長河壩水電站泄水建筑物的布置與設計

蒙 富 強

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

?

長河壩水電站泄水建筑物的布置與設計

蒙 富 強

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：根據長河壩水電站壩址區的地形、地質條件，對泄水建筑物的布置進行了多方案比選，最終推薦了全泄洪洞方案并隨著勘測設計工作的深入進行了適當的優化，降低了工程施工難度和風險；在泄水建筑物布置型式確定后，根據復核水工模型取得的試驗成果，對建筑物的體型及結構進行了合理的設計，滿足了規范要求，為施工提供了可靠依據，可為類似泄水工程提供借鑒與參考。

關鍵詞：長河壩水電站；泄水建筑物；布置；泄洪洞；試驗

1工程概述

長河壩水電站系大渡河干流水電規劃開發的第10級電站，工程等別為一等大(1)型，電站采用水庫大壩、地下引水發電系統的開發方式，總裝機容量為2 600 MW，總庫容為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#開敞泄洪洞及放空洞。大壩、泄水建筑物按1 000 a一遇洪水設計，可能最大洪水(PMF)校核，設計洪水流量為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壩區地形地質條件及樞紐布置

長河壩水電站壩址區內的大渡河在該河段由S40°～50°E流向轉為南西流向形成了一個90°的河灣，河谷相對開闊，呈較寬的“V”型。河谷兩岸邊坡陡峻，岸坡沖溝較發育，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、沙場溝等。

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

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

2.2泄水建筑物的選擇

長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，出口水流順河道、歸槽條件好。在可研階段，結合壩址區的地形地質條件，對泄水建筑物布置擬定了三個組合方案進行比選。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條開敞泄洪洞+2條深孔泄洪洞+1條放空洞；方案三：2條開敞泄洪洞+1條深孔泄洪洞+1條放空洞。通過綜合比較，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削峰流量基本相當，在常年洪水時均運行可靠、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挖高度，減少施工干擾，有利于安排初期蓄水并縮短發電工期。因此，根據工程具體條件，長河壩水電站泄水建筑物選擇采用方案三進行布置，即3條泄洪洞從左至右依次為深孔泄洪洞、2#、3#開敞泄洪洞，3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；放空洞布置在開敞泄洪洞右側，洞軸線方位角為N11°26′57″E，與開敞泄洪洞軸線間距為80～115 m。

長河壩工程泄洪水頭高、流量大、流速高，水力學問題復雜，結合工程樞紐布置3條泄洪洞及放空洞均選擇“一坡到底”無壓泄洪直洞的布置形式，經分析研究是合理、可行的，其建筑物特性見表1。

表1　樞紐泄水建筑物特性表

2.3泄水建筑物布置優化

長河壩水電站泄水建筑物集中布置于河道右岸，其進、出口邊坡地形陡峻，招標階段開挖邊坡高度均達300 m以上，最高達360 m，受施工通道和翻渣集渣平臺限制，工程邊坡開挖支護自身的施工難度很大且泄洪洞進口邊坡開挖對下部已經投運的初期導流洞進水口威脅極大。

因此，在技施階段，結合現場實際地形地質條件并根據復核模型試驗成果決定：采用小角度偏轉泄水建筑物軸線、適當外移開敞進口塔體和出口挑坎位置，對進出口邊坡采用“弱開挖、強支護”的方案，分一期自然邊坡及二期開挖邊坡進行支護，將進出口邊坡高度降低至100 m左右，極大地降低了施工難度。

泄水建筑物布置優化后，1#、2#泄洪洞軸線進口平面間距約為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泄水建筑物設計

3.11#深孔泄洪洞

1#泄洪洞進口為深孔岸塔式結構，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)進口段設計。

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

1 645 m，進口底板頂高程為1 650 m，塔頂高程為1 697 m，塔體內設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行時產生的貫穿性漩渦，在進口塔體上游面1 685 m高程以上設置豎向消渦板。1#深孔泄洪洞最大泄流量為3 692 m3/s。

(2)洞身段設計。

泄洪洞洞身采用一坡到底的無壓隧洞形式，長1 362 m，隧洞進口底高程為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)。根據水力計算及模型試驗成果，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0+400下游洞段的水流空化數小于0.3。為防止洞身段混凝土發生空蝕破壞，在洞身段沿程布置了6道摻氣坎和兩側矩形通氣井。試驗結果表明：在設計洪水閘門全開的情況下，摻氣坎空腔長度約為14～30 m，通氣井最大風速約為58.4 m/s，摻氣坎下游保護段摻氣濃度均大于3%，滿足規范要求。

洞身段均采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，其中進出口洞段及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)出口段設計。

經過水工模型試驗多種方案研究確定，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，出口左側挑射半徑110 m，挑角為21°，左側邊墻從樁號1+382起接半徑R=350 m的圓弧，圓弧沿軸線方向長度為40 m，挑坎出口高程為1 511.04 m；出口右側底板挑射半徑為90 m，挑角為36°；右側邊墻呈平面投影半徑R=270 m的圓弧，圓弧沿軸線方向長度為55 m，出口高程為1 519.76 m。

根據試驗成果得知，出口挑坎水舌縱向拉伸擴散較充分，歸槽條件較好，在設計水位閘門全開情況下水舌挑距為156.2～190.6 m，入水寬度約為48.3 m，對左岸岸坡沖刷影響小。

3.22#、3#開敞泄洪洞

2#、3#開敞泄洪洞進口均為開敞式岸塔結構，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)進口段設計。

2#開敞泄洪洞進水口采用WES實用堰，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×寬×高)。進口設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，進口邊墩前沿為圓弧(R=3 m)。WES實 用 堰 堰 面 曲 線 方 程X185=23.223 3Y，原點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，后接無壓泄洪洞，起點底高程為1 662.5 m。進口塔體上游兩側設置長6.5 m的導水墻，以改善其進口水力學條件。

3#泄洪洞進口塔體布置與2#泄洪洞基本一致，進口塔體上游兩側分別設置長6.5 m和12 m的導水墻，以改善其進口水力學條件。

2#、3#開敞泄洪洞的最大泄流量均為3 138 m3/s。

(2)洞身段設計。

2#、3#泄洪洞洞身均采用一坡到底的無壓隧洞形式，洞身總長度分別為1 498 m、1 540 m，隧洞進口底高程為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)。根據水力計算及模型試驗成果，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0+390下游洞段的水流空化數小于0.3。為防止洞身段混凝土發生空蝕破壞，在洞身段沿程布置了6道摻氣坎和兩側矩形通氣井。試驗結果表明：在設計洪水閘門全開情況下，摻氣坎空腔長度約為16～31 m，通氣井最大風速約為57.3 m/s，摻氣坎下游保護段最小摻氣濃度約為2.9%，滿足規范要求。

洞身段襯砌方式與1#深孔泄洪洞一致。

(3)出口段設計。

2#開敞泄洪洞出口采用窄縫挑坎體型，起挑高程為1 500 m，挑坎長度為45 m，出口寬度為6 m，左右側收縮段長度均為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#開敞泄洪洞出口采用擴散斜切挑坎，起挑高程為1 500 m，長度為74.37 m。挑坎左端弧線長22.69 m，直線段長28.32 m；挑坎右端弧線長25.26 m，直線段長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。

根據試驗成果得知：2#開敞泄洪洞出口挑坎水舌流態良好，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，落點位于河道中心，在設計水位閘門全開情況下水舌挑距約為55.4～142.2 m，入水寬度約為14.1 m。3#開敞泄洪洞出口挑坎水舌橫向擴散情況較好，擴散非常充分，水舌落點位于河道中心，歸槽條件較好，在設計水位閘門全開的情況下水舌挑距約為80.2～123.5 m，入水寬度約為51.6 m，對右岸岸坡沖刷影響小。

3.3放空洞

放空洞進口為深孔岸塔式結構，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)進口段設計。

放空洞進口采用短有壓進口型式，進口基礎高程1 585 m，底板頂高程1 590 m，塔頂高程1 697 m，進水口塔體尺寸為49 m×22 m×114 m(長×寬×高)。塔體內設檢修閘門、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)。庫水位高程低于1 658.5 m時，放空洞開始啟用，其最大泄流量為1 974 m3/s。

(2)洞身段設計。

放空洞洞身采用一坡到底的無壓隧洞形式，長1 701.65 m，隧洞進口底高程為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)。根據水力學計算及模型試驗成果，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，水流空化數為1.11～0.29，因此，洞身沿程未布置摻氣設施。

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類圍巖洞段僅進行邊墻及底板襯砌，頂拱只作噴錨支護，襯砌厚度為0.6 m。邊墻和底板襯砌采用C9040高強混凝土，頂拱采用C25混凝土。

(3)出口段設計。

放空洞出口采用扭曲挑流鼻坎，平面彎曲非對稱擴散。從“放1+701.65”位置起挑，起挑點高程為1 490 m。出口左側挑射半徑為91.67 m，挑角為18°，左側邊墻從樁號1+701.65起接半徑R=60.84 m的圓弧，圓弧沿軸線方向長度為27.77 m，挑坎出口高程為1 494.31 m。出口右側挑射半徑R=80.51 m，挑角為30°，右側邊墻平面投影R=225 m的圓弧，軸線方向長度為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。在河岸左側產生回流，但回流影響很小。

4結語

長河壩水電站泄水建筑物泄洪總量近9 970 m3/s，筆者結合壩址區地形、地質條件，對泄水建筑物的布置進行了比較研究，所提出的1條深孔泄洪洞+2條開敞泄洪洞+放空的全泄洪洞組合方式是合理、可行的，且隨著勘測設計工作的深入，對泄水建筑物的布置進行了適當的優化，很大程度上降低了工程施工難度，降低了工程風險。

泄水建筑物泄洪水頭高、流量大、流速高，水力學問題復雜，根據水工模型試驗成果，對泄水建筑物的體型及結構進行了優化設計，設計成果滿足規范要求，為施工提供了可靠依據，亦可為類似泄水工程提供借鑒與參考。

蒙富強(1980-)，男，廣西百色人，高級工程師，碩士，從事水工結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-04

文章編號:1001-2184(2016)01-0018-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222