潘洪月，李 華，宛良朋，王 坤，王英奎

(1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610041；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

我國水資源絕大部分集中在西南地區(qū)，一大批高拱壩已經(jīng)或正在建設(shè)中，這些工程一般都具有“高水頭、大流量、窄河谷”等特點。隨著建設(shè)美麗中國的理念逐漸深入人心，水利水電工程對環(huán)境保護的要求越來越高，而水利工程設(shè)計、建設(shè)、運行可能造成的各類環(huán)境影響也越來越受到社會各界的廣泛關(guān)注，對水利水電工程建設(shè)提出了更高的要求[1]。

對于西南地區(qū)的大部分工程而言，由于泄流量和泄洪功率較大、河谷狹窄、山高坡陡，樞紐布置及泄洪消能建筑物設(shè)計受到很大限制，在方案選擇、整體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面都存在很大困難。泄洪消能建筑物的設(shè)計不僅影響工程運行安全、工程投資及效益，而且對壩址區(qū)及周邊環(huán)境也有較大影響：①泄洪消能引起的泄洪霧化和河道嚴(yán)重沖刷不利于岸坡穩(wěn)定，如龍羊峽、李家峽、二灘等工程都因泄洪霧化引起了不同規(guī)模的山體滑坡[2]；②下游河道水流產(chǎn)生溶解氣體過飽和引起魚類的死亡，三峽和溪洛渡水電站泄洪導(dǎo)致水體溶解氣體過飽和導(dǎo)致下游河道死魚現(xiàn)象；③泄洪消能水體紊動引起消能區(qū)結(jié)構(gòu)的流激振動及周邊場地振動，向家壩水電站在泄洪消能設(shè)計中曾經(jīng)遇到泄洪誘發(fā)場地振動的問題。這些泄洪消能引發(fā)的次生危害問題在一定程度上制約了水利水電工程的開發(fā)建設(shè)。

本文針對水電工程泄洪消能建筑物設(shè)計中的環(huán)境影響進行了探討，指出了“環(huán)境友好型”的特點，結(jié)合水電工程實際提出了其具體要求，并對幾種比較常用的環(huán)境友好型泄洪消能建筑物進行了對比分析。

1 環(huán)境友好型建筑特點及要求

所謂“環(huán)境友好型”，廣義上講可以理解為在建筑壽命周期內(nèi)，通過降低資源和能源的消耗減少各種廢物的產(chǎn)生，實現(xiàn)與自然共生的工程；狹義上講是指規(guī)劃、設(shè)計時充分考慮并利用了環(huán)境因素，施工、運行過程中對環(huán)境影響最低的工程。水力發(fā)電作為一種傳統(tǒng)清潔型能源，是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、建設(shè)美麗中國的重要組成部分，但在建設(shè)和運行過程中不可避免會對環(huán)境造成一定的影響，因此有必要在設(shè)計階段就充分考慮其環(huán)境影響，盡量達(dá)到環(huán)境友好的目的。而泄洪消能設(shè)計作為水電工程設(shè)計的重點之一，“環(huán)境友好型”主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)泄洪霧化影響較小。泄洪消能建筑物設(shè)計應(yīng)盡量控制泄洪霧化范圍和霧雨強度，采取必要的工程措施，減輕泄洪霧化對工程邊坡和自然邊坡的影響[2]。

2)盡量避免總?cè)芙鈿怏w(TDG)過飽和。泄洪消能方案設(shè)計中，應(yīng)盡量避免泄洪消能引起的總?cè)芙鈿怏w(TDG)過飽和，減輕對水生生態(tài)的影響。

3)減輕流激振動及場地振動。泄洪消能方案應(yīng)避免對消能區(qū)工程邊坡和自然邊坡的直接沖刷，減輕消能區(qū)結(jié)構(gòu)的流激振動，盡量避免引起周邊場地振動。

另外，在保證泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)安全的前提下，泄洪建筑物設(shè)計盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、投資節(jié)約，以減輕資源和能源浪費。

2 環(huán)境友好型泄洪消能建筑物研究

隨著對環(huán)境影響的逐漸重視及泄洪消能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的泄洪消能設(shè)計開始重視其環(huán)境影響，具備一定的環(huán)境友好型特點，下面簡單對幾種環(huán)境友好型泄洪消能建筑物的特點進行對比分析，以供工程設(shè)計中參考。

2.1 壩面臺階式消能

將泄水建筑物過流面設(shè)計成臺階狀溢流面而形成的消能型式(圖1)，利用水流流經(jīng)臺階狀溢流面時形成的水平軸漩滾、碰撞和摻氣等作用達(dá)到消能目的。壩面臺階式消能可單獨采用，也可以與消力池、寬尾墩等聯(lián)合應(yīng)用。

圖1 臺階式消能工圖

臺階式消能的顯著特點是過流面上的摩阻力大，摻氣多，從而消能率高，可極大的縮短下游所需消能工的尺寸，一般可使消力池長度縮短10%～30%。臺階式消能工單獨采用時，多適用于設(shè)計單寬流量小于20 m3/(s·m)的中壩、低壩；而與寬尾墩聯(lián)合應(yīng)用時，也逐漸應(yīng)用于單寬流量較大或高壩工程中。

壩面臺階式消能的消能區(qū)在壩面臺階部位，單獨應(yīng)用時不會產(chǎn)生泄洪霧化，對下游河道及附近山體影響很小，一般也不會引起周邊山體的流激振動或場地振動，但通常應(yīng)用于單寬流量較小、高度較低的碾壓混凝土壩中，應(yīng)用范圍有一定局限性。

圖2 沫若水電站臺階式消能泄洪照片

2.2 水墊塘消能

現(xiàn)有大型水電工程中，挑跌流+水墊塘消能方案應(yīng)用較多，這種消能型式適應(yīng)性強、消能效果好、泄洪安全保障性較高，但也存在泄洪霧化及岸坡沖刷等問題，工程中一般也采取了一定的防護措施。

水墊塘主要是利用淹沒水躍消能。水墊塘中的斜向淹沒沖擊射流，為射流主流區(qū)+旋渦區(qū)的混合結(jié)構(gòu)。其中主流區(qū)與各宏觀旋渦區(qū)的交界區(qū)域是一層強紊動剪切作用區(qū)，主流在該區(qū)通過強烈紊動剪切和擴散作用使其有效機械能(動能)不斷地被消剎[3]，因此該區(qū)域是射流有效機械能消剎的主區(qū)域，消能率可達(dá)70%以上。水墊塘內(nèi)流態(tài)如圖3所示。

圖3 水墊塘內(nèi)典型流態(tài)示意圖

在工程實踐中，為了減輕水墊塘內(nèi)消能水流紊動以及泄洪霧化對邊坡的影響，壩后水墊塘一般需要采取坡面防護措施，一般分全襯砌水墊塘、局部襯砌水墊塘兩種形式[4-6]，如圖4和圖5所示。

圖4 全襯砌水墊塘結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 局部襯砌水墊塘(護岸不護底水墊塘)結(jié)構(gòu)示意圖

水墊塘消能的應(yīng)用較為廣泛，消能機理和防護技術(shù)均比較成熟，但其存在泄洪霧化、流激振動、下游水體總?cè)芙鈿怏w過飽和等不足，需要采取邊坡防護等工程措施來提高其環(huán)境友好性。

2.3 壩身孔口無碰撞消能

高拱壩表中孔水流空中碰撞消能產(chǎn)生比較嚴(yán)重的泄洪霧化，因此部分工程泄洪消能設(shè)計中采用表深孔水流無碰撞消能型式，一般采用兩種方式：一種是表中孔仍采用常規(guī)出口體型，在平面布置上各孔橫向相互盡量拉開，但受工程所處河谷狹窄限制而很難實現(xiàn)；另一種是高拱壩表深孔采用收縮式消能工，如寬尾墩、窄縫挑坎等，利用收縮式消能工收縮水流的特性獲得窄長的下泄水舌流態(tài)，各股水舌從相互間間隙穿插下落，從而實現(xiàn)表深孔水舌的空中無碰撞消能。

錦屏一級水電站表孔采用寬尾墩，深孔采用窄縫挑坎，下泄水舌呈窄長的水流流態(tài)，在空中相互穿插下落，不發(fā)生碰撞，實現(xiàn)了表深水舌空中無碰撞消能，如圖6所示[7]。

圖6 水墊塘內(nèi)典型流態(tài)示意圖

無碰撞窄縫消能降低了泄洪霧化的強度和范圍，對環(huán)境影響較小，適用于狹窄河谷中的高拱壩工程，但受窄縫影響，孔口泄流能力會有一定減小，并且設(shè)計中應(yīng)研究避免下泄水舌對水墊塘底板的沖擊破壞。

2.4 旋流式消能

旋流式消能工是指通過設(shè)置氣旋器等措施，使水流在泄洪洞內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，從而達(dá)到消能的目的。旋流式消能工一般由引水道、旋轉(zhuǎn)水流發(fā)生裝置、消能段和出水道四部分組成，主要通過旋轉(zhuǎn)水流的高速旋轉(zhuǎn)，利用水流層間的紊動、剪切作用和漩渦消耗水流能量，同時利用旋流的摻氣作用使水流變?yōu)槎嗔鳎黾恿藲?水紊動強度，進而有效地消剎能量。

旋流式消能的有效消能區(qū)集中在旋流洞內(nèi)，不會產(chǎn)生泄洪霧化，對工程區(qū)邊坡影響很小，但旋流式消能的泄流能力受到一定影響，并且旋流洞內(nèi)的摻氣也容易導(dǎo)致下游水體總?cè)芙鈿怏w過飽和等問題。

3 結(jié) 語

1)隨著水利水電工程對環(huán)境保護的要求越來越高，環(huán)境友好型水電工程將逐漸成為未來研究的重點，需要在水電工程設(shè)計、建設(shè)、運行等各階段引起足夠重視。

2)環(huán)境友好型泄洪消能建筑設(shè)計過程中需要充分考慮其環(huán)境影響，盡量達(dá)到泄洪霧化影響小、避免總?cè)芙鈿怏w過飽和、減輕流激振動及場地振動等要求，并且盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、投資節(jié)約，以減輕資源和能源浪費。

3)壩面臺階式消能、水墊塘消能、壩身孔口無碰撞消能和旋流式消能等均具備一定的環(huán)境友好特點，但也存在一定的不足，需要根據(jù)工程實際進行充分的研究論證，以選擇合適的設(shè)計方案。