收縮型式。平底型出口在直線段后接1∶6頂板壓坡段，直線段與壓坡段間采用半徑為30 m的圓弧過渡段，過渡段長4.93 m，對應(yīng)圓心角為9.46°，壓坡段出口的控制尺寸為6 m×6 m（寬×高），出口底坎高程2 220 m；上挑型孔口在直線段之后底面接5°上挑斜坡段，直線段與斜坡段間采用半徑為35 m的圓弧過渡段，過渡段長3.05 m，對應(yīng)圓心角為5°，斜坡段出口的控制尺寸為6 m×6 m（寬×高），出口底坎高程2 222.43 m。

3.3 生態(tài)放水孔

為滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，旭龍水電站正常發(fā)電期間，生態(tài)流量由機(jī)組下泄，在特殊情況下機(jī)組全部停機(jī)時，在拱壩壩身另單獨(dú)布置一孔生態(tài)放水孔下泄生態(tài)流量。生態(tài)放水孔緊鄰右邊表孔布置，采用上挑型有壓管型式。進(jìn)口高程2 278.00 m，進(jìn)口頂板、側(cè)墻均采用橢圓曲線，孔道中部直線段斷面尺寸為4.5 m×7.0 m（寬×高），孔口直線段之后接圓弧段過渡，底面圓弧半徑30 m，中心角10°，出口段底面為斜面，挑角10°，出口控制尺寸4.5 m×6.0 m（寬×高），出口底板高程2 281.50 m。

3.4 反拱水墊塘

大壩下游采用反拱底板復(fù)式梯形為基本斷面的混凝土水墊塘消能。各級泄量下壩身泄洪孔口主要入水集中在壩軸線下游樁號0+100 m～0+180 m范圍內(nèi)。水墊塘長度主要由中孔泄流控制，挑坎出口到水墊塘底面高程2 180 m最大挑距約205 m，強(qiáng)迫水躍長約70 m，據(jù)此確定水墊塘底長274 m。底板厚3 m，塘內(nèi)在2 153 m高程水面寬90 m，水深45 m。反拱底板內(nèi)圓半徑為45 m，中心角67.498°，水平弦長50 m，矢高7.58 m。水墊塘邊墻頂高程2 180 m，高程2 180 m以下邊墻和底板采用全封閉排水結(jié)構(gòu)。邊墻混凝土在高程2 153 m以下厚3 m，高程2 153～2 180 m厚2 m。高程2 180～2 255 m的護(hù)坡混凝土厚0.5 m。

水墊塘末端布置常態(tài)混凝土重力式二道壩，壩頂高程2 153 m，上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶0.3，最大壩高48 m。二道壩下游設(shè)置混凝土透水式護(hù)坦及護(hù)岸。

4 結(jié)語

結(jié)合旭龍水電站洪水泄量、泄洪功率相對不大的特點，泄洪消能建筑物設(shè)計時，采用全壩身孔口泄洪、下游反拱水墊塘消能的設(shè)計方案。該方案泄洪消能建筑物布置緊湊、調(diào)度靈活，較好地適應(yīng)該工程地形地質(zhì)條件。同時，水工模型試驗等結(jié)果表明大壩消能安全和大壩結(jié)構(gòu)抗震安全無影響，是一種經(jīng)濟(jì)安全的泄洪消能建筑物布置方式。

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編輯：唐湘茜

Research and design of flood discharge and energy dissipation ?for Xulong Hydropower Station

YANG Xiaohong1，2，HUANG Hongfei1，2，WANG Weihao1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to study the feasibility of all flood discharge with orifice on dam body of super high arch dams in high seismic intensity areas，we took the Xulong Super High Arch Dam as an example，the layout pattern of flood discharge and energy dissipation，hydraulic indicators，orifice layout shape on dam body，and seismic impact of orifice structure had been studied.After comprehensive comparison，all flood discharge with orifice on dam body with three overflow spillways and four middle holes and inverted-arch bottom plunge pool were adopted.Research had shown that a suitable arrangement of dam body orifice shapes can balance the safety of flood discharge and reduce the atomization of flood discharge.The safety and economy of inverted-arch bottom plunge pool were good.The orifice structure had no effect on the overall ultimate seismic performance of the dam body.It is feasible that all flood discharge with orifice on super high arch dam body in high seismic intensity areas.The research results can provide a reference for the design of flood discharge and energy dissipation buildings in similar projects.

Key words：

all flood discharge with orifice on dam body； super high arch dam； seismic impact of orifice structure； inverted-arch bottom plunge pool； numerical calculation； model test； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：楊曉紅，女，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作。E-mail：yangxiaohong@cjwsjy.com.cn