大廣壩水利水電二期（灌區）工程戈枕樞紐消能工優化設計

曾雪艷

（中國水電顧問集團中南勘測設計研究院 長沙市 410014）

蔣買勇

（湖南水利水電職業技術學院 長沙市 410013）

1 工程概況

戈枕樞紐是大廣壩水利水電二期（灌區）工程的配水樞紐，位于海南省西部東方縣和昌江縣境內，距大廣壩水電站下游27km，距海口238.5km，是庫容1.7億m3的大廣壩水電站的反調節水電站。

樞紐主要建筑物由從右至左有：右岸非溢流混凝土重力壩、河床12孔溢流壩、河床式廠房和左岸非溢流重力壩、左岸土壩、低干渠和中干渠渠首建筑物。工程總庫容1.48億m3，總裝機82MW，為二等大（Ⅱ）型工程。溢流壩、戈枕樞紐電站廠房和灌渠的進水口等屬2級建筑物，低干渠渠首電站屬4級建筑物。

樞紐正常蓄水位48.00m，設計洪水位54.00m，校核洪水位：混凝土壩57.37m，土壩58.80m。最大壩高33m，最大水頭27m，最大下泄量41500m3/s。樞紐防洪標準及對應的下泄流量見附表。

附表 各建筑物防洪標準及相應下泄量的下游水位

2 樞紐壩址的水文特性和地形、地貌特性

樞紐所在的昌化江流域位于海南省西南部，流域總面積5070km2，屬大陸性熱帶島嶼氣候，冬季干燥少雨，夏季炎熱潮濕多雨。臺風是形成本流域暴雨的主要天氣系統，洪水特性為驟漲驟落，豐、枯水量相差極大。年最大洪水發生在5月下旬至11月份，以9月份最多，10月份次之。歷年實測最大洪峰流量為23200m3/s（2001年），實測最小洪峰流量333m3/s（1969年）。

戈枕壩址區位于戈枕峽谷出口下游2km處，屬丘陵盆地地形。枯水期河床寬約310m，基巖裸露，高程（25.80～28.70）m。左岸地勢平緩開闊，岸邊有Ⅰ級階地，階地后緣高程36m以為10°上山坡。地表為（1～2）m厚的殘坡積；山頂高程75m左右。右岸山坡被3條沖溝切割，使右壩頭山脊較為單薄，岸坡（高程28m～40m）較陡，坡度30°～40°。高程40m以上地形平緩，坡度約8°，山頂高程在75m以上。

壩址區巖層為前震旦系抱板群。巖性以黑云斜長片麻巖為主，混合巖化花崗巖及角礫狀混合巖次之。河床無強風化，弱風化帶下限深（1～2）m；左岸強風化下限深（5～13）m；右岸除F4和F10斷層交匯帶外，強風化下限深（3.5～9）m。右岸壩頭山脊弱風化巖石分布高程為51m左右。

3 樞紐泄水建筑物消能設計

根據壩址的水文特性和地質特點，將12孔泄水閘布置在裸露的河床中央，泄水建筑物右側為非溢流重力壩，左側為低水頭的樞紐廠房。根據規范要求，設計的消能建筑物應保證：遇高于消能防沖標準洪水時，允許消能建筑物出現局部破壞，但不得危及樞紐建筑物的安全或長期運行，并易于修復。遇消能防沖標準以下洪水時，應充分消能，保證樞紐建筑物和下游河道兩岸邊坡的安全。

戈枕樞紐為河谷寬闊的臨近入海口的低水頭電站，遇常遇洪水時，下游水位較低；遇超標準洪水時，下游水位高（見附表）。

按照初步設計審查同意的消能防沖洪水標準（50年一遇），其對應的最大下泄單寬流量為21000m3/s，相應的下游水位為29.80m，較下游河床面高8.8m（下游河床面高程27m）；實測最小的常遇洪水單寬流量為8800m3/s，相應的下游水位為28.2m，較下游河床面僅高1.2m；豐、枯年泄洪量相差很大，不同頻率洪水對應下游水位波動較大，形成不了穩定的面流。如采用面流消能形式，消能效果較差，泄洪時對下游河岸穩定有影響，通常盡量避免該種消能工。

本工程上、下游最大水頭差28m，最小水頭差僅16.16m，為低水頭電站。為滿足宣泄洪水要求，泄水建筑物只能采用帶閘孔的實用低堰，常遇洪水無法采用挑流和淹沒挑流消能。

顯然，適合本工程的消能型式只能是底流消能或底流和戽流相結合的消能工。

3.1 各階段審查批準的消能型式

3.1.1 1994年水利與電力上級部門批準的消能型式

分別受海南電力局和水務局的委托，中南勘測設計研究院對戈枕樞紐進行初步設計，根據水工模型試驗成果，確定的消能設施為：

采用底流消能，消力池順水流長73m，與溢流壩段同寬度，底板高程23m。消力尾坎頂高程28.80m，高于下游河床1.80m。消力池被中導墻分隔成5孔和8孔兩部分。消力池邊導墻寬3.5m，中導墻寬4m，頂部高程都為40m。海漫長17.20m，混凝土襯砌1m厚。

該方案分別獲得水利規劃設計總院和電力規劃設計總院的批準。

3.1.2 2005年、2006年可研和初設批準的的消能型式

2002年，大廣壩水利水電二期（灌區）工程重新開展項目建議書編制工作，中南院于2005年開始參與該項目戈枕樞紐的設計工作。

根據水力計算結果，消能效率最高的是底流消能，其次為底流和戽流相結合的消能工。

如全部采用底流消能，肯定滿足下游消能要求，但其消能工的工程量比戽流消能或底流和戽流相結合的消能方式要大；如全部采用戽流消能，大頻率下泄小流量時其下游水位較淺，形成不了戽流，會淘刷壩腳基礎而造成建筑物失穩；根據水力學計算成果，類比國內其它工程實例（江西修水抱子石水電站，貴州掛治水電站），初步設計階段確定該工程的消能型式為：6孔底流和6孔戽流相結合的消能方式，小于10年一遇的常遇洪水采用底流消能，大于10年以上的洪水采用底流和戽流相結合的消能方式。

根據泄水建筑物布置推薦方案，分別進行了泄水建筑物斷面模型和整體水工模型試驗研究，試驗結果顯示：泄水建筑物的泄流能力滿足泄洪要求。

渲泄各種頻率的洪水時，消力池內均能形成較完整的水躍流態，淹沒系數較高，但消力池內流速衰減較慢，出池流速仍較大，消力池內消能效果欠佳。因消力池水位與下游河道水位落差較大，在消力池出口附近形成臥軸漩滾，發生二次水躍，在下游河道又形成較大的沖坑，最大沖坑深度7.84m，沖坑最低點至護坦未端的水平距離為2.6倍沖坑深，比重力壩設計規范規定值2.5大，沖坑不會危及主體建筑物的安全；整個消力池出池水流分布均勻，對電站廠房尾水影響不大。

渲泄洪水頻率大于P=10%洪水時，需開啟溢洪道右側6孔閘門利用消力戽消能。試驗顯示：此時均勻局開右側6孔時，分別區別出現挑流、臨界戽流；大于P=2%洪水時，右側6孔全開，過壩水流平射出流，與下游水面直接呈水躍銜接。由于戽坎出流水舌下潛，對戽坎后河床基礎帶來不利影響，但不會危及主體建筑物的安全。

各種設計工況下，下泄水流主流位于河道中部，基本順應河勢，主流區河段表面波浪較大且表面流速大于底部，兩岸邊為回流區，流速較小，由于下游河道無重要建筑物，且左、右岸抗沖流速達到5m/s，因此下泄水流不會對兩岸造成大的危害。

根據初步設計階段水工整體模型試驗成果，最終確定的消力池池長 66m，寬122m，池深6.50m，底板高程29.429m，消力池護坦厚1.20m。尾坎為連續式，坎頂高程29m。池底設縱橫向排水溝，護坦用深6m的錨筋錨固于地基。消力坎后設厚1m、長18.50m混凝土海漫。6孔消力戽戽唇高度29.429m，戽底高程26.5m，反弧半徑為10m，挑角為45°。消力戽后接1m厚15m長的混凝土海漫。

消力池和消力戽間設中隔導墻，水工模型確定：導墻頂高程最低需 41m，滿足10年一遇以下洪水不翻越中隔導墻。穩定、應力計算確定：擋墻墻頂寬4.0m，為鋼筋混凝土衡重式擋墻。

初步設計審查，對該消能方案的審批意見如下：

（1）同意戈枕樞紐工程為Ⅱ等工程，主要樞紐建筑物工程等級為2級，次要建筑物為3級。主要建筑物設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為：混凝土壩為1000年一遇，土石壩為2000年一遇。消能防沖建筑物洪水標準為50年一遇。

（2）基本同意推薦的戈枕樞紐總體布置方案和主要建筑物結構布置。基本同意泄水建筑物結構結構形式和結構布置，同意采用底流和戽流相結合的消能方式。考慮本工程主汛期洪量集中，泄洪單寬流量大，能量集中，下階段應結合泄洪調度運用要求和水工模型試驗分析，優化消能建筑物設計。

3.1.3 施工階段、優化設計后確定的消能型式

根據初步設計報告審查意見，中南院水工設計人員和水工模型試驗研究人員在進一步優化消能工的工作過程中，首先根據設計經驗，采用三維數值分析法模擬數種典型的消能工型式，分析其消能效果。從中選取消能效果好的方案進行水工整體模型試驗研究。

多方案理論分析過程中發現：右6孔短護坦底流消能方案消能效果較初步設計推薦的戽面流消能方式要好，且基本不受下游水位起伏的影響，但其對河床基巖要求較高。故選中該方案，進行整體模型試驗。

試驗結果顯示：該方案消能效果較好，挑距較遠，沖坑深度正常，不影響樞紐建筑物的安全。考慮戈枕樞紐河床為裸露的微風化黑云斜長片麻巖，抗沖流速高達8m/s。同時，本工程樞紐距入海口僅42km，下游河道兩岸無重要城鎮和工礦企業且河道左右岸為強風化巖層，抗沖流速達5m/s。在這種有利的地形、地質條件下，只要確保主體樞紐建筑物安全，不危及兩岸岸坡穩定，改戽面流消能方案為短護坦底流方案完全可行有效。因短護坦底流消能方案其原理是利用短護坦保護泄水建筑物壩腳，將下泄水流平推過護坦，利用較好的河床巖石條件，將下游河床基巖受水力作用形成的穩定沖坑作為自然消能的消力池消能，其消能效果同于人工消力池。故在右6孔短護坦底流消能方案試驗成果的基礎上，設計提出將左6孔消力池也全部改短護坦底流消能，并進行水工整體模型試驗。

試驗顯示：各洪水頻率下，不同閘門開啟運行時，鼻坎出流平順，水舌落點在護坦上，護坦末端最大流速值20.03m/s，水流在下游河道形成遠趨水躍和波狀水躍的流態，表面漩滾位于0+081.000～0+131.000的范圍內。主流居于河道中央，下游河道高流速水體集中于水流表面，底部流速小于河床抗沖流速8m/s。最大沖坑深度8.17m，沖坑至壩趾水平距離為沖坑深度的6倍，大于重力壩設計規范值2.5。

適當延長廠壩導墻和增加右導墻可消除護坦上回流，減少回流對護坦末端淘刷。同時要求，先開啟邊孔，再啟動其它閘門，阻斷回流。

總之，優化后的短護坦方案滿足消能防沖要求。

根據優化試驗成果，施工圖采用的最終消能措施為：溢流低堰后接長25m厚2m的護坦，護坦前后設3m深、2m寬的齒槽。護坦下設Φ28、間排距2.5m的錨桿，錨桿長6m，入巖深度3.5m。護坦后設兩排鋼筋樁，鋼筋樁由3根Φ28鋼筋及一根外徑Φ25的注漿管組成，間排距2.5 m，，入巖深度5m，同護坦上部鋼筋焊接。

3.2 優化后的消能型式實際運行效果

戈枕樞紐2007年2月開工，2008年4月22日工程截流成功，順利從一期導流轉為二期導流；2009年8月22日，工程下閘蓄水、首臺機組并網發電；2009年12月28日，工程全部機組并網發電。

正式下閘蓄水前兩個月，戈枕樞紐已具備下閘蓄水條件，并進行了初期蓄水。期間，歷經兩次規模較大的泄洪，消能護坦運行情況良好。

3.3 消能型式優化產生的經濟效益和社會效益

優化后的消能方案，直接節省混凝土1.5萬m3，鋼筋471t，開挖方4.1萬m3，相對概算節省近1000萬元。同時因工程量減少，施工難度降低，相對加快了施工進度，縮短了施工工期，為整個工程提前9個月下閘蓄水和發電提供了有利條件，間接增加了發電效益。為徹底解決灌區中4.33萬hm2（65萬畝）農田的灌溉問題和東方、叉河工業園的供水問題，改變灌區少數民族地區貧窮落后面貌奠定了堅實的基礎，社會效益巨大。

4 優化設計后的思考

戈枕樞紐消能工的優化設計，充分反映了設計工作者實事求是、精益求精、勇于開拓創新的精神風貌。水利工程因區域地質、水文條件及地形條件的變化，呈現千差萬別的特性，設計者應透過這些現象，根據工程的特性，通過試驗和計算等方法，尋求最適合本工程的設計方案。