官地水電站RCC大壩泄洪底流消能技術研究與應用

彭文明，胡小紅，陳 強，張連明

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072）

1 工程概況

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州，是雅礱江卡拉至江口河段水電規劃5級開發的第3個梯級電站，其主要任務是發電。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高168 m，采用壩身5個表孔和2個中孔泄洪及底流消能的方案。水庫正常蓄水位1 330.00 m，設計洪水位1 330.18 m，總庫容7.6億m3，屬日調節水庫。電站總裝機容量2 400 MW，多年平均年發電量118.7億kW·h。

大壩于2009年9月開始澆筑第1倉混凝土，2011年12月澆筑至壩頂，歷時27個月，壩體混凝土澆筑總量約344萬m3。電站于2012年3月實現首臺機組發電。

2 泄洪消能的特點及技術難點

官地大壩最大壩高168 m，設計洪水流量14 000 m3/s，校核洪水泄洪流量15 900 m3/s，上下游水頭差最大達105.6 m，屬于典型的高水頭、大流量泄洪建筑物。工程處于高山峽谷河段，兩岸地勢陡峻，岸坡風化卸荷強烈。由于挑流消能存在霧化降雨嚴重影響岸坡穩定，而底流消能方案具有壩體體形相對簡單、有利于碾壓混凝土優質快速施工等優點，因此工程采用表孔泄洪、 “寬尾墩+連續跌坎+底流消力池”進行底流消能的方案，具有水頭高、落差大、流速高、單寬流量大、單寬泄洪功率大的特點，設計洪水時，下泄單寬流量122.7 m3/（s·m），上下游落差105.6 m，單寬泄洪功率127.1 MW/m；校核洪水時，下泄單寬流量167.37 m3/（s·m），上下游落差104.9 m，單寬泄洪功率172.2 MW/m。

官地高壩泄洪底流消能如按常規設計，水流平滑入池流速可達42~45 m/s，高速紊動水流對消力池底板穩定性極為不利，過流壩面也會因水流速度過大，產生空化、空蝕破壞，其底流消能防沖的規模和技術難度在國內外當屬前列。因此，采取措施降低池內臨底流速、進行壩面摻氣減蝕是該工程泄洪消能的重點，也是最大的技術難點。

3 底流消能的布置形式及消能工試驗研究

參考已建工程的經驗[1-5]，結合官地大壩泄洪消能的特點進行底流消能設施布置，通過大量模型試驗研究論證方案的合理性，并對設計方案進行了優化調整。

3.1 底流消能布置基本體形

溢流表孔泄洪消能建筑物基本布置為 “表孔寬尾墩+連續跌坎+底流消力池”。5個溢流表孔為開敞式，孔口尺寸為15 m×19 m （寬×高），表孔均采用寬尾墩布置形式，中墩厚5 m，邊墩厚4 m。溢流堰頂高程為1 311.00 m，下游堰頂冪曲線方程為y=0.042 854x1.85，后接1∶0.75斜坡，再通過半徑48.0 m的反弧段與消力池相接。為減小消力池臨底流速，在壩體下游反弧末端設連續跌坎，跌坎高度為6.5 m，并在壩面樁號 （壩）0+045.80和 （壩）0+070.00分別設置1道摻氣坎槽，使溢流壩面 （含反弧段）得到有效摻氣保護。底流消力池底高程1 188.00 m，池底長135 m，寬95 m，尾坎高22.5 m。

3.2 連續跌坎研究

高水頭、大流量泄洪工程采用常規底流消能時，由于消力池底板臨底流速大，底板的抗沖保護難度很大[6]。為降低消力池底板臨底流速和脈動壓強，官地大壩采用跌坎式底流消能。

連續跌坎主要進行高度選擇研究。跌坎高度對消力池臨底流速、池底壓強、池內流態和尾坎出口的水流形態均有直接關系。類比其他工程[7-8]，對官地大壩進行5~10 m跌坎高度對比試驗研究，試驗情況如表1所示。

試驗表明，跌坎過高或過低時，臨底流速均較高，水流流態不夠穩定，消能效果不好。進行6～8 m跌坎高度對比發現，坎高7～8 m時，常遇洪水時將出現面流，且出池流速與水面波動較大；坎高6～7 m時，各種洪水工況流態均較好。結合中小型洪水閘門開啟要求，在保障水流流態穩定的前提下確保一定的消能效率，最終確定的跌坎高度為6.5 m。

3.3 寬尾墩布置及體形研究

自中國首創寬尾墩[9]以來，寬尾墩聯合消能得到了大量的研究和應用[10-11]，較為成熟的寬尾墩基本體形有Y形和X形。寬尾墩通過改變壩面流態，水體通過寬尾墩作用向豎向拉開擴散，形成空中挑射摻氣水流，不但在入池前增大能量損失，同時改善入池后的流速流態分布，形成三元水躍流態，從而提高消能效率。

官地大壩進行了無寬尾墩、Y形和X形 （在Y形基礎上局部調整）寬尾墩3個方案的試驗比較（見表2）。綜合比較流態、臨底流速、時均壓強、脈動壓強等因素，Y形寬尾墩方案在消力池內呈現典型的三元水躍流態，對于消力池底板的安全，尤其是跌坎附近強紊動區底板的安全性優于其他兩種方案，作為選擇方案。

表1 跌坎高度對比試驗結果

表2 寬尾墩體形比較試驗結果

Y形寬尾墩：在樁號 （壩）0+35.82～0+45.80范圍內泄槽寬度由15 m收縮為8 m，收縮角為19.29°；寬尾墩前端高度為2 m，上邊緣線與水平向的夾角為30°。由于受上游來流不對稱性的影響，官地大壩2個邊表孔泄槽中的水深沿橫向分布極不均勻，由此造成寬尾墩斷面水翅較為明顯，部分裂散水體直接擊打兩側邊墻。根據邊表孔水翅的形狀特征和大壩的橫縫位置，通過對邊表孔Y形寬尾墩進行優化調整，改為不對稱V形寬尾墩 （見圖1），較好解決了邊孔水流流態問題。

圖1 不對稱V形寬尾墩體形（左邊表孔）（高程：m，尺寸：cm）

3.4 溢流壩面摻氣減蝕設施研究

通過空化數的計算[12-13]和試驗判斷，在寬尾墩收縮斷面 （壩）0+35.80附近，水流的空化數已經小于0.3，根據文獻[14]，有必要在寬尾墩下游溢流壩面采取其他摻氣減蝕措施。

按照一般經驗，摻氣設施對平直段的保護長度約100~150 m，對反弧段的保護長度約70~100 m。官地大壩溢流面直線段長約105 m，后接約45 m長的反弧段，可采用1或2道摻氣設施，摻氣設施選用壩面常用的坎槽組合形式。

（1）1道摻氣坎方案。進行初步布置位置比選發現，摻氣坎設置在 （壩）0+045.80處 （寬尾墩墩尾斷面）效果最佳；根據文獻[15]進行摻氣坎截面計算，擬定摻氣槽截面尺寸為1 m×1.125 m （寬×深）、坎高范圍0.8~2.2 m，并對各種坎高方案進行摻氣效果試驗。水力模型試驗表明，為使反弧段得到有效摻氣保護，坎高需取2.2 m，但該方案溢流壩面脈動壓強也很大，達到94.1 kPa，將給反弧段造成較大脈動破壞，不是最優選擇。

（2）2道摻氣坎方案。保持第1道摻氣坎位置不變，在 （壩）0+070.00處壩面增設第2道摻氣坎，初擬不同坎高方案進行對比試驗 （見表3）。經綜合比較，當坎高均為1.5 m、摻氣槽截面為1.2 m×2.0 m（寬×深）時，摻氣濃度基本滿足設計要求，且壩面脈動壓強峰值較小，為最終選擇方案。

表3 2道摻氣坎方案對比試驗（設計洪水）

4 RCCD溢流壩面設計及施工特點

作為高水頭、大流量過流壩面，官地大壩溢流面在預可研階段進行了是否采用臺階式壩面的比選。雖然在大朝山工程開展了臺階式過流壩面的試驗研究，并取得了一定進展，但由于官地最大壩高 （168 m）比大朝山 （111 m）高出很多，且單寬流量遠遠超出國內外常規臺階式壩面單寬流量，通過水力模型對比試驗表明，官地臺階式溢流壩面方案消能效果并不明顯，反而大大增加了臺階壩面的空蝕破壞，因而官地最終采用光滑溢流壩面方案。

結合溢流壩結構設計，溢流面采用厚0.5 m的C50抗沖耐磨混凝土；為方便施工和更好的與壩體內碾壓混凝土結合，在抗沖耐磨混凝土下設置一層平均厚2.5 m的C25常態混凝土。為保證RCCD快速施工，官地溢流壩面在設計及施工上還采取了以下一些措施：

（1）反弧段分期澆筑施工。由于反弧段壩面由水平過渡到1∶0.75坡度，壩坡相對較緩，為避免壩面常態混凝土澆筑影響碾壓混凝土施工進度，采用分期澆筑方式。一期為碾壓混凝土施工，壩面為臺階形，每級臺階高1 m；二期為表面常態混凝土施工。其中施工縫面設置3排插筋 （φ32 mm@100 cm），并對1 213.00 m高程反弧段與直線段之間的施工縫采用鍵槽、布置2道止水銅片。

（2）直線段同期澆筑施工。為方便施工，直線段壩面碾壓混凝土和常態混凝土均同期澆筑，使得該部位混凝土更好地與壩體內碾壓混凝土結合。

5 結語

官地水電站碾壓混凝土重力壩泄洪消能具有高水頭、大流量的特點，類比已建工程并經過大量試驗研究，最終確定采用 “溢流表孔寬尾墩＋連續跌坎＋底流式消力池”的消能形式。通過水工模型試驗研究，對寬尾墩、連續跌坎體形以及溢流壩面摻氣減蝕設施等各種消能設施進行充分的驗證和優化。結合RCCD的施工特點，對官地大壩溢流面設計和施工采取相關措施，確保工程施工順利，為電站提前發電奠定了基礎。

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