英布魯水電站樞紐泄水建筑物設計

王景濤 龐書聰 柴玉梅 李東昱

1 泄水建筑物設計條件

1.1 徑流與洪水特征

英布魯水電站樞紐位于剛果共和國境內剛果河支流萊菲尼河下游,距剛果河匯合口14 km。流域植被茂密,泥沙極少；河道徑流來源于降雨,壩址的多年平均流量為484 m3/s；洪水流量年內較為均勻,洪水變幅不大,1 000年一遇洪峰流量為962 m3/s,10 000年一遇的洪峰流量為1 070 m3/s。

1.2 工程地質條件

泄水壩段位于原河道右岸灘地上,距主河槽約150 m。壩基地層為巨厚的陸相沉積物,自下而上分別為白堊系 (K)、第三系 (E、N)和第四系(Q)地層。白堊系地層由中厚層 (第2層)、薄層膠結不良的軟弱砂巖 (第 1、3層)組成,成巖作用差,巖石孔隙發育,透水性強；第三系及第四系松散堆積物以砂壤土為主。工程區域地震烈度小于6度。

第1、3層薄層軟弱砂巖 (K2i-l/K2i-3)膠結差,力學強度低,因此壩基坐落于中厚層軟弱砂巖頂部。

1.3 泄水建筑物運用要求

(1)在正常運行條件下的任何泄洪工況,均假定只有1臺機組運行參加泄洪,其余洪水應全部由泄水建筑物宣泄。

(2)根據施工導流方案,在土壩施工時,泄水建筑物作為二期導流建筑物,應滿足導流要求,宣泄施工期20年一遇洪水,洪峰流量為750 m3/s。

(3)庫區大部分為森林覆蓋,根據庫區清理的要求,只對庫區的部分森林進行砍伐；砍伐后殘留的樹枝樹干,在蓄水后由泄水閘表孔排走。

(4)萊菲尼河雖為清水河,但建庫后仍可能有少量泥沙淤積在廠房前,應有可靠的泄水底孔排泄淤積物。

(5)考慮到戰爭因素,水庫有放空要求。泄水建筑物應滿足水庫放空要求,以便必要時對擋水建筑物進行檢修。

2 泄水建筑物設計標準

根據2001年中方與剛方簽訂合同的 《技術報告》規定,英布魯水電樞紐工程水庫總庫容為10×108m3,電站裝機容量為120 MW,按照中華人民共和國水利部SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》中的有關規定,確定工程等別為一等,大 (Ⅰ)型規模。永久性主要建筑物按1級建筑物設計,次要建筑物按3級建筑物設計。

初設階段進行了庫區地形測量,按照實測的1∶10 000地形圖進行核定,水庫實際庫容僅為5.84×108m3。考慮到庫容的減少并不降低該工程的作用和調節性能,因此,本階段未按中國規范的規定——按照庫容的減少降低樞紐等別及主要建筑物的級別和洪水標準。

綜上所述,泄水建筑物為1級建筑物,設計洪水標準為1 000年一遇,相應洪峰流量為962 m3/s；校核洪水標準為10 000年一遇 (考慮擴大20%),相應洪峰流量為1 280 m3/s。

3 泄水建筑物的布置與設計

3.1 泄水建筑物布置

泄水建筑物采用水閘形式,泄水閘左鄰土壩,右接河床電站。由鋪蓋、閘室、消力池、海漫、防沖槽等部分組成,總長201.39 m。泄水閘左側上、下游以半重力式翼墻與土壩連接,右側為電站廠房,閘室右側下游以導墻與廠房尾水渠隔開。

泄水閘高32.5 m,閘室段上、下游方向長35.5 m,沿壩軸線方向頂寬37 m,底寬47.5 m。泄水閘分為2個U形閘室,左閘室由左底孔和邊墻組成,頂寬12 m,底寬25.5 m,設1個7 m×7 m(寬×高)的底孔。右閘室由表孔和右底孔組成,閘室寬為25m,布置1個表孔和1個底孔,表孔孔口寬10 m,底孔孔口尺寸為7 m×7 m(寬×高)。左右2個泄水閘壩段之間縫墩寬分別為2.5 m和2.0 m。泄水閘與土壩之間采用插入式連接,在壩軸線上游3 m處沿翼墻背坡設置1道混凝土刺墻,以延長接觸滲徑。刺墻沿壩軸線方向長5.5 m,頂寬1.5 m,左側坡度為1∶0.27。

3.2 泄水建筑物體形設計

3.2.1 底孔體形設計

底孔采用胸墻擋水,孔口尺寸為7 m×7 m,進口底板高程為284.00 m。在壩軸線上游3.5 m、高程291.00m以上為厚2.5 m的胸墻,其底緣為曲線型,線型曲線為 (x-17.5)2/17.52+y2/3.52=1,曲線后接1∶3.005斜線。胸墻前設7 m×9.505 m(寬×高)的事故檢修閘門,胸墻后為7 m×7 m的弧形工作閘門,閘室下游設7 m×8.7 m(寬×高)的檢修閘門。

3.2.2 表孔體形設計

表孔為WES實用堰,孔口寬10 m,堰頂高程為301.70 m。溢流堰前沿與閘墩前沿齊平,堰面沿水流方向由進口圓弧段、堰頂水平段、堰面曲線段、1∶0.7斜坡連接段、半徑為13m的圓弧反弧段和1∶4的斜坡段組成。堰頂設10 m×7.3 m的平板檢修閘門和10 m×7.45 m的弧形工作閘門,閘室下游設10 m×8.7 m(寬×高)的檢修閘門。為便于施工后期導流底孔封堵及運行期間的檢修,表孔與底孔下游均設置檢修門槽,在必要時利用檢修門對閘室進行檢修。

底孔和表孔上游均設事故檢修門槽,檢修門由壩頂2×630 kN的雙向門機啟閉。底孔工作弧門采用固定卷揚啟閉機啟閉,其操作平臺高程為306.80 m,表孔工作弧門采用液壓啟閉機啟閉,其油泵房布置在縫墩上,高程為309.50 m。油泵房設有樓梯與下游檢修門高程308.50 m的操作平臺相通。底孔及表孔下游檢修閘門由設在高程308.50 m,容量為2×250 kN的臺車啟閉機操作,在操作平臺設有臺車停放間,并在高程296.50 m設置檢修平臺。

3.2.3 泄水建筑物細部設計

3.2.3.1 清污排漂設計

本工程庫區兩岸植被茂密,水庫蓄水后,將有樹枝和樹干等污物漂至壩前。為保護電站進水口,在進水口設主、副攔污柵2道。當來污量較少時,利用壩頂清污機清污,污物由清污抓斗裝入設置于壩頂的清污小車,沿軌道送至泄水閘上游,通過表孔排至樞紐下游。為配合電站的清污運行,考慮經常性的水庫表面排漂的需要和節約水能,在弧形工作閘門上部設置舌瓣門,在電站清污時只開啟舌瓣門即可。

3.2.3.2 泄水建筑物防空蝕設計

英布魯泄水建筑物底孔閘前靜水頭為24.5 m,表孔溢流堰頂與下游檢修閘門處高差達17.98 m,底孔胸墻下緣、表孔溢流堰頂部和下游檢修門槽下游側屬高速水流區,須進行防空蝕設計。

經計算,底孔段,閘前胸墻內埋設2根 Φ250 mm鋼管以摻氣減蝕。

表孔溢流堰頂部水流空化數小于初生空化數,不會產生空蝕。

底孔及表孔下游檢修門槽,在門槽寬深比滿足規范要求的前提下,二期混凝土下游臨水側埋設工字鋼,以策安全。

3.3 消能防沖建筑物設計

根據消能防沖計算結果,消力池段長72 m,凈寬24m,由1∶4的斜坡段、平底段組成,平底段末段設端檻。

消力池斜坡段長16 m,起點高程283.00 m,與閘室出口1∶4斜坡銜接。為改善出閘后下游水流流態,在表孔與底孔出口之間設中導墻,下延至消力池斜坡段末端。

消力池平底段長54 m,池底高程279.00 m,共分3段,底板厚度分別為2.5,1.7,1.2 m。端檻寬2 m,高2 m,與平底段底板連在一起。

消力池下游設厚為0.5 m的鋼筋混凝土海漫,以削減泄水的余能。海漫長38 m,平面呈擴散形,底寬由29 m漸變至32.8m。海漫右側為縱向導墻,與電站尾水渠隔開。

為保護基礎軟砂巖,于海漫末端設深4 m、底寬5 m的防沖槽；其底高程為277.00 m,并以1∶1.5坡度與底高程為286.00 m的下游尾水渠相接。防沖槽內拋填塊石以保護基礎,防止水流溯源沖刷,危及海漫安全。防沖槽左側與下游縱向圍堰連接,其邊坡為1∶2.5,并采用鋼筋混凝土護砌。

3.4 泄水閘防滲排水設計及修改

泄水閘閘基為白堊系軟砂巖,巖體透水性強。閘室底板以上設計水頭為24.5 m,閘室長度35.5 m,考慮延長閘室滲徑和滲透穩定的要求,閘室上游設厚0.5 m的鋼筋混凝土鋪蓋,鋪蓋頂高程為284.00 m,上、下游方向長41.89 m,其兩側分別同上游翼墻及電站鋪蓋相接,在接頭處及澆筑塊之間均設1道橡膠止水帶及1道銅止水片。

為降低揚壓力,確保閘室抗滑及消力池抗浮穩定,初設和招標設計階段,消力池基礎排水采用排水褥墊與排水管相結合,在消力池底板下設兩層反濾層,粒徑分別為0.15～5 mm及5～40 mm,厚度均為40 cm。沿整個消力池底板設孔徑為10 cm的排水孔,縱、橫向間距均為1.5 m。

施工圖設計階段,咨詢公司指出消力池底設置排水孔,高速水流下泄時排水孔部位混凝土存在空蝕問題,建議改為U形排水管,消力池底排水褥墊內埋設部分為打孔花管,在兩側翼墻 (導墻)287.62 m高程設出水口,間距2.5 m,共24排。

施工過程中,發現U形排水管管路堵塞,無法排水；為保證閘室抗滑和消力池抗浮穩定,按初步設計方案,在消力池底板上補打排水孔,修復基礎排水功能。

4 泄水建筑物水力設計與模型試驗

根據泄水建筑物布置形式,分別對底孔和表孔進行水力計算,主要計算內容包括:泄流能力計算和消能防沖計算。

4.1 泄水建筑物的泄流能力計算及泄洪安全性評價

泄水閘底孔泄流為帶胸墻的平底閘孔出流,表孔采用WES實用堰。分別采用對應的水力學公式進行泄流能力計算。

為了驗證泄水建筑物的過水能力、水流流態和消力池的消能效果,進行了表底孔斷面模型試驗和水力學整體模型試驗。

在正常蓄水位308.50 m時,相應不同開度,表、底孔泄流能力計算值和水力學試驗成果對照見表1、2。

表1 表孔閘門開度與泄量關系表

表2 底孔閘門開度與泄量關系表

由表1、2可見,計算值與試驗值兩者基本接近。

應剛果方業主和咨詢公司的要求,本工程進行了樞紐泄洪能力及泄洪安全性評價。

根據泄水閘過流能力計算和水工模型試驗成果,在正常蓄水位308.50 m時,表孔泄量為330 m3/s,底孔泄量為1 560 m3/s,總泄量達到1 890 m3/s,滿足樞紐的泄流能力需要 (校核洪水流量加大20%時為1 280 m3/s,設計洪水流量為962 m3/s)。由于泄流底孔的泄流能力受施工導流控制,需要與另一個施工臨時導流底孔共同承擔導流任務,所以,泄水閘的泄流能力有較大的余量。

根據水電工程的一般要求,泄水建筑物在每年汛期來臨前,都應對表孔和底孔進行檢修和試運行,以保證泄水閘在汛期能正常運用,因此,在正常情況下,泄水閘泄洪運行是可靠的。當遇到泄水建筑物在運行期出現故障,假定1個表孔或1個底孔不能正常運用時,樞紐過流建筑物的過流安全性評價如下:

(1)若表孔出現問題,采用2個底孔進行泄洪,最大泄流能力可達1 560 m3/s,完全可以滿足樞紐的泄洪要求。

(2)若1個底孔出現問題,表孔閘門全開泄洪時,最大泄流能力為330 m3/s,再考慮開啟另外1個底孔,底孔最大泄流能力為780 m3/s,表孔和1個底孔的泄流總量為1 110 m3/s,滿足10 000年一遇洪峰流量1 070 m3/s的泄洪需要。

(3)若1個底孔出現問題,水庫發生超標洪水,即10 000年一遇洪水加大20%,洪峰流量達到1 280 m3/s時,這雖然是一種極偶然的情況,但在這種情況下只要開啟1臺機組發電,就可滿足樞紐保壩泄洪的需要。

綜上所述,本工程即使在1孔主要泄水孔出現故障,又遇超標洪水的極端不利情況,樞紐的其它過流建筑物的過流能力仍能保證洪水順利下泄,因此,樞紐的泄水孔口和泄流能力的確定是合理的,可以保證樞紐安全泄洪。

4.2 泄水建筑物放空計算

本工程水庫有放空要求,因此泄水建筑物應具備降低庫水位的能力,以便必要時對擋水建筑物進行檢修。放空后的壩前庫水位由泄水建筑物的泄流能力與來水流量確定。

水庫需要放空時,開啟表孔和底孔同時泄水,不考慮電站運行。在庫水位較高時,表孔為敞泄,底孔為孔口出流,從泄流計算結果可知,此時表孔和底孔的總泄量遠遠大于多年平均來水流量484 m3/s,水庫水位迅速下降；當水位低于表孔堰頂高程時,表孔退出工作,僅由2孔底孔進行放空運行；當庫水位下降至底孔頂緣時,底孔泄流為淹沒寬頂堰流,只要底孔泄量大于水庫來水量,庫水位仍可繼續下降,直至來水量與泄水能力達到平衡為止。

經計算,當考慮上游來水流量為多年平均流量484 m3/s時,水庫最低降水水位為293.50 m。

4.3 消能防沖計算

4.3.1 計算工況及結果

根據泄水閘的布置和運用要求,本工程消能防沖計算考慮以下4種工況。從偏于安全考慮,假設泄洪過程中只有1臺機組參與泄洪,各種計算工況條件見表3。

采用規范規定的消能防沖計算公式,對各工況進行消能計算。

表3 消能水力計算工況表 m3/s

由計算結果可知,底孔消力池計算最大池深為6.51 m,池長為59.06 m；表孔消力池計算最大池深為3.02 m,池長為45.69 m。

4.3.2 水工模型試驗成果

從水工模型試驗看,由于泄水閘表孔和底孔共用一個消力池,正常情況②由于表孔關閉,兩側底孔出流向表孔擴散,使表孔消力池水體也產生旋滾與底孔水躍摻混,因此,淹沒度較大,躍首進入閘室。泄流時有較大的水躍淹沒度,有利于減少下游側墻前后及底板上下的水壓差,試驗成果顯示消力池底高程確定為279.00 m是合適的。

考慮到各種泄量下躍尾位置上、下擺動較大,同時躍尾橫斷面上水深及流速分布亦不均勻,從偏安全考慮,消力池長度宜較計算值有所加大。從試驗流速分布成果分析,消力池末端流速分布為底大面小,計算情況②、④最大底流速尚有8～9 m/s,在海漫末端流速分布已趨均勻；因此,設置40 m長海漫段消能是必要的,綜合設計計算和試驗成果分析,確定消力池深取7 m,(消力池底高程279.00m),池長取70 m。

5 結 語

英布魯水電樞紐工程為國際工程,在設計標準選擇,泄水建筑物運行要求等方面與國內工程不同。作為巖基水閘,結合工程自身特點,采用兩底孔加一表孔、表孔段下設臨時導流底孔的布置方式,結構緊湊、運用靈活方便。工程已于2010年8月開始蓄水發電,表孔底孔均已投入使用,目前泄水閘運行正常。