航電工程泄水建筑物設計與研究

婁曉波，余 揚，王曉慧

(中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴陽550081)

1 工程概況

龍溪口航電樞紐工程為岷江(樂山～宜賓段)干流的第四級梯級航電樞紐，距省會成都市167 km，距樂山市80 km，距犍為縣30 km，樞紐布置緊鄰犍為縣新民鎮上游;開發任務為航運為主、結合發電，促進地方社會經濟發展。水庫正常蓄水位317.00 m，總庫容2.29億 m3，裝機容量480 MW，多年平均發電量為19.84億kW·h，設計通航噸位為1 000 t，航道等級為Ⅲ級航道，樞紐建成后可提高岷江的通航能力，同時向四川主電網輸電。

龍溪口樞紐工程為二等大(2)型，由通航建筑物、河床式發電廠房、泄水建筑物、過魚建筑物及非溢流擋水建筑物組成。泄水建筑物為2級，按100 a一遇洪水設計，設計洪峰流量49 500 m3/s，1 000 a一遇洪水校核，校核洪峰流量68 800 m3/s。泄水建筑物為開敞式泄洪閘，共24孔，孔口尺寸15.0m×19.0m(寬×高)，最大閘高43.0 m。

2 合理布置泄水建筑物重要性

龍溪口航電工程對通航水流縱向流速、橫向流速及水流流態要求較高;工程洪峰流量大，校核工況達68 800 m3/s，而河道相對狹窄，導致泄水建筑物單寬泄量達191 m3/(s·m)，對通航水流影響較大，建筑物布置不合理會引起再造河床，危及到通航的安全運行，且需滿足施工期通航順暢。因此，樞紐建筑物布置矛盾較為突出。

本工程庫區兩岸平緩，灘地發育，耕地較多，人口眾多，工程對庫區的影響較大，建設征地和移民安置補償、庫區防護投資約占總投資的37%，由此可見，泄水建筑物所控制的庫水位對水庫淹沒、防護投資較為敏感，甚至于泄水建筑物布置不合理會引起較大的移民安置問題和社會問題。

因此，泄水建筑物布置合理與否，是能否實現樞紐工程開發目標、確保工程和庫區安全、減少工程及水庫淹沒、防護投資和確保工程效益的關鍵，同時對施工期的通航暢通、分期導流的成功與否起到至關重要的作用。

3 影響泄水建筑物布置的因素

3.1 控制水庫水位對庫區淹沒的影響

在樞紐布置時，盡量增加泄水建筑物前緣凈寬，降低庫水位回水，力爭20 a一遇洪水敞泄時，閘前洪水庫水位應盡量接近閘址天然水位，并且不高于正常蓄水位時回水位，以減少洪水期對水庫淹沒的影響。

3.2 滿足通航水流條件

閘址河段河道相對狹窄，布置泄水建筑物、船閘、河床式發電廠房相互間矛盾突出，泄水建筑物布置應滿足通航水位銜接要求，保證船閘及引航道與樞紐上、下游航道的水位平順銜接，滿足通航水流條件的要求，將發電和泄洪水流對上、下游水流流態的影響控制在通航要求的范圍內。

3.3 滿足施工期導流布置要求

根據樞紐建筑物施工分期要求，泄水建筑需分兩期施工。

一期右側部分泄水建筑物施工時，導流標準為全年10 a一遇洪水，剩余未建泄水建筑物部位的河床過流應滿足2個條件:①庫水位不超過庫區防洪堤防洪限制水位;②當汛期Q≤12000m3/s(允許通航最大流量)時應滿足通航安全的流速要求。

二期施工剩余泄水建筑物時，已完建泄水建筑物及其基坑過流及度汛應滿足2個條件:①聯合度汛(度汛標準為全年10 a一遇洪水)時，庫水位不超過庫區防洪堤防洪限制水位;②當來流量為691 m3/s(P=90%)時應滿足上游水位不低于施工期最低通航水位307.00 m。

3.4 樞紐運行條件

6—9月為岷江汛期，當入庫流量最大通航流量≤15 000 m3/s時，泄水建筑物閘門局部開啟，水庫水位維持在316 m運行;當入庫流量＞15 000 m3/s時，泄洪逐步開啟閘門直到整個敞泄，敞泄時水位為309.02 m;當流量為38 300 m3/s(P=5%)時，閘前洪水庫水位盡量接近閘址天然水位，該流量對應的水位是庫區防護控制的依據，回水不影響犍為縣城，泄水建筑物采取敞泄。

4 泄水建筑物設計

4.1 堰面型式選擇

低水頭泄水建筑物堰面型式有低實用堰和寬頂堰兩種，兩種堰型各有特點。低實用堰在較大流量下過流能力相對較強，可以適當抬高堰頂高程，降低孔口高度;而寬頂堰可以盡量降低坎頂高程，加大泄量，對于高頻率洪水情況降低水庫水位壅高的效果明顯，這對水庫區影響更為有利，且易于排沙的優點。另外，寬頂堰具有結構簡單，施工方便的優點。所以，選擇寬頂堰堰型。

4.2 堰頂高程選擇

閘址河床寬度相對較窄，而船閘布置致使行洪斷面面積比天然情況縮窄了約23%;考慮到本工程水庫區淹沒量較大，移民搬遷安置難度較大，為此，在河床寬度受限制的情況下，泄洪時盡量降低20 a一遇洪水水庫水位，減少水庫的淹沒范圍及投資，需盡可能的降低堰頂高程，但當堰頂高程降到河床以下時，泄洪有效斷面基本上不變化，泄洪閘的泄流能力基本不變，因此，泄洪閘堰頂高程盡量選擇在河床高程附近。

結合該河段地形情況，閘址下游6 km范圍內河床地形的行洪控制斷面最底高程約為298 m，因此，龍溪口工程泄水建筑物堰頂高程選擇為298.00 m。

4.3 前緣凈寬選擇

閘址處20 a一遇洪水天然水位314.07 m，對應的有效過流面積約為7 200 m2，建閘后船閘占用河道相應的過流面積約為1 650 m2，建閘后水位若需維持天然水位，泄水建筑物前緣凈寬約需450 m，經樞紐布置，整個廠房及2/3的泄水建筑物需布置于左岸岸坡內，其樞紐區左岸上、下游開挖范圍較大，對新民鎮的影響也大，同時，發電廠房的引水流量較大，偏離主河床較遠，易改變主河床，對通航不利，因此，從地形地質條件及經濟、可行的角度來考慮，泄水建筑物前緣凈寬布置在360 m較為合理。

4.4 孔口尺寸選擇

泄水建筑物前緣凈寬為360 m時，20 a一遇洪水庫水位為315.14 m，過流面積為5 785 m2，比天然狀況下差了近1 415 m2的過流面積，要保證建閘前后20 a一遇洪水水位盡量接近及樞紐布置合理，需加大單孔寬度，減少閘墩個數。

根據目前國內閘門金屬結構的制造加工、吊裝及運行受力水平，在19 m的水頭作用下，弧形閘門寬度可做到20 m，平門寬度可做到16 m。但布置弧形工作閘門，泄水建筑物閘室順水流向長度增加了約25 m，導致土石方開挖、混凝土、鋼筋等工程量增加。因此，本工程泄水建筑物工作閘門為平板門，孔口尺寸15.0m×19.0m(寬×高)，共24孔。

4.5 水力學計算及模型試驗

4.5.1 水力學理論計算

根據《水閘設計規范》(SL265—2001)，泄水建筑物為開敞式，泄流能力按有坎寬頂堰堰流公式計算，即:

計算成果見表1。

在低水頭泄水建筑物水力學計算中，河道落差很小，行近流速水頭雖不大，但相對比重不小，因此要利用好這寶貴的行近流速水頭;對本工程按計入行近流速水頭和不計行近流速水頭分別對泄水建筑物前緣總凈寬進行計算，計算分析可知行近流速水頭對閘孔總凈寬的影響很大，大流量時，影響更甚，本工程不計行近流速水頭比計入行近流速水頭所需前緣總凈寬約多60 m。

表1 各工況水位—泄量表(閘門全開情況)

4.5.2 模型試驗

為驗證樞紐泄流能力，進行了龍溪口航電工程的水工樞紐整體和泄洪閘單體模型試驗，對樞紐泄洪能力進行了驗證。試驗結果均表明，泄水建筑物泄流能力滿足設計要求，設計規模合理。泄水建筑物泄流能力理論計算與模型試驗泄流能力比較見表2。

表2 理論計算值與模型試驗值比較表

4.6 結構設計

泄水建筑物堰面型式為寬頂堰，堰頂高程298.00 m，泄水建筑物為24孔，孔口尺寸15.0m×19.0m(寬×高)，泄洪凈寬為360 m，為開敞式寬頂堰。每孔設一道工作平板閘門，用固定式鋼筋混凝土排架啟閉;泄洪閘24孔共用3套檢修閘門，每套檢修閘門分為上游檢修閘門、下游檢修閘門，上游檢修閘門孔口尺寸為15.0m×19.0m(寬×高)，下游檢修閘門孔口尺寸為15.0m×7.50m(寬×高)。泄水建筑物閘段長468 m，閘頂高程324.50 m，最大閘高43.0 m;根據施工導流需要，左邊墩及右側第五個中墩兼作施工導流墻，寬度為8.00 m，其余中墩及邊墩厚度4.0 m;閘底板最小厚度為7.0 m，閘室順水流方向長度40.0 m。

5 結語

龍溪口工程開發任務以航運為主、結合發電，促進地方社會經濟發展;工程特點為河道相對狹窄、洪峰流量大、通航對過閘水流條件要求高、樞紐布置矛盾突出、水庫淹沒大、移民搬遷安置難度大、投資大，為此，泄水建筑物布置從建筑物泄流能力、樞紐建筑物布置制約、通航水流條件、行洪歸槽、及水庫庫區淹沒影響等幾個因素進行了計算、分析，并經水工水工樞紐整體和泄水建筑物單體模型試驗驗證，保證樞紐工程布置合理、經濟、可行。

［1］水利部.SL265—2001水閘設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］陳寶華，張世儒.取水輸水建筑物叢書水閘［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.