長(zhǎng)河壩水電站泄水建筑物的布置與設(shè)計(jì)

蒙 富 強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長(zhǎng)河壩水電站泄水建筑物的布置與設(shè)計(jì)

蒙 富 強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：根據(jù)長(zhǎng)河壩水電站壩址區(qū)的地形、地質(zhì)條件，對(duì)泄水建筑物的布置進(jìn)行了多方案比選，最終推薦了全泄洪洞方案并隨著勘測(cè)設(shè)計(jì)工作的深入進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，降低了工程施工難度和風(fēng)險(xiǎn)；在泄水建筑物布置型式確定后，根據(jù)復(fù)核水工模型取得的試驗(yàn)成果，對(duì)建筑物的體型及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，滿足了規(guī)范要求，為施工提供了可靠依據(jù)，可為類似泄水工程提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)河壩水電站；泄水建筑物；布置；泄洪洞；試驗(yàn)

1工程概述

長(zhǎng)河壩水電站系大渡河干流水電規(guī)劃開(kāi)發(fā)的第10級(jí)電站，工程等別為一等大(1)型，電站采用水庫(kù)大壩、地下引水發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式，總裝機(jī)容量為2 600 MW，總庫(kù)容為10.75億m3。工程樞紐建筑物由攔河大壩、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，其中大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，泄水建筑物包括1#深孔泄洪洞、2#、3#開(kāi)敞泄洪洞及放空洞。大壩、泄水建筑物按1 000 a一遇洪水設(shè)計(jì)，可能最大洪水(PMF)校核，設(shè)計(jì)洪水流量為7 650 m3/s，校核洪水流量為10 400 m3/s。

2泄水建筑物布置

2.1壩區(qū)地形地質(zhì)條件及樞紐布置

長(zhǎng)河壩水電站壩址區(qū)內(nèi)的大渡河在該河段由S40°～50°E流向轉(zhuǎn)為南西流向形成了一個(gè)90°的河灣，河谷相對(duì)開(kāi)闊，呈較寬的“V”型。河谷兩岸邊坡陡峻，岸坡沖溝較發(fā)育，從上游到下游左岸有大奔牛溝、大灣溝、孟子壩溝等，右岸有象鼻子溝、花瓶溝、沙場(chǎng)溝等。

泄洪洞、放空洞區(qū)出露的巖體為一套晉寧期-澄江期的侵入巖，其巖性以石英閃長(zhǎng)巖(δ02(3))、花崗巖(γ2(4))為主，局部侵入少量的細(xì)晶花崗巖脈(γl)。

礫石土心墻堆石壩布置在河道轉(zhuǎn)彎位置，通過(guò)對(duì)各方案樞紐布置比選后將引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸(凹岸)，在右岸(凸岸)布置泄水建筑物對(duì)泄水建筑物的布置及水力學(xué)等條件有利。

2.2泄水建筑物的選擇

長(zhǎng)河壩水電站泄水建筑物布置在右岸，利用裁彎取直，泄水建筑物的布置具有“平、直、順”的特點(diǎn)，出口水流順河道、歸槽條件好。在可研階段，結(jié)合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件，對(duì)泄水建筑物布置擬定了三個(gè)組合方案進(jìn)行比選。方案一：1條3孔溢洪道+2條深孔泄洪洞+1條放空洞；方案二：1條單孔溢洪道+1條開(kāi)敞泄洪洞+2條深孔泄洪洞+1條放空洞；方案三：2條開(kāi)敞泄洪洞+1條深孔泄洪洞+1條放空洞。通過(guò)綜合比較，三種泄水建筑物布置方案均滿足樞紐泄水要求，且在校核洪水下水庫(kù)削峰流量基本相當(dāng)，在常年洪水時(shí)均運(yùn)行可靠、靈活，泄量分配均較合理；但布置方案三可降低右岸邊坡的開(kāi)挖高度，減少施工干擾，有利于安排初期蓄水并縮短發(fā)電工期。因此，根據(jù)工程具體條件，長(zhǎng)河壩水電站泄水建筑物選擇采用方案三進(jìn)行布置，即3條泄洪洞從左至右依次為深孔泄洪洞、2#、3#開(kāi)敞泄洪洞，3條泄洪洞平行布置，洞軸線方位角均為N13°3′7″E，水平間距60 m；放空洞布置在開(kāi)敞泄洪洞右側(cè)，洞軸線方位角為N11°26′57″E，與開(kāi)敞泄洪洞軸線間距為80～115 m。

長(zhǎng)河壩工程泄洪水頭高、流量大、流速高，水力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜，結(jié)合工程樞紐布置3條泄洪洞及放空洞均選擇“一坡到底”無(wú)壓泄洪直洞的布置形式，經(jīng)分析研究是合理、可行的，其建筑物特性見(jiàn)表1。

表1　樞紐泄水建筑物特性表

2.3泄水建筑物布置優(yōu)化

長(zhǎng)河壩水電站泄水建筑物集中布置于河道右岸，其進(jìn)、出口邊坡地形陡峻，招標(biāo)階段開(kāi)挖邊坡高度均達(dá)300 m以上，最高達(dá)360 m，受施工通道和翻渣集渣平臺(tái)限制，工程邊坡開(kāi)挖支護(hù)自身的施工難度很大且泄洪洞進(jìn)口邊坡開(kāi)挖對(duì)下部已經(jīng)投運(yùn)的初期導(dǎo)流洞進(jìn)水口威脅極大。

因此，在技施階段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地質(zhì)條件并根據(jù)復(fù)核模型試驗(yàn)成果決定：采用小角度偏轉(zhuǎn)泄水建筑物軸線、適當(dāng)外移開(kāi)敞進(jìn)口塔體和出口挑坎位置，對(duì)進(jìn)出口邊坡采用“弱開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)”的方案，分一期自然邊坡及二期開(kāi)挖邊坡進(jìn)行支護(hù)，將進(jìn)出口邊坡高度降低至100 m左右，極大地降低了施工難度。

泄水建筑物布置優(yōu)化后，1#、2#泄洪洞軸線進(jìn)口平面間距約為63 m，出口平面距離約為51 m；2#、3#泄洪洞軸線進(jìn)口平面間距約為55 m，出口平面距離約為45 m；3#泄洪洞與放空洞進(jìn)口平面距離約為55 m，出口平面距離約為42 m。

3泄水建筑物設(shè)計(jì)

3.11#深孔泄洪洞

1#泄洪洞進(jìn)口為深孔岸塔式結(jié)構(gòu)，洞身采用一坡到底的布置形式，出口以挑流形式銜接下游。

(1)進(jìn)口段設(shè)計(jì)。

泄洪洞進(jìn)口采用岸塔式結(jié)構(gòu)，塔體尺寸為49 m×27 m×52 m(長(zhǎng)×寬×高)。塔 基 高 程 為

1 645 m，進(jìn)口底板頂高程為1 650 m，塔頂高程為1 697 m，塔體內(nèi)設(shè)事故檢修平板門和弧形工作門各一道，閘門控制孔口尺寸為14 m×11.5 m(寬×高)。為消除深孔泄洪洞運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的貫穿性漩渦，在進(jìn)口塔體上游面1 685 m高程以上設(shè)置豎向消渦板。1#深孔泄洪洞最大泄流量為3 692 m3/s。

(2)洞身段設(shè)計(jì)。

泄洪洞洞身采用一坡到底的無(wú)壓隧洞形式，長(zhǎng)1 362 m，隧洞進(jìn)口底高程為1 650 m，出口底高程為1 510 m，縱坡i=0.102 79。

泄洪洞無(wú)壓洞段斷面形式均為圓拱直墻型，斷面尺寸為14 m×(19～16)m(寬×高)。根據(jù)水力計(jì)算及模型試驗(yàn)成果，洞身段沿程最大摻氣水深為14.75～10.02 m，水流流速在24～45 m/s之間，在樁號(hào)0+400下游洞段的水流空化數(shù)小于0.3。為防止洞身段混凝土發(fā)生空蝕破壞，在洞身段沿程布置了6道摻氣坎和兩側(cè)矩形通氣井。試驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)洪水閘門全開(kāi)的情況下，摻氣坎空腔長(zhǎng)度約為14～30 m，通氣井最大風(fēng)速約為58.4 m/s，摻氣坎下游保護(hù)段摻氣濃度均大于3%，滿足規(guī)范要求。

洞身段均采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，其中進(jìn)出口洞段及IV、V類圍巖洞段襯砌厚度為1.5 m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段襯砌厚度為0.7～0.9 m。邊墻和底板襯砌采用C9040、C9050硅粉混凝土，頂拱采用C25混凝土。

(3)出口段設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)水工模型試驗(yàn)多種方案研究確定，1#深孔泄洪洞出口采用斜切扭曲挑坎，體型為：起挑高程1 507.94 m，出口左側(cè)挑射半徑110 m，挑角為21°，左側(cè)邊墻從樁號(hào)1+382起接半徑R=350 m的圓弧，圓弧沿軸線方向長(zhǎng)度為40 m，挑坎出口高程為1 511.04 m；出口右側(cè)底板挑射半徑為90 m，挑角為36°；右側(cè)邊墻呈平面投影半徑R=270 m的圓弧，圓弧沿軸線方向長(zhǎng)度為55 m，出口高程為1 519.76 m。

根據(jù)試驗(yàn)成果得知，出口挑坎水舌縱向拉伸擴(kuò)散較充分，歸槽條件較好，在設(shè)計(jì)水位閘門全開(kāi)情況下水舌挑距為156.2～190.6 m，入水寬度約為48.3 m，對(duì)左岸岸坡沖刷影響小。

3.22#、3#開(kāi)敞泄洪洞

2#、3#開(kāi)敞泄洪洞進(jìn)口均為開(kāi)敞式岸塔結(jié)構(gòu)，洞身采用一坡到底的布置形式，出口以挑流形式銜接下游。

(1)進(jìn)口段設(shè)計(jì)。

2#開(kāi)敞泄洪洞進(jìn)水口采用WES實(shí)用堰，堰頂高程1 675 m，引渠段底高程1 663.5 m，塔頂高程1 697 m，塔體尺寸為36.5 m×28 m×38.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。進(jìn)口設(shè)事故檢修平板門和弧形工作門各一道，閘門控制孔口尺寸為17 m×16.5 m(寬×高)，兩邊墩寬5.5 m，進(jìn)口邊墩前沿為圓弧(R=3 m)。WES實(shí) 用 堰 堰 面 曲 線 方 程X185=23.223 3Y，原點(diǎn)上游采用三圓弧曲線，圓弧半徑分別為0.64 m、3.2 m和8 m。洞堰面曲線下游與30°斜坡相接，斜坡后接反弧段，后接無(wú)壓泄洪洞，起點(diǎn)底高程為1 662.5 m。進(jìn)口塔體上游兩側(cè)設(shè)置長(zhǎng)6.5 m的導(dǎo)水墻，以改善其進(jìn)口水力學(xué)條件。

3#泄洪洞進(jìn)口塔體布置與2#泄洪洞基本一致，進(jìn)口塔體上游兩側(cè)分別設(shè)置長(zhǎng)6.5 m和12 m的導(dǎo)水墻，以改善其進(jìn)口水力學(xué)條件。

2#、3#開(kāi)敞泄洪洞的最大泄流量均為3 138 m3/s。

(2)洞身段設(shè)計(jì)。

2#、3#泄洪洞洞身均采用一坡到底的無(wú)壓隧洞形式，洞身總長(zhǎng)度分別為1 498 m、1 540 m，隧洞進(jìn)口底高程為1 662.5 m，出口底高程為1 500 m，隧洞縱坡分別為i=0.108 48、i=0.105 52。

泄洪洞無(wú)壓洞段斷面形式均為圓拱直墻型，斷面尺寸為17/14 m×(18～15)m(寬×高)。根據(jù)水力計(jì)算及模型試驗(yàn)成果，洞身段沿程最大摻氣水深為14.19～9.42 m，水流流速在21～44 m/s之間，樁號(hào)0+390下游洞段的水流空化數(shù)小于0.3。為防止洞身段混凝土發(fā)生空蝕破壞，在洞身段沿程布置了6道摻氣坎和兩側(cè)矩形通氣井。試驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)洪水閘門全開(kāi)情況下，摻氣坎空腔長(zhǎng)度約為16～31 m，通氣井最大風(fēng)速約為57.3 m/s，摻氣坎下游保護(hù)段最小摻氣濃度約為2.9%，滿足規(guī)范要求。

洞身段襯砌方式與1#深孔泄洪洞一致。

(3)出口段設(shè)計(jì)。

2#開(kāi)敞泄洪洞出口采用窄縫挑坎體型，起挑高程為1 500 m，挑坎長(zhǎng)度為45 m，出口寬度為6 m，左右側(cè)收縮段長(zhǎng)度均為39.7 m，收縮角為5.75°。底板反弧半徑為200 m，底板反弧為12.92°，挑坎末端挑角為6.73°，挑坎末端高程為1 500.21 m。

3#開(kāi)敞泄洪洞出口采用擴(kuò)散斜切挑坎，起挑高程為1 500 m，長(zhǎng)度為74.37 m。挑坎左端弧線長(zhǎng)22.69 m，直線段長(zhǎng)28.32 m；挑坎右端弧線長(zhǎng)25.26 m，直線段長(zhǎng)50.39 m。底板反弧半徑為199.52 m，底板反弧為22°，挑坎末端高程為1 500.88 m和1 505.85 m。

根據(jù)試驗(yàn)成果得知：2#開(kāi)敞泄洪洞出口挑坎水舌流態(tài)良好，水體水量分布較為均勻，基本呈掃帚狀沿軸線拋射到河道中，落點(diǎn)位于河道中心，在設(shè)計(jì)水位閘門全開(kāi)情況下水舌挑距約為55.4～142.2 m，入水寬度約為14.1 m。3#開(kāi)敞泄洪洞出口挑坎水舌橫向擴(kuò)散情況較好，擴(kuò)散非常充分，水舌落點(diǎn)位于河道中心，歸槽條件較好，在設(shè)計(jì)水位閘門全開(kāi)的情況下水舌挑距約為80.2～123.5 m，入水寬度約為51.6 m，對(duì)右岸岸坡沖刷影響小。

3.3放空洞

放空洞進(jìn)口為深孔岸塔式結(jié)構(gòu)，洞身采用一坡到底的布置形式，出口以挑流形式銜接下游。

(1)進(jìn)口段設(shè)計(jì)。

放空洞進(jìn)口采用短有壓進(jìn)口型式，進(jìn)口基礎(chǔ)高程1 585 m，底板頂高程1 590 m，塔頂高程1 697 m，進(jìn)水口塔體尺寸為49 m×22 m×114 m(長(zhǎng)×寬×高)。塔體內(nèi)設(shè)檢修閘門、事故閘門、工作閘門各一道，閘門控制孔口尺寸為9 m×7 m(寬×高)。庫(kù)水位高程低于1 658.5 m時(shí)，放空洞開(kāi)始啟用，其最大泄流量為1 974 m3/s。

(2)洞身段設(shè)計(jì)。

放空洞洞身采用一坡到底的無(wú)壓隧洞形式，長(zhǎng)1 701.65 m，隧洞進(jìn)口底高程為1 590 m，出口底高程為1 490 m，縱坡i=0.058 77。

泄洪洞無(wú)壓洞段斷面形式均為圓拱直墻型，斷面尺寸為9 m×13 m(寬×高)。根據(jù)水力學(xué)計(jì)算及模型試驗(yàn)成果，洞身段沿程最大摻氣水深為9.57～9.07 m，水流流速在30～32 m/s之間，水流空化數(shù)為1.11～0.29，因此，洞身沿程未布置摻氣設(shè)施。

洞身IV、V類圍巖洞段采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，其中進(jìn)出口洞段及V類圍巖洞段襯砌厚度為1.5 m，IV類圍巖襯砌厚度為0.8 m；Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段僅進(jìn)行邊墻及底板襯砌，頂拱只作噴錨支護(hù)，襯砌厚度為0.6 m。邊墻和底板襯砌采用C9040高強(qiáng)混凝土，頂拱采用C25混凝土。

(3)出口段設(shè)計(jì)。

放空洞出口采用扭曲挑流鼻坎，平面彎曲非對(duì)稱擴(kuò)散。從“放1+701.65”位置起挑，起挑點(diǎn)高程為1 490 m。出口左側(cè)挑射半徑為91.67 m，挑角為18°，左側(cè)邊墻從樁號(hào)1+701.65起接半徑R=60.84 m的圓弧，圓弧沿軸線方向長(zhǎng)度為27.77 m，挑坎出口高程為1 494.31 m。出口右側(cè)挑射半徑R=80.51 m，挑角為30°，右側(cè)邊墻平面投影R=225 m的圓弧，軸線方向長(zhǎng)度為40.11 m，出口高程為1 500.7 m。

放空洞挑坎水舌空中舒展，擴(kuò)散比較充分，全部落在河道中，歸槽情況很好，挑距約52.4～123.5 m，入水寬度大約為51.8 m。在河岸左側(cè)產(chǎn)生回流，但回流影響很小。

4結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)河壩水電站泄水建筑物泄洪總量近9 970 m3/s，筆者結(jié)合壩址區(qū)地形、地質(zhì)條件，對(duì)泄水建筑物的布置進(jìn)行了比較研究，所提出的1條深孔泄洪洞+2條開(kāi)敞泄洪洞+放空的全泄洪洞組合方式是合理、可行的，且隨著勘測(cè)設(shè)計(jì)工作的深入，對(duì)泄水建筑物的布置進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，很大程度上降低了工程施工難度，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。

泄水建筑物泄洪水頭高、流量大、流速高，水力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜，根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，對(duì)泄水建筑物的體型及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果滿足規(guī)范要求，為施工提供了可靠依據(jù)，亦可為類似泄水工程提供借鑒與參考。

蒙富強(qiáng)(1980-)，男，廣西百色人，高級(jí)工程師，碩士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015-11-04

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0018-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7；TV222