楊光偉

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，系雅礱江卡拉至江口河段水電規(guī)劃五級(jí)開發(fā)方式的第三個(gè)梯級(jí)電站，電站主要任務(wù)是發(fā)電。電站主要由攔河碾壓混凝土重力壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。水庫正常蓄水位1 330.00m，設(shè)計(jì)洪水位1 330.18m，校核洪水位1 330.44m，死水位1 328.00m，極限死水位1 321.00m，總庫容7.6億m3，屬日調(diào)節(jié)水庫。電站裝機(jī)容量2 400MW，多年平均發(fā)電量118.7億kW·h。

官地水電站工程為一等大(1)型工程，大壩、廠房、引水尾水系統(tǒng)等永久性主要建筑物為1級(jí)建筑物，永久性次要建筑物為3級(jí)建筑物，臨時(shí)性建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)。采用壩身泄洪、底流消能方式，消能落差大、單寬泄洪功率大，高壩泄洪底流消能防沖的規(guī)模和技術(shù)難度在國內(nèi)外均屬前列。

2 工程基本條件

工程區(qū)河床覆蓋層厚0～35.8m，壩基范圍基巖頂板高程1 165～1 203m，縱向上厚度較為穩(wěn)定，橫向上以河床左側(cè)最厚，向兩岸漸薄，由下至上可分為三層。河床壩基基巖為P2β15－2角礫集塊熔巖，河床壩基下發(fā)育fxh01、fxh05、fxh07等緩傾壓扭性錯(cuò)動(dòng)帶，傾向下游，傾角11°～34°，延伸長度約50 ～130m;為巖屑夾泥型或巖塊巖屑型。

壩前最大壅水高度139m，正常蓄水位時(shí)，相應(yīng)水庫面積14.7km2，水庫回水長度58 km。雅礱江流域洪水主要是由暴雨形成。洪水標(biāo)準(zhǔn)、相應(yīng)流量及水位見表1。

3 泄洪消能建筑物布置設(shè)計(jì)

3.1 樞紐布置原則

樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩擋水、右岸首部地下廠房、壩身5個(gè)表孔+2個(gè)中孔，壩身承擔(dān)全泄、底流消能的樞紐布置方案。

碾壓混凝土重力壩自左至右依次布置左岸擋水壩段、河床溢流壩段、右岸擋水壩段，2個(gè)中孔分別布置在左、右側(cè)的溢流壩段內(nèi)。泄洪建筑物由壩身的5個(gè)溢流表孔和兩個(gè)泄洪放空中孔組成，下游消能采用底流消能形式。攔河壩壩頂高程1 334.00m，壩頂長度516m，最低建基高程1 166.00m，最大壩高168m，最大壩底寬度153.2m。河床中共6個(gè)壩段為溢流壩段和中孔壩段，共長131m，中間兩壩段長度分別為21.5m，其他壩段長均為22m;中孔壩段分別布置在溢流壩兩側(cè);左、右岸分別有9個(gè)擋水壩段，左岸壩頂總長190m，左岸側(cè)兩壩段長分別為24m、26m，其他壩段長均為20m;右岸壩頂總長195m，右岸側(cè)接頭壩段長為35m，其他壩段長均為20m。

表1 各建筑物采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的流量和水位

3.2 消能方式選擇

設(shè)計(jì)中對(duì)溢流壩消能采用挑流、戽流、底流消能方案進(jìn)行了研究，各方案工程投資相差不大。挑流消能所形成的霧雨對(duì)下游岸坡巖體穩(wěn)定影響較大，岸坡防護(hù)范圍大，處理難度較高，下游沖坑對(duì)基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定存在潛在影響;戽流消能的主要問題是下游水面波動(dòng)對(duì)下游岸坡穩(wěn)定的沖刷較為嚴(yán)重;底流消能對(duì)下游岸坡穩(wěn)定的影響小，邊坡防護(hù)簡(jiǎn)單，底板對(duì)深層抗滑穩(wěn)定處理有利。結(jié)合底流消能的布置進(jìn)行了傳統(tǒng)底流消能形式、寬尾墩+底流消力池、寬尾墩+連續(xù)跌坎+底流消力池三種型式比較(見表2)，結(jié)果表明采用寬尾墩+連續(xù)跌坎+底流消力池的泄洪消能布置型式較為合理。

根據(jù)碾壓混凝土的施工特點(diǎn)，在壩面設(shè)置臺(tái)階可方便施工，對(duì)小流量消能有利?？紤]到階梯消能合理的單寬流量范圍為30～40m3/s·m，本電站溢流面最大流速達(dá)40m/s以上，壩面氣蝕問題突出，消能效率和消力池內(nèi)流速與壩面不設(shè)臺(tái)階方案比較差別不大，故沒有采用溢流壩面設(shè)臺(tái)階方案。

3.3 泄洪溢流表孔

3.3.1 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，在選定壩址位置布置攔河重力壩，溢流表孔位于河床中部的10～15號(hào)壩段，溢流表孔為開敞式，孔口尺寸5－15m×19m(孔數(shù)－寬×高)，中墩厚5m，邊墩厚4m，閘墩順河流向長為51.8m。溢流堰頂高程1 311.00m，每孔堰頂設(shè)平面檢修閘門和弧形工作門各一扇。溢流壩壩體上游面上部鉛直，下部為1∶0.3斜坡，折坡點(diǎn)高程為1 240.00m，堰頂前緣為1/4橢圓曲線，堰頂采用冪曲線，后接1∶0.75斜坡，再通過圓弧形的反弧段與消力池相接，相接處設(shè)跌坎。

3.3.2 寬尾墩體型研究

比較了有寬尾墩和無寬尾墩、X型和Y型寬尾墩，各體型中溢流壩面上水流流態(tài)都較好，時(shí)均壓強(qiáng)沿壩面分布規(guī)律大致相同，量值相當(dāng)。X型比Y型寬尾墩在底板上脈動(dòng)壓強(qiáng)大17%以上，X型和Y型寬尾墩脈動(dòng)壓強(qiáng)沿水流方向的最大梯度差別不大，從消力池底板安全考慮，Y型寬尾墩具有一定的優(yōu)勢(shì);X型和Y型寬尾墩水流的正向臨底流速差別不大，X型寬尾墩在跌坎附近產(chǎn)生的最大反向臨底流速比Y型寬尾墩大70%，同時(shí)在跌坎附近，X型寬尾墩水流的流速梯度比Y型大110%。與Y型寬尾墩相比，X型寬尾墩在跌坎附近能量消耗過多，不利于跌坎和底板的安全。

無寬尾墩體型和Y型寬尾墩體型在溢流壩面上都有較好流態(tài)，時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)呈現(xiàn)的規(guī)律大致相同。對(duì)無寬尾墩體型和Y型寬尾墩體型的流態(tài)、時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)測(cè)量以及消力池臨底流速、尾坎流速比較分析表明:無寬尾墩情況下消力池內(nèi)為典型的二元水躍流態(tài)，跌坎下游局部范圍內(nèi)的橫軸漩渦穩(wěn)定而強(qiáng)烈;Y型寬尾墩情況下消力池內(nèi)為典型的三元水躍流態(tài)，跌坎下游局部范圍內(nèi)橫軸漩渦的強(qiáng)度有所減弱，并表現(xiàn)出一定的間歇性;無寬尾墩情況下，消力池長度明顯不足，尾坎前后水面落差較大，出池水流與下游水面銜接不夠順暢;在Y型寬尾墩情況下，水流流態(tài)良好，消力池長度可以滿足消能要求;Y型寬尾墩情況下消力池內(nèi)時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)相對(duì)較低;有、無寬尾墩體型在消力池內(nèi)的最大流速基本相當(dāng)，尾坎上流速分布基本相同;在跌坎下的流速分布和流速梯度變化上，無寬尾墩體型的變化更劇烈，紊動(dòng)強(qiáng)度更高。綜合比較分析認(rèn)為，Y型寬尾墩體型對(duì)于消力池底板的安全，尤其是跌坎附近強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)的安全性優(yōu)于無寬尾墩體型。

表2 三種底流消能方案的水力條件比較

3.3.3 摻氣槽設(shè)計(jì)

根據(jù)水流空化數(shù)計(jì)算成果和壩面流速測(cè)值成果，寬尾墩墩尾斷面附近的壩面空化數(shù)小于0.3，根據(jù)壩面保護(hù)長度需設(shè)置兩道摻氣坎，一道位于樁號(hào)0+45.80m處(寬尾墩墩尾斷面)，體型為挑坎式，摻氣保護(hù)長度約30m;另一道位于樁號(hào)0+70.00m處，體型為坎槽式，摻氣保護(hù)長度約70m。兩道摻氣坎在各工況及不同閘門開啟方式下，均能保持正常工作，坎下無積水，通風(fēng)順暢，能夠達(dá)到摻氣減蝕的作用。摻氣設(shè)施結(jié)構(gòu)體型見圖1。

3.4 底流消力池

3.4.1 結(jié)構(gòu)布置

由于河床覆蓋層厚30余米，若將壩后消力池池底高程設(shè)計(jì)得太高，則混凝土量將增加太多;若護(hù)坦高程太低，泄洪時(shí)下游河道水位較高，淹沒度太大，消能效果將大為降低，甚至成為高速潛流，對(duì)下游相當(dāng)長的一段河床產(chǎn)生沖刷。經(jīng)計(jì)算比較和水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，消力池池底高程為1 188.00m，長度為145m，寬95m。根據(jù)地形地質(zhì)條件，河槽部位切割相對(duì)較深，河床覆蓋層厚度相對(duì)較厚，確定河床中部底板最低高程為1 166.00m，河床兩側(cè)基巖出露高程較高，底板底高程為1 182.00m，底板厚度6～22m。

由于大壩下游消能區(qū)范圍內(nèi)兩岸岸坡地形具有明顯的”左陡右緩“特點(diǎn)，為適應(yīng)地形條件，減少工程量和方便施工，消力池邊墻布置為不對(duì)稱混凝土斜邊墻，同時(shí)也可增大消力池的消能容積。邊墻頂高程1 224.00m，底高程1 182.00m，左岸貼坡邊墻坡度1∶0.5，邊墻厚3m，底部至1 188.00m。右岸邊墻1 205.00m高程以下與左岸一樣，以上為衡重式邊墻，迎水面坡度1∶0.5。

為有效降低泄洪時(shí)池底臨底流速，增強(qiáng)消能效果，在反弧段末端與消力池相接處設(shè)置跌坎，跌坎高度6.5m，長度與池寬一致。為滿足在消力池內(nèi)形成水墊利于消能和消力池檢修需要，在池末端布置22.5m高尾坎，迎水面坡度1∶0.3，背水面坡度1∶0.7。

3.4.2 尾坎高度

為保證枯水期消力池檢修時(shí)不影響發(fā)電，在消力池后設(shè)置高尾坎，比較了2臺(tái)機(jī)和4臺(tái)機(jī)發(fā)電的下游水位情況下尾坎高度19.6m和22.5m方案。4臺(tái)機(jī)組發(fā)電流量2 345m3/s，相應(yīng)下游水位為1 209.31m。尾坎頂高程取1 210.50m，尾坎高22.5m。

圖1 摻氣坎體型示意

各種洪水工況下，尾坎中央與兩側(cè)的出池流速具有基本相近的垂線分布特性，大體上呈”上大下小“的分布規(guī)律;尾坎高度19.6m方案與22.5m方案最大出池流速基本相當(dāng)，在設(shè)計(jì)洪水與校核洪水工況下均為8m/s左右。兩種方案的時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)沿程分布相似，尾坎高度降低后，消力池內(nèi)水面線隨之降低約1m，低方案時(shí)均壓強(qiáng)量值略小;脈動(dòng)壓強(qiáng)量值基本相當(dāng)，沿橫向的分布情況看，高方案的左、右分布基本對(duì)稱。尾坎高度19.6m方案的沿程分布規(guī)律均與22.5m方案十分相似，在相同的泄洪工況下，高方案的下游河道與電廠尾水區(qū)水面波動(dòng)較低方案有所降低。

消力池尾坎降低除工程量略有減少外，對(duì)于消力池水力特性的改善無明顯優(yōu)勢(shì)，高方案有利于提高消力池檢修條件，消力池尾坎高度22.5m較為合適。

3.4.3 連續(xù)跌坎

跌坎高度對(duì)消力池臨底流速、池底壓強(qiáng)、池內(nèi)流態(tài)和尾坎出口的水流形態(tài)均有直接關(guān)系，合理選擇跌坎高度是使這些方面達(dá)到相對(duì)較優(yōu)的重要研究?jī)?nèi)容。跌坎型底流消力池連續(xù)跌坎的合理高度選定與消力池尾坎高度、入池流速與單寬流量、泄洪工況、消力池邊墻型式均有直接關(guān)系。

參考向家壩水電站的系列研究成果，對(duì)無跌坎方案、5m和10m高跌坎方案進(jìn)行了對(duì)比研究。消力池尾坎高度提高后，阻斷了消力池水流與下游河道的自然銜接，影響消力池內(nèi)水流流態(tài)的穩(wěn)定性。跌坎高度較低時(shí)，高流速水體將觸及消力池底板，且距離尾坎較近，容易受尾坎阻斷作用影響而出現(xiàn)左右擺動(dòng)的不穩(wěn)定情況;跌坎高度過高時(shí)，由于高流速水體較少觸及消力池底板，高速水體部分上移，水流流態(tài)容易出現(xiàn)面流特性。參考類似工程和試驗(yàn)研究成果，在合適的尾坎高度與消力池長度不變、保障水流流態(tài)穩(wěn)定、確保有較好的消能效率的前提下，相對(duì)合理的跌坎高度為6.5m。

3.4.4 底板穩(wěn)定研究

由于電站大壩泄洪水頭高，底流消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的大小將直接關(guān)系到底板板塊穩(wěn)定，消力池底板上的動(dòng)水荷載由時(shí)均荷載和脈動(dòng)荷載組成，是底板穩(wěn)定設(shè)計(jì)中的主要荷載之一，上下游水位差、下游水深、水舌入水形態(tài)、底板尺寸、分縫位置、止水破壞的方式都對(duì)消力池底板動(dòng)水荷載有影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)布置方案和底板脈動(dòng)壓強(qiáng)分布特性，跌坎下游局部范圍是關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，分析板塊上舉力的脈動(dòng)特性、時(shí)均值、均方根值及瞬時(shí)最大值，從而確定消力池底板在各種工況下維持穩(wěn)定所需的板塊厚度，以及在一定底板厚度下，底板維持穩(wěn)定所需的錨固力。從測(cè)試成果看，底板上表面脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值普遍在50kPa以下，跌坎下游局部范圍內(nèi)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根出現(xiàn)峰值，實(shí)測(cè)最大值為80.8～94.32kPa。底板下表面脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值較上表面有較大衰減，量值普遍在25kPa以下，對(duì)底板的穩(wěn)定性有利。在各工況泄洪水流作用下，僅校核工況下跌坎下游局部范圍底板所受上舉力略超底板浮重，需適當(dāng)加強(qiáng)錨固。消力池邊坡塊所受上舉力大于抗力，需要加強(qiáng)錨固措施維持穩(wěn)定，采用間、排距2.5m×2.5m的3φ32錨桿束進(jìn)行錨固加固，錨桿插入地基深度8m。

3.5 泄洪(放空)中孔

3.5.1 結(jié)構(gòu)布置

為了滿足校核洪水時(shí)的泄流能力，同時(shí)根據(jù)水庫放空和后期導(dǎo)流需要，設(shè)置2個(gè)中孔。目前國內(nèi)壩內(nèi)中孔閘門承受的水頭范圍最大以90～100m為宜，確定中孔進(jìn)口底板高程為1 240.00m。

2個(gè)中孔分別布置在表孔兩側(cè)壩段，中孔壩段上游上部鉛直，下部1∶0.3斜坡，折坡點(diǎn)高程為1 220.00m;下游壩坡為 1∶0.75，起坡點(diǎn)高程為1 315.33m;壩頂寬度20m。中孔采用有壓深式進(jìn)水孔形式，包括進(jìn)口段、壓力段、明流段和鼻坎挑流段，進(jìn)口段上唇采用橢圓曲線，后接一小段1∶5.5的切線，壓力段末端壓坡坡度為1∶5，壓力段后接明流段，壓力段出口采用突擴(kuò)門槽，出口尺寸5m×8m(寬×高)。中孔壩段泄水孔壓力段前端設(shè)平板事故檢修門，壓力段周邊均設(shè)鋼襯，末端出口設(shè)弧形工作門。中孔出口布置見圖2。

圖2 中孔出口布置示意

3.5.2 出口摻氣研究

在高速水流作用下，弧門下游左側(cè)出現(xiàn)負(fù)壓，該處水流與圓弧邊壁可能發(fā)生分離，流速高又處于突擴(kuò)門槽下游清水區(qū)內(nèi)，是空蝕的高危區(qū)，如果沒有充分而有效的減蝕措施，將遭受空蝕。工作門突擴(kuò)門槽具有弧門高效止水和摻氣減蝕的雙重作用，出口弧門后突擴(kuò)兩側(cè)形成側(cè)空腔，將門后底板高程降低，設(shè)置1∶5的斜坡銜接，以充分補(bǔ)氣避免高水位情況下出現(xiàn)負(fù)壓，側(cè)邊墻采用三次曲線面。

出流下方在底坎后形成空腔，在小流量下回逆水流充塞坎后空腔，底空腔不穩(wěn)定，阻礙通氣孔通氣和水流摻氣。從模型試驗(yàn)看，在運(yùn)行水位1 300m時(shí)射流下方形成穩(wěn)定底空腔，通氣孔通氣量明顯加大，氣流穩(wěn)定，穩(wěn)定底空腔形成的臨界水頭約為60m;隨水位進(jìn)一步升高，底空腔長度和高度都隨之增大。工作門突擴(kuò)加跌坎摻氣設(shè)施能夠較好地起到摻氣減蝕的作用，對(duì)滿足通氣孔通氣要求、改善水流摻氣效果、減輕射流對(duì)消力池尾坎上游坡面沖砸、改善挑流水舌的空中姿態(tài)與入水范圍有利。

3.6 水庫運(yùn)行方式

雅礱江河流懸移質(zhì)主要集中在汛期，沙峰與洪峰基本對(duì)應(yīng)。根據(jù)河流輸沙特點(diǎn)，為減少電站水庫庫區(qū)泥沙淤積，充分利用汛期大流量時(shí)降低水位排沙，經(jīng)泥沙沖淤平衡計(jì)算，為滿足壩前水庫的日調(diào)節(jié)功能要求、保證汛期排沙效果，水庫調(diào)度方式為:汛期(6～9月)電站水位降至汛期排沙運(yùn)用水位1 328.00m運(yùn)行;非汛期(10月～翌年5月)水庫進(jìn)行日調(diào)節(jié)，壩前水位在死水位至正常蓄水位之間運(yùn)行。

水庫泄洪時(shí)，推薦首選采用閘門均勻同步開啟，其次是對(duì)稱間隔開啟，盡量避免只開啟中間三孔的情況，因水流集中兩側(cè)回流明顯，不利于充分消能，在泄洪運(yùn)行的閘門開啟初期，適當(dāng)放緩弧門開啟速度，使下游水位逐步提高，避免因下游水位過低而出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍等不利流態(tài)。在校核洪水工況下電站不發(fā)電，中孔承擔(dān)總泄洪量的15.77%;在設(shè)計(jì)洪水和消能洪水工況下，考慮2臺(tái)機(jī)發(fā)電引水1 172.5m3/s，其余流量從表孔泄流。

根據(jù)泄流能力計(jì)算和模型試驗(yàn)驗(yàn)證，泄洪建筑物布置滿足泄流能力要求。在實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)來水、來沙情況和電站調(diào)度運(yùn)行情況，運(yùn)行單位可對(duì)閘門運(yùn)行方案進(jìn)行適度優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到最佳水庫運(yùn)行方式。

4 結(jié) 語

官地水電站泄洪消能方式經(jīng)過多方案比較后，采用了“溢流表孔寬尾墩+連續(xù)跌坎+斜邊墻底流消力池”的底流消能型式，即在溢流表孔閘墩設(shè)置寬尾墩，提高消能效率，在溢流堰反弧末端設(shè)跌坎降低消力池臨底流速，利用開挖體型布置斜邊墻減少工程量并增加消能容積。模型試驗(yàn)成果表明，寬尾墩體型、連續(xù)跌坎、摻氣設(shè)施等具有明顯作用。壩面無負(fù)壓產(chǎn)生，消力池內(nèi)水流擴(kuò)散均勻，消能效果較好，下游水面銜接平順，消力池長度滿足要求?？梢?，本工程大壩泄洪消能系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的。

為使工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行達(dá)到較優(yōu)化的狀態(tài)，在工程實(shí)施期間根據(jù)需要對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化研究，按實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整，對(duì)消力池底板和邊坡采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧┖偷撞颗潘O(shè)計(jì)，保證運(yùn)行安全。從試驗(yàn)情況看，電廠尾水區(qū)不會(huì)出現(xiàn)淤積，但受施工臨時(shí)項(xiàng)目拆除的影響，運(yùn)行初期下游河道可能出現(xiàn)局部淤積。為保證電廠的正常運(yùn)行與發(fā)電效益，運(yùn)行初期的幾年內(nèi)可利用枯期時(shí)段對(duì)河道進(jìn)行適當(dāng)清理?？紤]到本電站泄洪消能的獨(dú)特特點(diǎn)與技術(shù)難度，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，埋置、調(diào)試好監(jiān)測(cè)設(shè)施，加強(qiáng)運(yùn)行過程中的原型觀測(cè)。