漆祖芳　李蘅　徐唐錦　翁永紅

摘要：烏東德水電站建設(shè)之前，國(guó)內(nèi)外高拱壩一般采用壩身設(shè)置底孔解決下閘蓄水期生態(tài)泄水問題，但壩身設(shè)置底孔將使壩體結(jié)構(gòu)和受力變得復(fù)雜，且占用大壩澆筑直線工期，投資大、經(jīng)濟(jì)性差，部分工程設(shè)置底孔仍存在壩址斷流、下游脫流等問題。針對(duì)壩身設(shè)置底孔解決下閘蓄水期生態(tài)泄水問題存在的上述不足，依托烏東德水電站工程，采用工程調(diào)研、水力學(xué)計(jì)算和水工模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，通過4個(gè)實(shí)體模型、19種方案、157組試驗(yàn)，研究形成了200～300 m級(jí)特高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)體系，使烏東德高拱壩成為中國(guó)年均流量大于150 m3/s的大江大河上已建壩高超過150 m的16座高拱壩中，唯一一座壩身不設(shè)底孔的高拱壩，電站初期蓄水期連續(xù)生態(tài)泄水流量達(dá)到400～1 587 m3/s，實(shí)現(xiàn)了初期蓄水期向下游連續(xù)大流量供水。相關(guān)技術(shù)可為類似工程施工導(dǎo)流方案的擬定提供新的解決思路，具有較強(qiáng)的參考應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：

高拱壩; 生態(tài)泄水; 不設(shè)底孔導(dǎo)流; 烏東德水電站

中圖法分類號(hào)： TV315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.025

0引 言

水電是綠色能源，20世紀(jì)90年代以來(lái)，以二灘水電站等高拱壩建成為標(biāo)志，中國(guó)水利水電建設(shè)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的突破;21世紀(jì)以來(lái)，以三峽、南水北調(diào)工程的投入運(yùn)行為標(biāo)志，進(jìn)入自主創(chuàng)新引領(lǐng)世界水電發(fā)展階段，建設(shè)技術(shù)不斷刷新世界紀(jì)錄。在堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念指引下，中國(guó)在水利水電工程建設(shè)過程中更加關(guān)注工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

高拱壩施工一般采用圍堰一次攔斷河床、岸邊導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方案。導(dǎo)流隧洞下閘時(shí)庫(kù)水位未達(dá)到壩身過流孔之前無(wú)過流通道，這將導(dǎo)致下游河段減水嚴(yán)重甚至斷流，對(duì)壩下河段水生態(tài)將產(chǎn)生不利影響。目前國(guó)內(nèi)外高拱壩一般采用壩身設(shè)置底孔的方案解決上述問題，如目前國(guó)外最高的格魯吉亞英古里拱壩[1-2]（壩址年均流量155 m3/s，最大壩高271.5 m），壩身設(shè)置3個(gè)底孔;烏東德工程建成前后，壩址年均流量大于150 m3/s、壩高超過150 m的已建15座中國(guó)高拱壩中，均采用壩身設(shè)置底孔方案，如表1所列。

已建高拱壩工程實(shí)踐表明：采用壩身設(shè)置底孔的方案將使壩體結(jié)構(gòu)和受力變得更為復(fù)雜，同時(shí)設(shè)置壩身底孔存在占用大壩澆筑直線工期、投資大、壩身底孔泄放流量小等問題，底孔布置高程高于導(dǎo)流隧洞下閘水位時(shí)，仍存在壩址斷流、下游脫流等問題。為此，采用更加安全可靠的方式保障高拱壩初期蓄水期向下游連續(xù)大流量供水，對(duì)提高高拱壩建設(shè)安全，維護(hù)河流水生態(tài)十分重要。

1工程概況

金沙江烏東德水電站是實(shí)施“西電東送”的國(guó)家重大工程，是黨的十八大以來(lái)開工建設(shè)投產(chǎn)的千萬(wàn)千瓦級(jí)世界級(jí)巨型水電工程。壩址位于云南省昆明市祿勸縣和四川省涼山州會(huì)東縣交界的金沙江上。電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

電站樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m，正常蓄水位975.0 m，總庫(kù)容74.08億m3;引水發(fā)電系統(tǒng)采用地下廠房布置，左、右兩岸各布置6臺(tái)單機(jī)容量850 MW的水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量10 200 MW。烏東德水電站總體布置如圖1所示。

2施工導(dǎo)流程序

烏東德水電站施工期導(dǎo)流[18-20]采用河床一次斷流、上下游全年土石圍堰擋水、左右岸隧洞泄流的方案。導(dǎo)流隧洞[21-24]采用“左二右三、四大一小、四低一高”的布置格局，其中左岸1號(hào)和2號(hào)、右岸3號(hào)和4號(hào)導(dǎo)流隧洞為大低洞，過流斷面尺寸為16.5 m×24.0 m，右岸5號(hào)導(dǎo)流隧洞為小高洞，過流斷面尺寸為12.0 m×16.0 m。初期導(dǎo)流采用上下游土石圍堰擋水，1～5號(hào)導(dǎo)流隧洞過流度汛;中期導(dǎo)流采用壩體臨時(shí)斷面擋水，1～4號(hào)導(dǎo)流隧洞過流度汛;后期導(dǎo)流采用壩體臨時(shí)斷面擋水，永久泄水建筑物泄流度汛，烏東德水電站施工導(dǎo)流程序如表2所列。

3200～300 m級(jí)高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)

3.1200 m級(jí)高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)

針對(duì)已有高拱壩設(shè)計(jì)時(shí)在壩身設(shè)置底孔帶來(lái)的諸多問題，提出了取消壩身底孔的高拱壩設(shè)計(jì)新理念。依托烏東德水電站工程，提出導(dǎo)流隧洞改建為弧形閘門控制的生態(tài)放水洞的200 m級(jí)高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)，解決了現(xiàn)有導(dǎo)流隧洞直接作為放水洞，導(dǎo)致下閘期水流銜接壩身永久泄洪孔水頭大及隧洞平面閘門高水頭動(dòng)水閉門超出現(xiàn)有技術(shù)水平等難題。具體包括：提出將導(dǎo)流隧洞“一洞改高洞、高洞改小洞、平門改弧門”（見圖2），通過改建放水洞銜接200 m級(jí)高拱壩壩身永久泄洪孔泄流，優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)，降低下閘風(fēng)險(xiǎn);簡(jiǎn)化施工期水流控制程序，創(chuàng)新高拱壩初期蓄水向下游放水途徑，為壩身不設(shè)底孔及下閘期生態(tài)流量保障提供技術(shù)解決方案;提出改建生態(tài)放水洞的弧形閘門閘室結(jié)構(gòu)及布置方法，建立了改建生態(tài)放水洞以改建堵頭、泄水孔、洞內(nèi)弧門閘室等布置結(jié)構(gòu)體系，并提出了相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，拓展了導(dǎo)流隧洞改建形式。

3.2300 m級(jí)高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)

依托烏東德水電站工程，在導(dǎo)流隧洞改建為弧形閘門控制的生態(tài)放水洞基礎(chǔ)上，采用理論分析，數(shù)值仿真，1∶25局部、1∶60單體和1∶100整體3座實(shí)體模型開展了大量科研試驗(yàn)，探明了300 m級(jí)特高拱壩在超百米水頭運(yùn)行條件下，改建生態(tài)放水洞存在的高速水流帶來(lái)的洞內(nèi)負(fù)壓、氣囊、弧門振動(dòng)等流態(tài)及運(yùn)行安全問題，提出了改建生態(tài)放水洞“洞塞減流速、控泄降負(fù)壓、補(bǔ)氣消氣囊”的高速水流安全控制技術(shù)（見圖3），解決了高速水流在洞內(nèi)短距離消減流速和調(diào)整流態(tài)的難題?！岸慈麥p流速”利用內(nèi)消能理論設(shè)置兩級(jí)洞塞在短距離內(nèi)大幅消減流速，模型試驗(yàn)和數(shù)值分析表明，洞內(nèi)流速由31.5 m/s減到20.2 m/s，實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)消能率達(dá)56%，解決了洞內(nèi)高速水流沖刷、高速水流過彎、出口高速水流破壞等問題;“控泄降負(fù)壓”采用弧門控泄，消除改建堵頭段進(jìn)口處負(fù)壓，避免了空化空蝕;“補(bǔ)氣消氣囊”通過補(bǔ)氣方法消除隧洞頂部氣囊。高速水流安全控制技術(shù)保障生態(tài)放水洞安全運(yùn)行，將改建生態(tài)放水洞的適用水頭進(jìn)一步提高，解決了300 m特高拱壩不設(shè)底孔和生態(tài)流量保障技術(shù)難題，形成了300 m級(jí)高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)。

4烏東德水電站運(yùn)行實(shí)踐

烏東德水電站采用200～300 m級(jí)高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)，將5號(hào)導(dǎo)流隧洞改建為“弧門控制+洞塞消能”的生態(tài)放水洞，實(shí)現(xiàn)了烏東德高拱壩下部162 m范圍無(wú)孔洞（見圖4），明顯簡(jiǎn)化了烏東德高拱壩施工程序，縮短了高拱壩施工工期，創(chuàng)新了高拱壩施工導(dǎo)流程序，明顯緩解了大壩一線施工工期壓力，取消了導(dǎo)流底孔過流度汛期移民，將烏東德水電站初期蓄水期移民優(yōu)化為最后一個(gè)枯水期晚移民，明顯降低了移民搬遷進(jìn)度和管理壓力。

2020年1月15～20日最后一批2號(hào)、5號(hào)導(dǎo)流隧洞下閘期，日均下泄流量400～1 587 m3/s，瞬時(shí)最小流量達(dá)到238 m3/s，下閘全過程完全滿足環(huán)評(píng)批復(fù)意見“確保下游不出現(xiàn)斷流”的要求，實(shí)現(xiàn)了壩址斷面大流量連續(xù)泄放生態(tài)流量，生態(tài)流量下泄過程優(yōu)于環(huán)評(píng)批復(fù)意見要求。在尾水下游900 m水廠控制斷面，下閘期日均水位814.2～817.3 m，對(duì)應(yīng)水深18.2～21.3 m，日均水位較天然水位下降幅度僅為3%～17%，尾水下游樞紐區(qū)生活生產(chǎn)水廠取水正常，保證了導(dǎo)流隧洞下閘期樞紐工程正常生活生產(chǎn)用水，如圖5～6所示。

5結(jié) 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)高拱壩采用壩身設(shè)置導(dǎo)流底孔解決初期蓄水期下游供水問題存在的系列不足，依托烏東德水電站工程，采用工程調(diào)研、水力學(xué)計(jì)算和水工模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，通過4個(gè)實(shí)體模型、19種方案、157組試驗(yàn)，研究形成了200～300 m級(jí)特高拱壩壩身不設(shè)底孔導(dǎo)流技術(shù)體系，并在烏東德水電站成功應(yīng)用，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工程施工導(dǎo)流方案的擬定提供新的解決思路?？傮w而言，本文取得了如下結(jié)論。

（1） 簡(jiǎn)化了高拱壩施工程序，節(jié)省了工程投資。烏東德水電站采用此技術(shù)取消壩身底孔后，壩身孔洞減少1層，烏東德大壩下部162 m無(wú)孔洞，大壩施工程序明顯簡(jiǎn)化，縮短大壩澆筑直線工期65 d，節(jié)省導(dǎo)流底孔工程投資6 600余萬(wàn)元。

（2） 創(chuàng)新了高拱壩施工導(dǎo)流程序，工期和社會(huì)效益明顯。導(dǎo)流隧洞群在最后一個(gè)枯水期晚下閘，基坑推遲1 a進(jìn)水，增加壩后水墊塘、二道壩施工期1 a;蓄水期移民優(yōu)化為一期一次移民，取消了導(dǎo)流底孔過流期1 873人移民（搬遷時(shí)間推遲1 a），全庫(kù)區(qū)移民27 978人搬遷完成時(shí)間推遲2個(gè)月，降低了移民搬遷進(jìn)度和管理壓力。

（3） 擴(kuò)展了導(dǎo)流隧洞改建形式，提高了下閘安全，實(shí)現(xiàn)了初期蓄水期向下游連續(xù)大流量生態(tài)泄水。烏東德水電站采用先弧門動(dòng)水下閘、后平板門靜水下閘，提高了導(dǎo)流隧洞下閘安全性;下閘期實(shí)現(xiàn)大流量連續(xù)泄放生態(tài)流量，最后一批導(dǎo)流隧洞下閘期，日均向下游連續(xù)泄放生態(tài)流量400～1 587 m3/s，尾水下游900 m水廠生產(chǎn)生活用水在下閘期正常取水不影響，結(jié)構(gòu)安全和生態(tài)效益顯著。

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（編輯：胡旭東）