汪 振，沈 順，彭 育，黃 維

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122；2.中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

波堆水電站泄洪建筑物布置設(shè)計(jì)

汪 振1，沈 順2，彭 育2，黃 維2

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122；2.中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

波堆水電站具有地質(zhì)條件差、泄流量相對較大、泄洪頻繁、河道狹窄及泄洪消能建筑物布置局促等特點(diǎn)，泄洪消能設(shè)計(jì)是樞紐布置和水工設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。介紹了波堆電站泄洪建筑物總體布置設(shè)計(jì)、泄流量分配，結(jié)合水工模型試驗(yàn)對泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)體型、河道防護(hù)進(jìn)行研究。

泄洪洞；洞式溢洪道；消能設(shè)計(jì)；水力特性；流量分配；波堆水電站

波堆水電站位于西藏林芝地區(qū)波得藏布干流上。工程總裝機(jī)容量為9.6 MW，開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。壩址多年平均流量132.0 m3/s。工程樞紐主要由攔河壩、泄洪洞、洞式溢洪道、發(fā)電引水洞和電站廠房等建筑物組成，工程按50 a一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000 a一遇洪水校核；消能防沖建筑物按30 a一遇洪水設(shè)計(jì)。攔河壩為瀝青混凝土心墻碎石土壩，最大壩高45.00 m。泄洪建筑物主要有洞式溢洪道和泄洪洞，均布置在左岸。泄洪建筑物是波堆水電站樞紐的重要組成部分，是水庫滿足調(diào)蓄洪水及放空檢修等功能的主要通道，關(guān)系到工程本身的安全，因此科學(xué)合理的泄洪建筑物布置與設(shè)計(jì)將為本工程安全運(yùn)行提供保障。

1 泄洪建筑物布置特點(diǎn)

波堆水電站壩址區(qū)河谷地形狹窄，河道順直，枯水期平均水面寬約50.00 m，壩址區(qū)出露地層主要有石炭系旁多群灰白色白云巖、砂質(zhì)板巖和第四紀(jì)松散堆積物。壩址河道覆蓋層厚約30.00 m，左岸分布著DJ1、DJ2兩個(gè)規(guī)模較大的堆積體，整個(gè)右岸為規(guī)模巨大的冰水堆積層，河道及岸坡抗沖刷能力差。泄洪消能具有消能防沖地質(zhì)條件差、泄流量相對較大、泄洪頻繁、河道狹窄、泄洪建筑物布置局促等特點(diǎn)：

（1）受右岸冰水堆積層限制，泄洪建筑物及引水發(fā)電建筑物均布置于左岸，其中泄洪洞和洞式溢洪道的進(jìn)口位于崩坡積體下方，位置相對局促，需對進(jìn)口處的崩坡積體進(jìn)行處理。

（2）泄洪洞及洞式溢洪道出口下游河道順直，河床平均寬度50.00 ～ 60.00 m，為沖積漂卵礫石層，厚度15.00 ～30.00 m，抗沖流速1.2 ～ 2.0 m/s。出口下游左岸為崩坡積塊碎石土層及沖積漂卵礫石層。右岸岸坡由冰水積漂卵礫石層組成，規(guī)模巨大，自然條件處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在水流淘蝕、浸泡作用下將存在邊坡穩(wěn)定問題。因此需研究泄洪建筑物合理的出口消能方式及水流歸槽條件，以確保下游河道邊坡的穩(wěn)定安全。

（3）溢洪道泄槽段邊坡表層有深厚覆蓋層分布，且邊坡陡峻，若采用明挖型式，將形成高邊坡，開挖及支護(hù)處理工程大，泄槽段需采用隧洞的型式即洞式溢洪道。受地形地質(zhì)限制，泄槽段需在空間轉(zhuǎn)彎，因此要求進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)以滿足泄洪要求。

（4）泄洪建筑物采用泄洪洞+洞式溢洪道聯(lián)合泄洪的型式，需進(jìn)行合理的泄流量分配，同時(shí)考慮到泄洪洞由導(dǎo)流洞改建而成，因此泄洪建筑物規(guī)模尺寸需要合理設(shè)計(jì)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用目的。

2 泄洪建筑物布置與設(shè)計(jì)

2.1 泄洪建筑物總體布置

2.1.1 泄洪洞布置

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，泄洪洞布置在左岸。其進(jìn)口位于壩軸線上游約180.00 m的DJ1堆積體下方，出口位于壩軸線下游約275.00 m，有基巖出露，出口洞軸線與下游河道夾角約為27.00°。

泄洪洞由進(jìn)口有壓段、事故閘門井段、洞身有壓段、工作閘門室段和出口消能工等組成。進(jìn)口高程2 751.00 m，出口高程2 742.28 m，全長539.76 m。泄洪洞為有壓圓形隧洞，洞徑10.00 m、洞身長421.76 m，孔口尺寸由直徑10.00 m的圓形斷面漸變?yōu)?.00 m×5.00 m(寬×高)的矩形斷面，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。

2.1 .2 溢洪道布置

洞式溢洪道布置在左岸泄洪洞與引水發(fā)電洞之間，并設(shè)置平面轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑為R = 60.00 m，轉(zhuǎn)彎角度為27.87°，轉(zhuǎn)彎段后為渥奇曲線及陡槽。進(jìn)口為側(cè)堰型式，位于引水發(fā)電洞進(jìn)口與左岸壩頭之間，溢洪道出口基巖出露，與下游河道夾角約為19.00°，位于泄洪洞與引水發(fā)電洞出口之間，距泄洪洞凈間距約為18.00 m。

洞式溢洪道由進(jìn)口側(cè)堰段、調(diào)整段、無壓洞身段及出口消能工組成，首部槽底高程為2 775.88 m，尾部出口高程2 742.50 m，總長315.02 m。側(cè)堰凈寬24.00 m，設(shè)4個(gè)溢流孔，孔口尺寸6.00 m×4.00 m(寬×高)，泄槽采用隧洞型式，無壓洞身段長197.40 m，斷面為“城門洞型”，尺寸8.00 m×12.90 m(寬×高)，消力池段總長為61.00 m。泄洪建筑物平面布置見圖1。

圖1 泄洪建筑物平面布置圖

2.2 泄洪流量分配

開敞式溢洪道一般具有較強(qiáng)的超泄能力，能有效保證土石壩在非常運(yùn)用情況下的運(yùn)行安全。本工程溢洪道采用側(cè)堰進(jìn)流，隧洞明流泄洪，其泄流能力受側(cè)堰及隧洞斷面尺寸等因素控制。洞式溢洪道在設(shè)計(jì)工況，泄流能力受側(cè)堰控制。隨著水位上升及泄流量的增加，在校核工況，泄流能力受隧洞進(jìn)口斷面尺寸控制，在高水位下側(cè)堰內(nèi)產(chǎn)生較大的淹沒，泄泄能力降低。

考慮到泄洪洞由導(dǎo)流洞改建而成，洞徑是按導(dǎo)流要求確定的，最大達(dá)1 100.0 m3/s，過多地減少泄洪洞泄量，增加溢洪道泄量是不經(jīng)濟(jì)的。因此從工程安全、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行等因素考慮，在適當(dāng)增加洞式溢洪道斷面尺寸，滿足校核工況下泄能力的基礎(chǔ)上，使泄洪建筑物具有一定的安全超泄儲(chǔ)備能力，同時(shí)泄洪洞的運(yùn)行期與導(dǎo)流期泄流能力也基本匹配，滿足泄洪及水庫運(yùn)行要求，泄洪建筑物結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理。

擬定泄洪洞與溢洪道之間的流量分配為：設(shè)計(jì)工況下，溢洪道泄量419.4 m3/s，泄洪洞泄量910.6 m3/s；校核工況下溢洪道泄量700.0 m3/s，泄洪洞泄量980.0 m3/s。

2.3 消能設(shè)計(jì)

經(jīng)過水力學(xué)模型試驗(yàn)論證，泄洪建筑物消能方式若采用挑流消能，將帶來大量的河道防護(hù)工程量，需要開挖左岸邊坡、拓寬河道、設(shè)置岸邊防淘設(shè)施和護(hù)岸設(shè)施，涌浪爬高和泄洪霧化也影響右岸進(jìn)廠公路及邊坡的安全。因此挑流消能方式，不適合波堆工程的地形地質(zhì)條件。

考慮到波堆水電站總水頭不高、流量適中、下游河床及岸坡地質(zhì)條件較差，采用底流消能較為適宜。底流消能主要通過水躍將大部分能量消耗在消力池內(nèi)，剩余能量對下游河道及岸坡沖刷較弱，減小了河道及岸坡防護(hù)的工程量，避免了霧化對右岸進(jìn)廠公路及邊坡的不利影響。因此，消能方式選擇底流消能方案。

泄洪洞消力池由泄槽擴(kuò)散段、池身段及尾坎段組成，總長103.00 m，其中泄槽擴(kuò)散段長25.00 m，消力池池身長70.00 m，尾坎長8.00 m。消力池尾坎采用差動(dòng)式高低尾坎：高尾坎寬為2.00 m，高為8.56 m，頂高程為2 750.83 m，低尾坎寬為2.00 m，高為4.28 m，頂高程為2 746.56 m。

洞式溢洪道陡槽坡度為1∶1.5，水流由該坡度進(jìn)入消力池，末端高程為2 748.47 m。消力池前部為消力池平面擴(kuò)散段，長21.35 m，陡槽與消力池銜接處兩側(cè)為0.50 m突擴(kuò)，消力池進(jìn)口寬為9.00 m，擴(kuò)散段末寬為14.00 m，兩側(cè)擴(kuò)散角為6.68°。消力池寬14.00 m段長39.65 m，消力池末端布置尾坎，消力池總長為61.00 m。消力池尾坎采用連續(xù)式，高尾坎凈高為6.00 m，坎頂高程為2 748.50 m。

經(jīng)過水工模型試驗(yàn)論證，洞式溢洪道及泄洪洞泄洪對下游河道、左岸及右岸均存在一定程度沖刷，因此對下游消力池尾坎下游、泄洪洞右邊墻外側(cè)、左岸、右岸及河道均進(jìn)行了防護(hù)。主要采取拋填大塊石、混凝土護(hù)坡及防淘墻防護(hù)等措施。

3 水工模型試驗(yàn)成果

3.1 泄流能力

通過1∶50水工模型對泄洪洞及洞式溢洪道泄流能力進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，泄洪洞各工況下試驗(yàn)值較設(shè)計(jì)值大5.5%左右；洞式溢洪道在校核洪水情況下試驗(yàn)值較設(shè)計(jì)值小5.4%；泄洪洞與洞式溢洪道聯(lián)合泄洪，校核工況試驗(yàn)值1 690.8 m3/s較計(jì)算值1 680.0 m3/s大0.6%，設(shè)計(jì)工況試驗(yàn)值1 407.5 m3/s較計(jì)算值1 330.0 m3/s大5.8%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 泄洪洞水力特性參數(shù)

試驗(yàn)觀測表明，各工況下泄洪洞進(jìn)口附近水面均出現(xiàn)間歇性吸氣旋渦，但均未能形成貫通型吸氣漩渦，洞身內(nèi)未發(fā)現(xiàn)淤氣現(xiàn)象。泄洪洞檢修門井內(nèi)水面波動(dòng)較小，約0.1 m。

校核、設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)消能3種典型工況下，泄洪洞出口及其下游特征斷面的流速范圍在14.5 ～ 23.0 m/s。

3種典型工況下消力池內(nèi)基本能形成完整水躍，由于消力池出口處水面高于下游河道水位，出池水流有一定跌落。在校核和設(shè)計(jì)工況下，消力池內(nèi)水面波動(dòng)峰值超過墻頂，部分水體間歇性溢過邊墻。實(shí)測消力池坎頂流速在4.8 ～ 6.3 m/s。

泄洪洞進(jìn)口以及洞身段壓強(qiáng)分布均勻，沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，洞身段洞頂最小壓強(qiáng)大于2.0×9.8 kPa，大于規(guī)范中規(guī)定的最小壓強(qiáng)值，出口后拋物線段沒有出現(xiàn)負(fù)壓。

3.3 洞式溢洪道水力特性參數(shù)

校核、設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)消能工況下，洞式溢洪道進(jìn)口來流基本平順，在校核工況下，溢流堰頂處于淹沒出流狀態(tài)，設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)消能工況溢流堰上形成自由堰流，進(jìn)入側(cè)槽的水流在側(cè)槽內(nèi)形成螺旋流動(dòng)，水流紊動(dòng)劇烈，至側(cè)槽出口斷面(樁號0 + 022.60 m)左右兩側(cè)水面高差不大，最大差0.15 m。

洞式溢洪道第1段泄槽底坡i = 0.01，末端設(shè)置1段彎道，泄槽內(nèi)水流通過彎道時(shí)，彎道內(nèi)水面呈外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低，校核工況彎道內(nèi)外側(cè)水面高差最大，約2.70 m。

泄槽內(nèi)水面高程按校核、設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)消能工況的順序逐漸降低，因此泄槽的邊墻高度或者洞頂余幅取決于校核工況，在不計(jì)摻氣水深的情況下，在第1段泄槽內(nèi)(0 +022.60 ～ 0 + 159.77 m)，過水?dāng)嗝媾c隧洞斷面面積的比值小于85%，滿足要求。

洞式溢洪道泄槽內(nèi)沿程流速逐漸增大，第1段泄槽內(nèi)流速在5.5 ～ 9.5 m/s，第2段泄槽末端流速范圍在19.9 ～24.0 m/s。

校核工況消力池基本能形成完成水躍，消力池尾部及尾坎部位水流波動(dòng)劇烈，出池存在一定跌落，設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)消能工況下消力池內(nèi)能形成穩(wěn)定水躍，消能充分，出池水流平順。實(shí)測坎頂垂線平均流速在2.4 ～ 4.2 m/s。

洞式溢洪道的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果表明，溢流堰和2段泄槽之間的拋物線連接段均沒有出現(xiàn)負(fù)壓，壓強(qiáng)分布未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

由于第2段泄槽坡度為1∶1.5，水流入池時(shí)易對底板形成沖擊壓力。實(shí)測校核工況下最大時(shí)均壓強(qiáng)為24.9 m，該測點(diǎn)處的附加壓強(qiáng)約為11.0 m。

校核工況泄水建筑物出口及下游河道水流流態(tài)見圖2。

圖2 校核工況泄水建筑物出口及下游河道水流流態(tài)圖

3.4 下游河道流速分布及河床沖淤形態(tài)

試驗(yàn)量測了校核、設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)消能工況下的右岸最大頂沖流速分別為3.6，3.7，4.1 m/s；最大回流流速分別為2.1，2.2，1.7 m/s。

在各種試驗(yàn)工況中，泄洪洞單獨(dú)泄洪時(shí)沖坑深度最大，消力池后沖坑底高程為2 738.00 m，右岸最大沖刷底高程2 742.20 m，主要是因下游水位較低和泄洪洞出口軸線與河道夾角較大所致。

泄水建筑物泄洪后形成淤積堆丘，試驗(yàn)結(jié)果表明，在各種工況下，2次測量的電站尾水出口處的水位沒有明顯變化，泄洪沖淤堆丘對電站尾水的沒有明顯影響。

4 結(jié) 語

波堆水電站受地形、地質(zhì)條件限制，左岸布置泄洪洞及洞式溢洪道，出口采用底流消能方式，基本上滿足工程的泄洪消能要求；通過合理流量分配，達(dá)到泄洪洞與洞式溢洪道規(guī)模及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理；水工模型試驗(yàn)表明，為確保工程安全下游河道及岸坡應(yīng)進(jìn)行防沖保護(hù)。工程已建成，泄洪消能建筑物自蓄水以來已安全運(yùn)行2個(gè)汛期，目前來看泄洪消能建筑物能滿足工程正常運(yùn)行要求。

[1] 徐建強(qiáng)，吳忠.西藏波堆水電站泄洪消能專題研究報(bào)告[R].杭州：華東勘測設(shè)計(jì)研究院，2012.

[2] 傅宗甫.波堆水電站泄洪建筑物水力學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告[R].南京：河海大學(xué)，2012.

[3]郭子中.消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1982.

[4]汪振，黃維.云南某水電站泄洪消能設(shè)計(jì)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2007,5(3)：64 - 67.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

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汪 振(1980 - )，男，高級工程師，碩士，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)及大壩安全管理工作。