江坪河水電站泄洪建筑物設(shè)計及特點

黃 鍇，張 繁，彭 凱

(1.湖北能源集團溇水水電有限公司，湖北 恩施 445801；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 445000)

1 工程概況

江坪河水電站工程(以下簡稱“江坪河工程”)為一等大(1)型工程，主要由混凝土面板堆石壩、右岸泄洪建筑物、左岸輸水系統(tǒng)及岸邊地面廠房等建筑物組成。擋水建筑物、泄洪建筑物等主要永久建筑物為 1級建筑物；輸水發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電進水口、主廠房、副廠房、開關(guān)站出線場等主要永久建筑物為2級建筑物；其余建筑物為3級建筑物。泄洪建筑物包括2孔隧洞式溢洪道和1孔泄洪放空洞，集中布置于右岸；按1 000年一遇洪水設(shè)計，洪峰流量9 370 m3/s；PMF洪水校核，洪峰流量11 600 m3/s；消能防沖按100年一遇洪水設(shè)計。

江坪河水電站壩址位于長約600 m的峽谷河段內(nèi)，河流流向自西向東，河谷呈“V”形，兩岸地形陡峻，無天然地形埡口，不具備明挖溢洪道地形條件。右壩肩上游側(cè)有一沖溝，且右岸山體雄厚，可布置隧洞式溢洪道。

泄洪放空洞洞室圍巖除進口有壓段及工作閘門豎井中部為Ⅳ～Ⅴ類圍巖外；其余洞段為Ⅲ～Ⅱ類圍巖，洞室圍巖地質(zhì)條件及成洞條件中等～較好。

經(jīng)初步分析，泄洪建筑物的布置主要受部分Ⅳ～Ⅴ類圍巖地形地質(zhì)條件影響；出口布置需考慮下泄水流對岸坡、河床的沖刷和泄洪霧化對岸坡穩(wěn)定的影響。

圖1 泄洪建筑物平面布置示意

2 泄洪建筑物工程設(shè)計方案

江坪河工程河谷狹窄，岸坡陡峻，泄洪霧化及沖刷問題較為復(fù)雜，其泄洪消能和岸坡保護問題是泄洪建筑物設(shè)計的重點；電站泄水建筑物校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(PMF)洪峰流量大，最大泄洪水頭約105.14 m，溢洪道運行期最大泄水流速約45.975 m/s，泄洪放空洞運行期最大流速為34.75 m/s，高速水流空化空蝕問題及預(yù)防措施是泄洪建筑物設(shè)計的另一重點[1-2]。綜合來看，江坪河工程泄洪具有“水頭高、泄量大、流速高”的特點。因此，其泄洪建筑物設(shè)計方案充分考慮了各常規(guī)泄洪設(shè)施能夠互為備用、流道抗沖耐磨和防空化空蝕、重視泄洪霧化區(qū)內(nèi)的建筑物和岸坡的保護等措施[3]。

2.1 溢洪道設(shè)計方案

溢洪道由進水渠段、控制段、泄槽段及挑流鼻坎組成。其軸線方向為N84.60°E，為2條平行布置的隧洞式溢洪道，洞軸線間距35 m，洞間壁厚21 m，2條溢洪孔口及隧洞斷面尺寸相同，引水渠共用。控制堰采用開敞式孔口。由于受地形條件限制，泄槽采用無壓隧洞形式，下游采用挑流消能。

(1)進水渠段。引水渠底板高程438.50 m，堰前直線段長度約180 m。476.00 m高程以下進水渠邊坡開挖坡比1∶0.5，以上1∶0.25；高差20 m左右設(shè)置一級寬3 m馬道。高程476.00 m馬道寬7.0 m，兼作連接泄洪放空洞進水塔的交通公路。進水渠邊坡水位頻繁變動區(qū)坡面采用鋼筋混凝土面板防護，厚1.0 m。

(2)控制段。控制段采用開敞式孔口，堰頂高程448.00 m，單孔孔口寬14 m，溢流堰采用WES實用堰，堰面曲線方程為y=0.037x1.85，其原點高程為448.00 m，樁號為溢0+004.660，上游接橢圓曲線，下游與坡比為1∶0.8的泄槽陡坡段相接。控制段閘墩頂部高程為476.00 m，兩孔口中心線間距為35 m。①1號溢洪道左閘墩兼作大壩右壩肩趾墻，墩頂厚3.0 m，迎水面為垂直面，背水面為1∶0.35的斜坡；進口左導(dǎo)墻向上游引水渠延伸，使繞流位置上移，以改善進口水流狀態(tài)。②中墩為“U”形結(jié)構(gòu)，頂厚3.0 m，迎水面為垂直面，背水面為1∶0.1的斜坡。③2號溢洪道右閘墩樁號溢0+030.975上游頂厚9.5 m，迎水面與背水面均為垂直面，其中樁號溢0+008.000上游右閘墩與右岸邊坡之間采用C20貼坡混凝土回填；樁號溢0+030.975往下游頂厚3.0 m，迎水面為垂直面，背水面為1∶0.2的斜坡。

(4)挑流鼻坎。根據(jù)出口地形條件，2條溢洪道出口均采用下游挑流消能方式：1號溢洪道出口采用異形斜鼻坎，左邊墻樁號為溢0+558.000～溢0+573.180，右邊墻樁號為溢0+579.500～溢0+599.590，左導(dǎo)墻擴散半徑45 m，擴散角18°。挑坎反弧采用橢圓弧，長軸半徑53.209 m，短軸半徑50 m，挑角7°7′～33°7′，挑坎高程為337.759～344.656 m。2號溢洪道出口采用斜切式鼻坎，左邊墻樁號為溢0+638.606～溢0+667.775，右邊墻樁號為溢0+656.320～溢0+708.949，左導(dǎo)墻擴散半徑59.431 m，擴散角17°8′，右導(dǎo)墻擴散半徑689.965 m，擴散角4°53′。挑坎反弧半徑90 m，挑角5°～33°，挑坎高程為316.595～330.772 m。1號溢洪道及2號溢洪道挑坎左邊墻迎水面1.5 m厚、右邊墻采用抗沖耐磨混凝土，混凝土強度等級為C45，挑坎底板迎水面設(shè)置成臺階狀，1號溢洪道最小厚度1.78 m，2號溢洪道最小厚度1.75 m；底板其余部位采用C35混凝土。

2.2 泄洪放空洞設(shè)計方案

泄洪放空洞采用有壓接無壓洞的布置形式，由進水塔、有壓洞段、工作閘門豎井、無壓洞段及挑流鼻坎等組成，工作閘門豎井布置于有壓洞之后。

(1)進水塔。進水塔基礎(chǔ)高程354.00 m，底坎高程370.00 m，塔頂高程476.00 m，與壩頂高程相同。順?biāo)飨蜷L22.0 m，寬15.0 m，高122 m。進水塔進口為有壓短管式，進口頂曲線為橢圓曲線。進口設(shè)倒鉤式平面滑動檢修門，事故門設(shè)置在塔內(nèi)，均為平板門。塔頂設(shè)有7 m寬交通橋，與進水渠側(cè)面坡高程476.00 m、寬7 m的山體公路相接。

(2)有壓洞段。有壓洞段由直段和平面彎段組成，總長227.239 m，縱坡水平。有壓洞斷面為內(nèi)徑8.5 m的圓形斷面，采用C30鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為1.0 m。樁號泄0+074.487～0+099.309之間設(shè)有一平面轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑60 m，轉(zhuǎn)角23.703°。有壓洞前后各一段漸變段，上游段長為22 m，下游段長為20 m。彎段后直洞長約132 m，泄0+203.239～0+249.239位內(nèi)襯鋼襯段，外包混凝土；末端為圓變方壓坡連接段，長度為20.0 m，將直徑8.5 m的圓形洞漸變至6.0 m×6.56 m(寬×高)，后接工作閘門豎井。

(3)工作閘門豎井。該豎井為井筒式結(jié)構(gòu)，位于右壩肩防滲帷幕線下游，為地下洞室結(jié)構(gòu)，緊接有壓洞段末端，底板高程366.00 m，頂部高程476.00 m。豎井開挖高度87.726 m，襯砌厚度1.0～2.0 m，左側(cè)上游處設(shè)交通洞與大壩下游高程383 m馬道相連。工作閘門控制室底板高程398 m，布置有弧形工作閘門啟閉設(shè)備，弧形工作閘門的支鉸固定于閘門室后壁山體上的支鉸大梁上。

(4)無壓洞段。無壓洞段始于工作閘門豎井后，前段為i=0.1385的斜坡，其后接底坡i=0.089 4的緩坡。采用城門洞形斷面，頂拱中心角為90°，寬7.0 m，直墻高約9.5 m；采用鋼筋混凝土襯砌，底板及邊墻為C45抗沖耐磨混凝土，頂拱為C30混凝土，厚度0.7～1.0 m。分別在樁號泄0+371.000、泄0+491.000和泄0+611.000各布置一道摻氣坎，分別為1號摻氣坎、2號摻氣坎和3號摻氣坎，摻氣坎通氣至無壓隧洞水面線以上。其中，1號摻氣坎坎高為1.7 m，水平方向長8.046 m，兩側(cè)側(cè)向通氣孔的斷面尺寸為，1.5 m×2 m，通氣豎井?dāng)嗝娉叽鐬?.5 m×2 m；2號摻氣坎坎高1.5 m，水平方向長8.046 m，兩側(cè)側(cè)向通氣孔的斷面尺寸為，1.5 m×2 m，通氣豎井?dāng)嗝娉叽鐬?.5 m×2 m；3號摻氣坎坎高1.5 m，水平方向長8.046 m，兩側(cè)側(cè)向通氣孔的斷面尺寸為，1.5 m×2 m，通氣豎井?dāng)嗝娉叽鐬?.5 m×2 m。

(5)挑流鼻坎。根據(jù)出口地形條件，出口采用下游挑流消能方式，其結(jié)構(gòu)形式為左導(dǎo)墻擴散斜鼻坎。左導(dǎo)墻擴散半徑44.87 m，擴散角18°25′。挑坎反弧半徑80 m，挑角12°23′～23°47′，挑坎高程為330.701～335.635 m。挑坎建基面高程為326.00 m。挑坎左邊墻采用重力式邊墻，右邊墻貼巖面澆筑，邊墻迎水面1.5 m采用C45抗沖耐磨混凝土，底板采用C45抗沖耐磨混凝土，抗沖耐磨最薄處厚度1.335 m，臺階狀布置，其余部位采用C35混凝土。

3 模型試驗及結(jié)構(gòu)計算分析

為驗證泄洪建筑物布置設(shè)計方案合理性，進行了大量的水力學(xué)試驗及結(jié)構(gòu)計算分析，評價及建議如下。

3.1 溢洪道

(1)江坪河工程溢洪道的布置方式，滿足樞紐整體布置方案要求。根據(jù)水力學(xué)計算，并經(jīng)過水工模型試驗驗證，溢洪道的泄流能力滿足設(shè)計泄流量要求。

(2)溢洪道引渠段、溢流堰體、泄槽段摻氣形式以及出口結(jié)構(gòu)布置經(jīng)過水工模型試驗驗證是可行的。

(3)溢洪道引渠段結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計、隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計及泄槽段、出口段結(jié)構(gòu)設(shè)計及配筋滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求；無壓洞段洞頂余幅經(jīng)水力學(xué)計算和水力學(xué)模型試驗驗證可滿足規(guī)范要求。進口導(dǎo)墻、控制閘、泄槽邊墻和出口挑坎整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，進口、出口挑坎地基巖體采用固結(jié)灌漿和錨索支護處理，地基承載力可滿足要求。

(4)2條溢洪道泄槽段各設(shè)置了5道挑跌坎式底部摻氣減蝕設(shè)施，經(jīng)水力學(xué)模型試驗驗證，摻氣效果可滿足規(guī)范要求。

(5)抗沖耐磨混凝土根據(jù)水流含沙量、水力學(xué)參數(shù)和相關(guān)試驗成果確定，并經(jīng)專家咨詢，滿足規(guī)范要求。

(6)溢洪道泄流量大，流速高，應(yīng)加強原型觀測，過流后應(yīng)進行檢查和維護，保證溢洪道各個部位均能安全運行。

3.2 泄洪放空洞

(1)結(jié)合江坪河水電站整體樞紐布置，并經(jīng)樞紐整體、泄洪放空洞單體水力學(xué)模型試驗驗證，泄洪放空洞采用有壓接無壓的布置形式是合適的。

(2)根據(jù)水力學(xué)計算，并經(jīng)過水工模型試驗驗證，江坪河水電站泄洪放空洞泄流能力滿足設(shè)計泄流量要求。

(3)經(jīng)模型試驗驗證，在各工況下水流流態(tài)平順，過流斷面滿足設(shè)計要求，泄洪放空洞洞身體型是可行的。

(4)泄洪放空洞出口挑流消能形式，經(jīng)過水工模型試驗驗證是可行的，滿足泄洪消能要求。下游河道防護可滿足泄水建筑物泄洪消能要求。

(5)泄洪放空洞進口結(jié)構(gòu)設(shè)計、閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計、隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計及出口明渠、挑坎結(jié)構(gòu)設(shè)計及配筋滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求，無壓洞段洞頂余幅經(jīng)水力學(xué)計算和水力學(xué)模型試驗驗證可滿足規(guī)范要求。進口和出口挑坎整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，進口、出口挑坎地基巖體采用固結(jié)灌漿和錨索支護處理，地基承載力可滿足要求。

(6)泄洪放空洞工作閘井后無壓洞段設(shè)置了3道挑跌坎式底部摻氣減蝕設(shè)施，經(jīng)水力學(xué)模型試驗驗證，摻氣效果可滿足規(guī)范要求。

(7)抗沖耐磨混凝土根據(jù)水流含沙量、水力學(xué)參數(shù)和相關(guān)試驗成果確定，并經(jīng)專家咨詢，滿足規(guī)范要求；設(shè)計提出的過流表面混凝土的不平整度滿足規(guī)范要求。

(8)泄洪放空洞泄流量大，流速高，應(yīng)加強原型觀測，過流后應(yīng)進行檢查和維護，保證泄洪放空洞各個部位均能安全運行。

4 結(jié) 語

監(jiān)測成果表明，江坪河水電站溢洪道及泄洪放空洞洞身段圍巖變形和應(yīng)力、圍巖與襯砌接縫處以及襯砌內(nèi)環(huán)向鋼筋應(yīng)力都在正常合理范圍內(nèi)變化，目前洞周未見明顯的水頭作用，溢洪道及泄洪放空洞洞身段目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，襯砌結(jié)構(gòu)運行良好[4]。

根據(jù)江坪河工程下閘蓄水后向下游生態(tài)供水需求及剩余項目施工要求，泄洪放空洞已在低水頭、小流量工況下運行約6個月，目前泄洪放空洞出口下游出流較為順暢，水舌擴散和歸槽較好。經(jīng)檢查，流道混凝土表面均未發(fā)現(xiàn)明顯空蝕現(xiàn)象，且下游河道護岸結(jié)構(gòu)整體良好。由于上游庫水位尚未蓄至水庫死水位，泄洪建筑物有待通過實體泄洪試驗進一步檢驗。