譚志軍，潘明鴻

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200)

泄洪建筑物是水利水電樞紐的重要組成部分。其主要作用為泄洪、排沙、施工期導(dǎo)流及初期蓄水時(shí)向下游輸水，同時(shí)也要兼顧水電站進(jìn)水口前沖沙、排漂等作用。泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)非常重要，涉及到泄流能力、過(guò)流面空化、水流摻氣、泥沙磨蝕及對(duì)其下游河床沖刷等問(wèn)題。三峽工程在校核洪水條件下，需宣泄流量102 500 m3/s，泄洪建筑物采用了深孔與表孔相間布置的型式，重點(diǎn)研究深孔、表孔聯(lián)合泄洪時(shí)，大單寬流量的下游消能防沖水力學(xué)問(wèn)題和相應(yīng)的工程措施[1]，底孔的體型研究主要是比較弧門在壩內(nèi)的短有壓管方案和弧門在壩后的長(zhǎng)有壓管方案的可行性，經(jīng)比較選擇底孔長(zhǎng)有壓管方案[2]。向家壩校核洪水流量49 800 m3/s，是采用底流消能的高壩工程，泄洪消能設(shè)計(jì)終采用了多股多層跌坎淹沒(méi)射流型式，即把下泄的高速射流利用多股多層水平射流方式進(jìn)入消力池水體的中部，形成多個(gè)三元空間水躍和水平淹沒(méi)射流相互作用的水流形態(tài)[3]。本文以大藤峽水利樞紐工程為例，工程具有樞紐布置緊張、右岸邊坡存在順坡向軟弱夾層、泄洪流量大、泄洪時(shí)上下游水頭差不大等特點(diǎn)，泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)的水力學(xué)問(wèn)題突出且難度大，詳細(xì)分析了地形地質(zhì)條件、洪水特性、下游水位流量關(guān)系，借鑒三峽、向家壩的工程經(jīng)驗(yàn)，選擇泄洪消能建筑物型式，研究其大泄量、低弗勞德數(shù)條件下建筑物布置。泄水閘主要采用底孔泄洪，弧門總推力巨大，其弧門支撐體結(jié)構(gòu)型式的選擇也是重大的難題。

1 工程簡(jiǎn)介

大藤峽水利樞紐工程任務(wù)為防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用。水庫(kù)總庫(kù)容34.79×108m3，電站總裝機(jī)容量1 600 MW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。黔江混凝土主壩主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇，泄水閘下游消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。擋水建筑物由黔江主壩、黔江副壩、南木江副壩組成。黔江干流布置黔江主壩，其上布置擋水、泄水、發(fā)電、通航、過(guò)魚(yú)等建筑物(圖1)。黔江攔河主壩壩頂長(zhǎng)1 243.06 m，壩頂高程64.00 m，主要由泄水閘、河床式發(fā)電廠房、擋水壩段、船閘壩段及其事故門庫(kù)壩段組成[4]。

2 泄洪建筑物設(shè)計(jì)與研究

工程壩址洪水峰高量大，5 000年一遇校核洪水峰值達(dá)66 200 m3/s，1 000年一遇設(shè)計(jì)洪水峰值達(dá)54 600 m2/s，庫(kù)區(qū)淹沒(méi)控制標(biāo)準(zhǔn)20年一遇洪水洪峰達(dá)39 000 m3/s。為減少庫(kù)區(qū)淹沒(méi)損失，降低水庫(kù)淹沒(méi)投資，泄水閘規(guī)模主要受20年一遇洪水時(shí)泄洪能力控制。受地形條件限制及廠房和船閘布置影響，在滿足泄洪安全的前提下，盡量減少溢流前緣寬度，泄水閘采用了大孔口尺寸的薄壁結(jié)構(gòu)，堰頂高程與河床高程同高，選擇帶胸墻寬頂堰(即低孔)比較合適，同時(shí)可以起到排沙的作用。樞紐布置兩岸廠房，考慮排漂和方便調(diào)度等因素，在左、右岸廠房側(cè)各布置1個(gè)表孔(高孔)。故工程泄水建筑物采用高、低孔組合的布置方案，即高孔主要滿足排漂和泄洪要求，采用開(kāi)敞式實(shí)用堰；低孔主要滿足泄洪和排沙功能，堰型采用帶胸墻寬頂堰。考慮到擋水水頭、閘門承受的水推力和樞紐總泄量，經(jīng)綜合比較選擇了2個(gè)高孔和24個(gè)低孔泄水閘布置方案。為了泄洪水流條件好，將泄水閘布置在主河床偏左岸、碾壓混凝土縱向圍堰壩段兩側(cè)，共設(shè)2個(gè)高孔和24個(gè)低孔，泄水閘溢流前緣總長(zhǎng)度為436.70 m。為了降低二期土石圍堰施工難度，盡量多在縱向圍堰左側(cè)布置更多孔泄水閘，兼顧考慮縱向圍堰右側(cè)泄水閘能夠宣泄小流量洪水，具有更高的調(diào)度靈活性，故縱向圍堰右側(cè)布置1個(gè)高孔和4個(gè)低孔，共5孔，壩段長(zhǎng)93.40 m；縱向圍堰左側(cè)布置1個(gè)高孔和20個(gè)低孔，共21孔，壩段長(zhǎng)343.30 m。

2.1 泄水閘低孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄水閘低孔主要任務(wù)是泄洪與排沙，采用平底寬頂堰[5]，堰頂高程22.00 m、孔寬9 m、孔高18 m，上游設(shè)雙胸墻，胸墻最低處底高程為40.00 m，按此孔口尺寸，泄水閘低孔弧門總推力達(dá)到72 576 kN，只能選用預(yù)應(yīng)力閘墩，經(jīng)有限元分析計(jì)算主錨索拉錨系數(shù)選用2.2，單根錨索永存噸位為4 600 kN，設(shè)計(jì)噸位為5 600 kN，超張拉噸位為6 100 kN，無(wú)論單根錨索噸位還是弧門總推力均居于國(guó)內(nèi)前列。低孔預(yù)應(yīng)力閘墩的主錨索布置采用輻射式平行布置方式。主錨索在閘墩立面上呈輻射狀，共布設(shè)5層，長(zhǎng)短相間，“上二下三”的布置方式，錨束兩端分別錨固于閘墩中預(yù)留平孔及鋼梁上(圖2)。

圖1 黔江主壩平面布置示意(m)

注：除高程、水位外，其余尺寸單位為cm。

預(yù)應(yīng)力閘墩可選用錨塊式支承結(jié)構(gòu)和深梁式支承結(jié)構(gòu)，錨塊式支承結(jié)構(gòu)多為簡(jiǎn)單四邊形，結(jié)構(gòu)體型簡(jiǎn)單，受力性能好，施工較為方便，多應(yīng)用于大跨度、多孔口結(jié)構(gòu)。深梁式支承結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于高水頭泄洪孔，其孔口寬度較小、孔口閘墩為縫墩的閘室結(jié)構(gòu)中，它可以改善閘墩受力偏心狀態(tài)，提高閘室剛度，減小變形，并具有抵御高烈度地震或高速水流強(qiáng)烈振動(dòng)的良好性能[6]。結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建或在建的同類工程，大藤峽預(yù)應(yīng)力閘墩弧門支承結(jié)構(gòu)分析比較鋼梁方案與混凝土錨塊方案，由于鋼梁方案在接觸面上與閘墩混凝土是脫開(kāi)的，完全靠預(yù)應(yīng)力錨索將鋼梁與閘墩錨固在一起，不存在閘墩頸部應(yīng)力問(wèn)題，整個(gè)閘墩處于受壓狀態(tài)，只需滿足鋼梁與閘墩間張開(kāi)縫不影響第一排錨索，故弧門支撐體選用鋼梁方案。支承鋼梁選用單孔簡(jiǎn)支式箱型梁，梁體為焊接結(jié)構(gòu)，材料為Q355B，鋼梁跨度為11.4 m，梁高僅為3.8 m，鋼梁兩端通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索固定于閘墩上。經(jīng)采用三維有限元計(jì)算分析，正常蓄水位工況(右孔閘室關(guān)門，左孔閘室開(kāi)門)為控制工況，在弧門推力及錨索預(yù)應(yīng)力作用下，鋼梁結(jié)構(gòu)存在局部的擠壓應(yīng)力，分別為橫向加勁肋與錨頭相交處、橫向加勁肋及隔板人孔周邊、隔板與弧門支座相交處。大腹板下在弧門支座與閘墩之間附近部位剪應(yīng)力峰值為112.1 MPa，達(dá)容許剪應(yīng)力值的86.2%；橫向加勁肋人孔周邊及與錨頭連接處Mises應(yīng)力值較高，其峰值為176.7 MPa，達(dá)到容許應(yīng)力值的80.3%；隔板與弧門支座相交處局部Mises應(yīng)力值峰值為239.7 MPa，超出容許值的6.5%，但延伸范圍較小(圖3)。在弧門推力作用下，鋼梁與閘墩張開(kāi)縫峰值各工況最大值出現(xiàn)在邊墩邊緣，數(shù)值達(dá)到2.204 mm，第一排毛所處最大張開(kāi)縫峰值為0.864 mm，但數(shù)值較小。綜上所述，鋼梁支撐體不需要控制閘墩頸部應(yīng)力，驗(yàn)算鋼梁本身應(yīng)力滿足承載力和穩(wěn)定要求，控制鋼梁與閘墩張開(kāi)縫大小，解決了鋼梁支撐體的設(shè)計(jì)難題。

圖3 控制工況(正常蓄水位，一孔閘室關(guān)門、一孔閘室開(kāi)門)鋼梁整體Mises應(yīng)力

針對(duì)水庫(kù)水位變幅較大，汛期庫(kù)水位在47.6 m，非汛期庫(kù)水位61 m，泄水閘低孔在蓄水泄洪和騰空庫(kù)容過(guò)程中，低孔存在從堰流過(guò)渡到孔流，存在氣蝕的可能，參考三峽工程底孔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選用有壓短洞比較合適，考慮在胸墻部位設(shè)置鋼襯。通過(guò)水工斷面試驗(yàn)比較了單胸墻和雙胸墻的泄流情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了2種胸墻型式的泄流能力，對(duì)胸墻在不同水位下脈動(dòng)壓力進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)減壓試驗(yàn)研究了胸墻是否出現(xiàn)空化現(xiàn)象[7]。按照SL 319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.2壩身泄水孔體型設(shè)計(jì)[8]，對(duì)低孔雙胸墻曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)水力學(xué)試驗(yàn)及減壓試驗(yàn)驗(yàn)證，低孔采用雙胸墻方案結(jié)構(gòu)整體性，泄流能力相差不大，雙胸墻對(duì)進(jìn)閘水流有較長(zhǎng)距離的導(dǎo)流作用，水流和胸墻底緣貼合較好，解決了底緣脫空和負(fù)壓存在的問(wèn)題。

大藤峽壩址處多為那高嶺組泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖互層，考慮到地基的不均勻沉降等因素，低孔采用墩中分縫的結(jié)構(gòu)分縫型式，比較了單孔一連、兩孔一連和三孔一連的結(jié)構(gòu)型式，由于三孔一連壩段長(zhǎng)達(dá)45.6 m并且對(duì)溫控要求過(guò)高[8]，單孔一連壩段長(zhǎng)17 m，樞紐布置緊張情況下閘墩所占比例過(guò)高，故采用兩孔一聯(lián)的結(jié)構(gòu)分縫型式，邊墩厚度4.0 m，中墩厚度5.3 m，壩段長(zhǎng)31.3 m。通過(guò)FLAC3D無(wú)厚度接觸摩擦單元[9]和UDEC6.0軟件離散單元法[10]，對(duì)泄水閘壩段基巖內(nèi)的軟弱夾層及斷層邊界進(jìn)行了模擬，計(jì)算泄水閘壩基深層抗滑穩(wěn)定性，計(jì)算成果表明：當(dāng)超載系數(shù)KP=4.0時(shí)，壩基巖體內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)塑性破壞區(qū)；當(dāng)超載系數(shù)KP=8.0～9.0時(shí)，模型內(nèi)的塑性區(qū)貫通，壩基巖體發(fā)生破壞，表明通過(guò)泄水閘上、下游齒槽及較大斷層的基礎(chǔ)處理措施，部分泄水閘壩段上游齒槽加深[11]，壩基滿足深層抗滑穩(wěn)定要求。

2.2 泄水閘高孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄水閘高孔主要承擔(dān)排漂和泄洪任務(wù)，采用開(kāi)敞式實(shí)用堰，受20年一遇洪水和5 000年一遇校核洪水同時(shí)控制，堰頂高程36.00 m，堰高14 m，孔寬14 m，高孔弧門總推力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)62 000 kN，只能選用預(yù)應(yīng)力閘墩，泄水高孔弧門支承結(jié)構(gòu)采用混凝土錨塊，混凝土錨塊寬6.0 m，高7.0 m，厚6.8 m。經(jīng)有限元分析確定主錨索的永存噸位為4 600 kN，設(shè)計(jì)噸位為5 600 kN，超張拉噸位為6 100 kN。次錨索永存噸位為2 300 kN，設(shè)計(jì)噸位為2 800 kN。高孔預(yù)應(yīng)力閘墩的主錨索布置采用輻射式平行布置方式。主錨索在閘墩立面上呈輻射狀，共布設(shè)5層，長(zhǎng)短相間，“上二下三”的布置方式。在錨塊體內(nèi)沿水平方向垂直于主錨索布置次錨索，水平次錨索共布置3排，每排4根，共計(jì)12根。

經(jīng)有限元分析計(jì)算沿弧門推力方向的頸部應(yīng)力運(yùn)行期工況中頸部區(qū)域拉應(yīng)力峰值為9.31 MPa，控制工況為正常蓄水位遇地震工況，拉應(yīng)力沿弧門推力方向約為2.88 m的范圍超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；上下方向約6.4 m的范圍超過(guò)混凝土標(biāo)準(zhǔn)值；超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值厚度范圍約為0.45 m[12]，頸部應(yīng)力超標(biāo)的影響深度均控制在第一排錨索范圍以外，且超標(biāo)范圍較小，選用的主、次錨索可解決頸部應(yīng)力超標(biāo)的問(wèn)題。

溢流堰上游面坡度為3∶2，堰頂與上游面采用雙圓弧曲線銜接，堰面采用WES冪曲線[13]，曲線末端下接半徑為46 m的圓弧。高孔采用墩中分縫的結(jié)構(gòu)型式，邊墩厚4 m，閘墩長(zhǎng)67 m，壩段長(zhǎng)30.3 m。高孔設(shè)弧形工作閘門，由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，工作閘門上游設(shè)平板事故閘門，選用雙向門機(jī)操作。

注：除高程、水位外，其余尺寸單位為cm。

3 消能建筑物設(shè)計(jì)與研究

工程屬中低水頭徑流式水電站，水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，水庫(kù)調(diào)節(jié)能力較小，泄洪機(jī)率較高。壩址洪水洪峰流量大，最大單寬流量達(dá)到176 m3/(s·m)，弗勞德數(shù)(3.1～4.3)較低。選擇消能方式必須考慮如下因素：設(shè)計(jì)水頭、設(shè)計(jì)流量、河床地質(zhì)條件、泄水建筑物布置分區(qū)及運(yùn)行調(diào)度方式等。工程各個(gè)頻率洪水上、下游最大水頭差不超過(guò)18 m，不能形成挑流；另外由于河床及兩岸巖石抗沖能力差，水庫(kù)上、下游運(yùn)行水位變幅大，不易滿足形成面流和戽流的水位條件，而且下游有航運(yùn)要求，不穩(wěn)定的水流流態(tài)將直接影響船舶的航行，故挑流、面流和戽流的消能方式均不能采用，只能采用底流消能。

初設(shè)階段結(jié)合大藤峽水利樞紐水工水力學(xué)整體模型試驗(yàn)[14]，進(jìn)行了消能型式比選試驗(yàn)，比選了平底消力池方案、逆坡消力池方案、寬尾墩加消力池方案、逆坡消力池加“T”型墩方案和“工”字型差動(dòng)尾坎[15]方案，通過(guò)試驗(yàn)比較，推薦采用消力池末端設(shè)“工”字型差動(dòng)尾坎?！肮ぁ毙筒顒?dòng)尾坎的特點(diǎn)是在差動(dòng)的消力池尾坎前放置大頭墩，消能效果較好。

技施階段考慮到本工程左側(cè)部分低孔泄水閘堰頂高程低于灘地高程，汛期低水位運(yùn)行期間推移質(zhì)和施工圍堰拆除的殘留石渣過(guò)閘，可能沖擊和磨蝕消能工，高水位泄洪時(shí)消能工附近流速較高、存在空蝕的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步研究不設(shè)輔助消能工的消能布置方案。水工模型試驗(yàn)在初步設(shè)計(jì)階段方案的基礎(chǔ)上，研究取消“工”字型差動(dòng)尾坎的消力池方案。通過(guò)試驗(yàn)分析比選，若采用單級(jí)平底消力池，由于取消了輔助消能工容易產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，增加消力池尾坎高度(超過(guò)堰頂高程22.00 m)，在消力池內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)迫水躍可避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍的發(fā)生，但同時(shí)會(huì)影響泄水閘的泄流能力。單級(jí)平底消力池方案出口采用差動(dòng)尾坎消能工時(shí)，遠(yuǎn)驅(qū)水躍現(xiàn)象更加嚴(yán)重，有些工況甚至發(fā)生挑流流態(tài)。因此，若不在消力池內(nèi)設(shè)置輔助消能工，只能采用二級(jí)消力池方案。消能型式采用二級(jí)消力池，消力池總長(zhǎng)175.00 m。其中一級(jí)消力池池長(zhǎng)115.00 m，池深6.00 m，水平段長(zhǎng)度為62.65 m，末端尾坎頂高程22.00 m；二級(jí)消力池池長(zhǎng)60.00 m，池深5 m，水平段長(zhǎng)度25.00 m，末端尾坎頂高程20 m，尾坎與下游河床(高程22 m)采用1∶6斜坡相接?？紤]到右區(qū)經(jīng)常宣泄小洪水，消力池容易形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，為使消力池中形成臨界水躍流態(tài)，將尾坎高程適當(dāng)抬高，考慮到過(guò)度抬高尾坎會(huì)增加淹沒(méi)度，從而增加底流水躍躍首拍打胸墻和弧門支鉸的概率，綜合各影響因素將右區(qū)消力池相比左、中區(qū)消力池延長(zhǎng)20.00 m，消力池總長(zhǎng)為195.00 m，其中一級(jí)平底消力池長(zhǎng)115.00 m，二級(jí)消力池池長(zhǎng)為80.00 m，并且將一級(jí)消力池尾坎抬高1 m。左、中和右區(qū)消力池下游設(shè)20 m長(zhǎng)海漫，海漫采用混凝土板結(jié)構(gòu)。

泄水閘孔數(shù)多達(dá)26孔，考慮到運(yùn)行調(diào)度及汛后檢修，消力池以縱向圍堰和消力池內(nèi)隔墻為界劃分3個(gè)消能分區(qū)，分別為左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)，左區(qū)消力池對(duì)應(yīng)左岸廠房右側(cè)的1個(gè)高孔和8個(gè)低孔，中區(qū)消力池對(duì)應(yīng)臨近縱向圍堰左側(cè)的12個(gè)低孔，右區(qū)消力池對(duì)應(yīng)縱向圍堰右側(cè)的1個(gè)高孔和4個(gè)低孔。左區(qū)和中區(qū)采用混凝土擋墻分隔，擋墻頂高程為26.50 m；中區(qū)和右區(qū)利用下游縱向碾壓混凝土圍堰分隔，圍堰頂高程43.68 m。下泄流量小于5 000 m3/s的洪水開(kāi)啟右區(qū)泄水閘，下泄流量大于5 000 m3/s的洪水進(jìn)而開(kāi)啟中區(qū)泄水閘，最后開(kāi)啟左區(qū)泄水閘。

一級(jí)消力池采用抽排方案，能夠有效降低一級(jí)消力池護(hù)坦揚(yáng)壓力，在一級(jí)消力池四周設(shè)縱、橫排水廊道，廊道內(nèi)設(shè)防滲帷幕和排水幕，從而形成封閉區(qū)，將一級(jí)消力池周圍滲水通過(guò)帷幕的阻滲和帷幕后的排水孔降壓來(lái)降低消力池護(hù)坦揚(yáng)壓力。二級(jí)消力池不設(shè)抽排系統(tǒng)，護(hù)坦抗浮穩(wěn)定主要受檢修情況控制，利用錨筋樁加固消力池護(hù)坦。

4 結(jié)語(yǔ)

大藤峽水利樞紐工程泄洪消能建筑物因其泄洪規(guī)模大、運(yùn)行調(diào)度復(fù)雜、消能弗勞德數(shù)低，采用了底孔泄洪、表孔排漂的泄洪方案，研究了各種輔助消能工的不利因素，化繁為簡(jiǎn)地采用了二級(jí)消力池，利用消力池分區(qū)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的泄洪工況。泄水閘因其弧門推力巨大創(chuàng)造性地選擇了鋼梁作為支撐體，解決了錨塊方案的閘墩頸部應(yīng)力集中問(wèn)題，將鋼梁和閘墩之間的張開(kāi)度作為其設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，具有極強(qiáng)的推廣價(jià)值。泄洪消能建筑物因其設(shè)計(jì)難點(diǎn)多，對(duì)同類工程具有較好的借鑒作用。