糯扎渡水電站溢洪道深化設計

楊再宏，顧亞敏，劉興寧，孫懷昆

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

1 糯扎渡水電站溢洪道布置及特點

糯扎渡水電站溢洪道最大泄量31 318 m3/s，泄洪水頭182 m，泄洪功率55 860 MW，其規模為目前國內最大，名列世界前茅。溢洪道泄槽最大流速達52 m/s，泄洪消能及高流速泄槽摻氣減蝕成為關鍵技術問題。

為解決溢洪道泄洪消能問題，在可研階段對泄洪建筑物布置進行了多方案比選、研究，并分別進行了水力學計算及工程量對比。根據地形地質條件，對溢洪道軸線、控制段位置、形式、閘孔數、泄槽底坡進行了多方案研究。比較了挑流、底流、面流、消能戽、五級消能、三級消能及二級消能等消能方式。優選出溢洪道挑流消能及三級消能兩個代表性方案平行開展設計科研工作，從工程布置、水力條件、施工設計、工程量、投資、管理等方面進行綜合比較后得出，挑流消能方案比三級消能方案優越，因此，推薦溢洪道挑流消能方案。

溢洪道布置于壩址左岸，由進水渠段、閘室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段組成。進口處位于勘界河左岸，為一寬緩平臺，沿線經過糯扎支溝、糯扎溝，消力塘出口位于5號沖溝處。溢洪道所處地層分布有砂巖、粉砂質泥巖、角礫巖和花崗巖，以弱風化、微風化為主。引渠段左側邊坡及中軸線左側部分為H1滑坡體；閘室段地基弱風化下部砂巖、粉砂巖完整性好，不存在明顯的層間軟弱夾層，不存在深層抗滑穩定問題；泄槽段中部分布有Ⅱ級結構面F1、F35和F3斷層，斷層附近節理很發育，巖體破碎；消力塘底板有Ⅲ級結構面F44、F45斷層，節理裂隙較發育。

溢洪道水平總長1 445 m，泄槽寬151.5 m。進水渠段長172.5～250 m，進口底板高程775 m；閘室控制段共設8個 15 m×20 m （寬×高）表孔，每孔均設檢修門槽和弧形工作閘門，溢流堰頂高程792 m，堰高17 m，最大泄流量31 318 m3/s；泄槽段為矩形斷面，緩槽段底板縱坡坡度1.332%，陡槽段坡度23%。為布置摻氣設施及方便運行管理、檢修，采用兩道中隔墻將泄槽分為左、中、右三槽；泄槽邊墻高度為14～12 m，中隔墻高度為12～10 m，沿程設5道摻氣槽。挑流鼻坎采用正向連續鼻坎，為適應地形、地質條件，左、中、右三槽挑流鼻坎在平面布置上相互錯開10 m。因溢洪道泄洪功率巨大，天然河床狹窄，挑流鼻坎下部開挖消力塘消能，消力塘處巖石較好，是堆石壩主要料源。 消力塘底寬 151.5～178.622 m， 長 310～330 m；消力塘末端608 m高程設置2 m高攔沙坎，坎頂高程高于電站滿負荷運行時正常尾水位，既可攔沙又可在不影響發電的情況下，確保枯水期能夠對消力塘進行抽水檢修。

2 溢洪道水力設計

溢洪道為1級建筑物，按1 000年一遇洪水設計，最大可能洪水 （PMF）校核。為了解決高水頭、大泄量、高流速溢洪道水力設計問題，除了進行常規計算外，還開展了大量的水工模型試驗研究。先后由中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院科研分院、天津大學、中國水利水電科學研究院開展了樞紐整體水工模型、單體水工模型、溢洪道消力塘護岸不護底、溢洪道泄槽摻氣減蝕、減壓模型、泄洪霧化等試驗研究。

2.1 引渠

水工模型試驗表明，渲泄各頻率洪水時，引渠段來流平順，主河道與勘界河交匯區流態正常，無回流和漩流。溢洪道進口右側電站進水口區域流態在各試驗工況下平穩正常，未受溢洪道泄流影響。

2.2 控制段

控制段溢流堰按低堰WES型實用堰設計，堰面曲線為Y=0.07X1.7；堰頂上游堰頭采用三圓弧曲線。堰頂高程792.0 m，進水渠底板高程775.0 m，堰高17 m，定型設計水頭19 m。

溢洪道泄流能力模型試驗實測值在設計洪水位810.92 m （P=0.1%）和校核洪水位 （PMF）下均大于設計值2%以上，可滿足設計要求。

溢洪道堰面最大壓力出現在3號表孔反弧段的15號測點，值為253.02 kPa。在宣泄校核洪水時，3號表孔堰面出現負壓，最大負壓值-4.88 kPa，小于-60 kPa，其余工況均未出現負壓，滿足溢洪道設計規范要求，過流面流速不大，不會發生空蝕現象。

2.3 泄槽

糯扎渡水電站泄洪水頭高，溢洪道泄槽最大流速達52 m/s，增加了泄槽摻氣減蝕的設計難度，為此，進行了專項水工模型試驗研究。研究泄槽高速水流在不同泄流條件下摻氣坎槽的結構形式、空腔長度、摻氣效果、摻氣濃度的變化、摻氣設施的保護長度等，提出合理的摻氣減蝕措施。通過模型試驗研究，推薦方案泄槽摻氣坎位置及結構尺寸見表1。

表1 泄槽摻氣坎參數

2.4 挑流鼻坎、消力塘

對挑流鼻坎挑角、鼻坎位置、消力塘尺寸進行水工模型試驗研究，以尋找最佳挑角、鼻坎位置及消力塘尺寸，使在各種運行工況下，能充分利用消力塘消能，使水舌落點位置適中、對消力塘底板沖擊壓力控制在合理范圍，且消能率高，出塘流速低，工程量小。通過模型試驗研究，推薦挑流鼻坎采用正向連續鼻坎，左、中、右三槽挑流鼻坎在平面布置上相互錯開10 m，鼻坎段長21.821 m，反弧半徑46.9 m，起挑角25°，左、中、右槽坎頂高程分別為645.042、645.303、645.562 m。出口消力塘平面及縱剖面均為梯形斷面，底板高程575.00 m，該高程消力塘寬176.5～191 m，長310～330 m，左槽挑流鼻坎末端至消力塘末端長400 m。

各試驗工況下，推薦方案溢洪道三槽挑流水舌對稱平順，在平面上略有擴散，受兩邊墻及中隔墻摩阻的影響，邊部流速降低，局部壅高，并向內翻卷，使挑流鼻坎水舌中間高，兩邊低，挑流水舌邊緣無砸擊消力塘邊坡的現象；水舌下緣兩邊挑距較小，水舌沿消力塘縱向分布較寬；受急流沖擊波的影響，挑流水舌形態似幾個單孔水舌交匯而成，水舌在空中紊動較大。消力塘出口處及下游河道岸邊流速均不大，基本呈左岸大、右岸小的分布，100年一遇以下洪水，下游河床水流平順，流速較低，水面波動較小；100年一遇以上洪水，下游河床水流流速及水面波動有所增加，距消力塘出口600 m處，左、右兩岸岸邊流速已在6 m/s以下。

溢洪道全開運行時，消力塘底板脈動壓力右側大于左側。最大脈動壓力均方差在設計洪水位時為19.4 kPa，校核洪水位時為44.6 kPa。消力塘左右兩側邊坡上脈動壓力比底板小，最大為18.85 kPa。

設計洪水及校核洪水情況下，消力塘單位水體消能率分別為8.7、12.6 kW/m3，與小灣水電站相當（8.2、 12.3 kW/m3）， 比二灘水電站小 （11.5、 13.5 kW/m3），說明消力塘規模適中，設置消力塘后，有效解決了消能問題。

3 溢洪道結構設計

3.1 引渠

3.2 閘室控制段

閘室控制段共設8個15 m×20 m （寬×高）表孔，中墩厚4.5 m，總靜水壓力為38 216 kN，工作門啟門力為25 584 kN，設計采用新型預應力混凝土結構。預應力總噸位與弧門推力之比為1.82。

溢流堰每孔凈寬15 m，每孔溢流堰中部設置縱向伸縮縫一道。中墩厚4.5 m，與兩側7.5 m寬的堰體連成一體，形成分離式的 “⊥”形結構；邊墩厚4 m，與一側7.5 m寬的堰體連成一體，形成 “L”形結構。伸縮縫為鉛直縫，縫間不設彈性充填物，僅設銅片止水。

交通橋為疊合板式橋，橋面寬6.25 m，跨度15 m，橋面高程與壩頂高程相同。上游側布置5根預制梁，斷面尺寸為0.5 m×2.0 m （寬×高），凈間距為0.6 m。下游側布置3根預制梁，斷面尺寸為0.5 m（0.4 m） ×2.0 m （寬×高）， 凈間距為 0.7 m （0.8 m）。單根梁下掛8 mm厚鋼板作模板，待單根梁吊裝就位后，澆筑混凝土形成整體板式橋。

3.3 泄槽段

根據泄槽左、右兩側地形及地質條件，邊墻采用混凝土貼坡襯砌式、混凝土衡重式及重力式三種形式。

在地面線高出邊墻、地質條件較好地段，開挖成垂直邊坡，采用系統錨桿支護，并設置兩排預應力錨索或錨筋樁。貼坡直邊墻的結構分縫位置與泄槽底板相同，縫間設銅片止水。

泄槽左、右邊墻在穿越F1、F35斷層，且糯扎支溝處地質條件較差，故采用衡重式混凝土擋墻；右側邊墻在過糯扎溝處地面線低于邊墻頂，采用重力式混凝土擋墻。每10～15 m設一條伸縮縫，縫間設銅片止水。

為保證泄槽底板的穩定，降低底板的揚壓力，底板基礎設置排水系統和錨筋系統。對斷層破碎帶及影響帶范圍內的泄槽底板基礎采取深挖回填混凝土并采用固結灌漿的處理措施。溢洪道設置5道摻氣坎槽，在摻氣槽后的起始位置設橫向伸縮縫，使挑坎形成的有效空腔跨越橫縫，避免橫縫遭受高速水流沖擊，陡槽段橫縫間距為65～128 m。縱橫伸縮縫均為平縫，縫間設有銅片止水。

3.4 挑流鼻坎段

為保證挑流鼻坎在較大的動水荷載作用下穩定，在挑流鼻坎底下設齒槽，以增強其抗滑穩定性。挑流鼻坎過水面在反弧最低點處厚度最薄，為3 m。底板沿縱向每15 m設一條縱縫，垂直水流向不分縫，均為施工縫，施工縫設鍵槽。縱向伸縮縫為鉛直縫，縫間設銅片止水，不設充填料。挑流鼻坎與消力塘間平臺寬40～50 m，采用2 m厚鋼筋混凝土襯護，并在基礎設置錨筋樁錨固。對右槽附近巖體破碎部位進行固結灌漿處理。

3.5 消力塘

消力塘采用護岸不護底襯砌結構，為保證消力塘底板抗沖刷及邊坡襯砌穩定，消力塘邊坡坡腳設鋼筋混凝土齒槽，齒槽深度為10 m，齒槽與基礎采用錨筋樁錨固。

受F44和F45斷層的影響，消力塘底板大致以中心線為界，左側以II類巖體為主，右側為Ⅲ、Ⅳ類巖體。因而左側采用錨桿隨機錨固，右側斷層部位采用混凝土塞置換,并設置錨筋樁錨固；右側位于主要沖刷區的非斷層區范圍設置長錨筋樁錨固，其余部位設置短錨筋樁錨固。

消力塘采用貼坡鋼筋混凝土襯砌，620.0 m高程以下、620.0～635.0、635.0～655.0 m高程襯砌厚度分別為2、1、0.6 m。貼坡混凝土設順坡向無寬度結構縫，間距一般為15 m，縫中不設止水，鋼筋不過縫。邊墻上設錨筋樁錨固。

3.6 混凝土設計

根據溢洪道各部位的流速及結構要求，確定溢洪道各部位混凝土設計參數見表2。

表2 溢洪道各部位混凝土設計參數

4 結語

糯扎渡水電站為瀾滄江上的巨型水電工程，泄洪消能問題十分突出。為此，在可行性研究階段，對泄洪建筑物布置進行了多方案比選、研究，在招標階段進行了深化研究，結合整體水工模型試驗及溢洪道單體、摻氣減蝕、護岸不護底、泄洪霧化等專題研究，設計了適合本工程特點的大型岸邊溢洪道。

由于河道狹窄、泄洪功率巨大，在溢洪道挑流鼻坎下游設置消力塘消能，有效解決了消能問題。消力塘的開挖料作為堆石壩主要料源，降低了工程造價。該工程的泄洪消能設計對類似工程的建設具有借鑒和指導意義。