林健勇，王毅鳴，李賀林

（中國水電顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，相應(yīng)入庫洪峰流量為3 530 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇洪水，相應(yīng)入庫洪峰流量為5 650 m3/s；消能防沖建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇洪水，相應(yīng)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(jì)、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(shí)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(diǎn)：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(yīng)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(jìn)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(diǎn)，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(yù)泄能力。

（2）泄洪建筑物正常運(yùn)行時(shí)，必須確保大壩及主要建筑物運(yùn)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(jì)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(hù)的工程量。

（4）確保消能建筑物運(yùn)行安全可靠且管理方便。

（5）泄洪建筑物的布置應(yīng)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(diǎn)，按照施工導(dǎo)流度汛及水庫運(yùn)行、泄洪沖沙等要求，通過水力學(xué)計(jì)算和水工模型試驗(yàn)，以及對(duì)壩體孔口尺寸對(duì)壩體應(yīng)力及削弱程度和工程量的影響等進(jìn)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(duì)主河床的3個(gè)表孔和2個(gè)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(jìn)水口 “門前清”，還在壩身設(shè)置了沖沙孔及延伸至進(jìn)水口前的沖沙廊道。受地質(zhì)地形條件所限，拱壩為不對(duì)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(duì)下游河床的沖刷。經(jīng)水工模型試驗(yàn)分析論證確定，1、3號(hào)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(hào)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(jìn)口底板高程1 020.00 m，進(jìn)口段為喇叭口式，其頂部及兩側(cè)為橢圓曲線，底緣進(jìn)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(gè)中孔洞身有壓段尺寸有所差異。

為使體形簡單同時(shí)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(shí)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(jìn)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(yīng)考慮滿足進(jìn)水口 “門前清”的要求，使進(jìn)水口盡量靠近壩體及泄洪排沙中孔，進(jìn)水口布置在距壩體約35 m處，同時(shí)，為確保電站進(jìn)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(jìn)水口前，定期沖沙，確保排沙效果和引水質(zhì)量。

排沙孔進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)口面積以利沖沙，在進(jìn)水口前廊道段順?biāo)鞣较蛟O(shè)有7個(gè)3.5 m×2 m （寬×高）的側(cè)向進(jìn)流孔。

2.2.4 下游消能防沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天花板下游消能防護(hù)措施采用的原則是 “護(hù)坡不護(hù)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(diǎn)，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(shí)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(hù)坦進(jìn)行基礎(chǔ)防護(hù)，兩側(cè)與左右護(hù)岸貼坡式擋墻相接。

3 水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證

通過水力學(xué)計(jì)算及水工整體模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了表、中孔泄洪能力及下游消能布置的合理性，試驗(yàn)表明：①泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求；②表、中孔體形設(shè)計(jì)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(jìn)一步滿足電站進(jìn)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(kuò)散，泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了泄流水舌落點(diǎn)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(diǎn)縱向拉開，可降低下泄能量，并減小對(duì)岸坡的霧化作用；中孔正對(duì)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(kuò)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(hù)坦，可充分利用下游水深較大、覆蓋層較厚的特點(diǎn)，沖坑深度淺，霧化程度相對(duì)較低，兩岸防護(hù)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(shí)，也縮短了工期。

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

天花板水電站工程實(shí)踐表明，對(duì)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(shí)現(xiàn)較好的消能效果，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。天花板水電站泄洪消能建筑物的設(shè)計(jì)方案，對(duì)規(guī)模和條件類似的工程泄洪消能建筑物的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。