航電工程泄水建筑物設(shè)計(jì)與研究

婁曉波，余 揚(yáng)，王曉慧

(中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)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(zhèn)上游;開發(fā)任務(wù)為航運(yùn)為主、結(jié)合發(fā)電，促進(jìn)地方社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。水庫正常蓄水位317.00 m，總庫容2.29億 m3，裝機(jī)容量480 MW，多年平均發(fā)電量為19.84億kW·h，設(shè)計(jì)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(wǎng)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(fā)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(tài)要求較高;工程洪峰流量大，校核工況達(dá)68 800 m3/s，而河道相對狹窄，導(dǎo)致泄水建筑物單寬泄量達(dá)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(yùn)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(qū)兩岸平緩，灘地發(fā)育，耕地較多，人口眾多，工程對庫區(qū)的影響較大，建設(shè)征地和移民安置補(bǔ)償、庫區(qū)防護(hù)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(hù)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(shí)現(xiàn)樞紐工程開發(fā)目標(biāo)、確保工程和庫區(qū)安全、減少工程及水庫淹沒、防護(hù)投資和確保工程效益的關(guān)鍵，同時對施工期的通航暢通、分期導(dǎo)流的成功與否起到至關(guān)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(qū)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(yīng)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(fā)電廠房相互間矛盾突出，泄水建筑物布置應(yīng)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(fā)電和泄洪水流對上、下游水流流態(tài)的影響控制在通航要求的范圍內(nèi)。

3.3 滿足施工期導(dǎo)流布置要求

根據(jù)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(cè)部分泄水建筑物施工時，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)滿足2個條件:①庫水位不超過庫區(qū)防洪堤防洪限制水位;②當(dāng)汛期Q≤12000m3/s(允許通航最大流量)時應(yīng)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(yīng)滿足2個條件:①聯(lián)合度汛(度汛標(biāo)準(zhǔn)為全年10 a一遇洪水)時，庫水位不超過庫區(qū)防洪堤防洪限制水位;②當(dāng)來流量為691 m3/s(P=90%)時應(yīng)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(yùn)行條件

6—9月為岷江汛期，當(dāng)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(yùn)行;當(dāng)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(dāng)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(yīng)的水位是庫區(qū)防護(hù)控制的依據(jù)，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(shè)計(jì)

4.1 堰面型式選擇

低水頭泄水建筑物堰面型式有低實(shí)用堰和寬頂堰兩種，兩種堰型各有特點(diǎn)。低實(shí)用堰在較大流量下過流能力相對較強(qiáng)，可以適當(dāng)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(qū)影響更為有利，且易于排沙的優(yōu)點(diǎn)。另外，寬頂堰具有結(jié)構(gòu)簡單，施工方便的優(yōu)點(diǎn)。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(qū)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(dāng)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(jié)合該河段地形情況，閘址下游6 km范圍內(nèi)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(yīng)的有效過流面積約為7 200 m2，建閘后船閘占用河道相應(yīng)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(jīng)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(nèi)，其樞紐區(qū)左岸上、下游開挖范圍較大，對新民鎮(zhèn)的影響也大，同時，發(fā)電廠房的引水流量較大，偏離主河床較遠(yuǎn)，易改變主河床，對通航不利，因此，從地形地質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)、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(shù)。

根據(jù)目前國內(nèi)閘門金屬結(jié)構(gòu)的制造加工、吊裝及運(yùn)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?biāo)飨蜷L度增加了約25 m，導(dǎo)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(xué)計(jì)算及模型試驗(yàn)

4.5.1 水力學(xué)理論計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)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(jì)算，即:

計(jì)算成果見表1。

在低水頭泄水建筑物水力學(xué)計(jì)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(jì)入行近流速水頭和不計(jì)行近流速水頭分別對泄水建筑物前緣總凈寬進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(jì)行近流速水頭比計(jì)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(yàn)

為驗(yàn)證樞紐泄流能力，進(jìn)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(yàn)，對樞紐泄洪能力進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果均表明，泄水建筑物泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)規(guī)模合理。泄水建筑物泄流能力理論計(jì)算與模型試驗(yàn)泄流能力比較見表2。

表2 理論計(jì)算值與模型試驗(yàn)值比較表

4.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shè)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(jù)施工導(dǎo)流需要，左邊墩及右側(cè)第五個中墩兼作施工導(dǎo)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?biāo)鞣较蜷L度40.0 m。

5 結(jié)語

龍溪口工程開發(fā)任務(wù)以航運(yùn)為主、結(jié)合發(fā)電，促進(jìn)地方社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展;工程特點(diǎn)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(qū)淹沒影響等幾個因素進(jìn)行了計(jì)算、分析，并經(jīng)水工水工樞紐整體和泄水建筑物單體模型試驗(yàn)驗(yàn)證，保證樞紐工程布置合理、經(jīng)濟(jì)、可行。

［1］水利部.SL265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)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.