孟凡理，竇向賢

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

猴子巖水電站是大渡河干流規(guī)劃開發(fā)方案的第9個(gè)梯級(jí)電站，上游為丹巴水電站，下游為長河壩水電站。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河壩最大壩高223.50 m，水庫總庫容7.06億m3，電站裝機(jī)容量1 700 MW(425 MW×4臺(tái))，為一等大(1)型工程。擋水和泄水建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)采用1 000年一遇洪水設(shè)計(jì)，可能最大洪水(PMF)校核(堆石壩)，設(shè)計(jì)洪水流量7 550 m3/s，校核洪水流量9 940 m3/s，最大泄洪水頭約135 m，總泄洪功率約為13 000 MW。

2 泄水建筑物布置影響因素及布置原則

2.1 地形地質(zhì)條件

猴子巖水電站地處鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶和安寧河-小江斷裂帶所切割的川滇菱形塊體、巴顏喀拉塊體和四川地塊交接部位，處于川滇菱形塊體東緣外側(cè)，地震基本烈度為Ⅶ度。

壩址區(qū)對(duì)建筑物布置影響較大的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面的斷層主要有F0斷層和F3斷層。F0斷層出露于左岸壩軸線上游山坡處，向兩岸延伸長度推測大于2 000 m，斷層帶寬5～6 m。F3斷層分布于左岸壩軸線上游山坡處，長度大于1 km，在左岸山坡處有出露點(diǎn)，斷層寬約5 m。

地層主要為志留系上統(tǒng)(S3)～泥盆系下統(tǒng)(D1)變質(zhì)碳酸鹽巖、絹云石英白云片巖、泥質(zhì)結(jié)晶白云巖等。河床覆蓋層深厚，一般厚41.20～67.77 m，最厚85.5 m，由多層結(jié)構(gòu)組成，主要為河床含漂(塊)卵(碎)礫石和砂卵(碎)礫石層、粘質(zhì)粉土層，抗沖刷能力弱。

壩址區(qū)河谷狹窄，V形河谷，略呈S形流向，壩軸線左岸略成凹岸，右岸略成凸岸。兩岸地形陡峻，臨河坡高大于800 m，左岸1 900 m高程以下地形坡度一般60°～65°，以上變緩為30°～40°，右岸2 000 m高程以下地形坡度一般55°～60°，以上為40°～50°。

壩前右岸發(fā)育磨子溝，溝谷切割較深。磨子溝位于右岸壩前，流域面積約19.4 km2。溝口高程1 712 m，溝口較窄，溝內(nèi)寬敞，為早期的冰川谷，溝內(nèi)的堆積物非常豐富。

左岸壩下游分布有泥洛堆積體和角壩堆積體。左岸泥洛堆積體上部為覆蓋層，下部為基巖。前緣順河向?qū)?80～530 m，后緣寬400 m，分布高程1 710～2 500 m。堆積層厚度較大，體積約為5 800萬m3。覆蓋層一般厚54.51～81.2 m，最厚147 m。

角壩堆積體位于泥洛溝下游側(cè)，后緣分布高程2 420 m，前緣分布高程1 740 m，縱向長1 600 m，橫向?qū)?80 m，平面范圍較大，堆積物一般厚14～25 m，前緣最深52 m，體積約為1 000萬m3。

初步分析可知，樞紐建筑物布置主要受壩址區(qū)上游磨子溝、F0、F3斷層和下游左岸尼洛堆積體、角壩堆積體等地形地質(zhì)條件限制，泄水建筑物出口布置需考慮下泄水流對(duì)岸坡、河床的沖刷和泄洪霧化對(duì)岸坡穩(wěn)定影響。

2.2 泄水建筑物布置原則

本工程壩址區(qū)河道略呈S形流向，樞紐布置受限上游右岸磨子溝、下游左岸泥洛堆積體，布置條件有限，各建筑物出口布置擁擠，如何充分利用現(xiàn)有泄水建筑物及結(jié)合利用導(dǎo)流建筑物解決布置問題是泄水建筑物設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一；本工程河谷狹窄，岸坡陡峻，下游近壩左岸泥洛堆積體、右岸古河床灘地規(guī)模巨大，泄洪霧化及沖刷問題較為復(fù)雜，其泄洪消能和岸坡保護(hù)問題是泄水建筑物設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一；本電站泄水建筑物校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(PMF)洪峰流量為9 940 m3/s，最大泄洪水頭約135 m，總泄洪功率約為13 000 MW，最大泄水流速約45 m/s，高速水流空化空蝕問題及預(yù)防措施是泄水建筑物設(shè)計(jì)的又一重點(diǎn)。綜合來看，本工程泄洪具有“水頭高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點(diǎn)。

根據(jù)本工程的泄洪規(guī)模和樞紐布置特點(diǎn)，結(jié)合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件、水文特性、水庫調(diào)度運(yùn)行方式并兼顧施工中后期導(dǎo)流，泄水建筑物布置原則為：

(1)本工程水庫庫容相對(duì)略小，且受庫尾古碉群限制汛期庫水位要保持較低水位運(yùn)行，調(diào)節(jié)能力較差，樞紐泄洪頻繁，因此，要合理確定泄洪規(guī)模，泄水建筑物要運(yùn)行靈活，安全可靠。

(2)根據(jù)“分區(qū)泄洪、分散消能”的原則，采用溢洪道(洞)和泄洪洞聯(lián)合泄洪形式，盡量降低泄洪難度。

(3)根據(jù)土石壩壩身不能過流的特點(diǎn)，各泄洪設(shè)施運(yùn)行要靈活，各常規(guī)泄洪設(shè)施能夠互為備用，增加泄洪的靈活性和安全性，泄水建筑物超泄能力要強(qiáng)，以滿足非常條件下水庫泄洪要求。

(4)泄水建筑物的布置應(yīng)與其他樞紐建筑物的布置相協(xié)調(diào)，避免施工和運(yùn)行期相互干擾。

(5)重視泄洪霧化的影響，對(duì)霧化區(qū)內(nèi)的建筑物和岸坡，特別是泥洛堆積體采取切實(shí)有效工程保護(hù)措施。

(6)考慮特殊運(yùn)行要求和大壩檢修的需要，應(yīng)設(shè)置水庫放空建筑物。

(7)泄洪洞、放空洞等永久建筑物應(yīng)考慮與導(dǎo)流洞等臨時(shí)建筑物的結(jié)合利用。

3 泄水建筑物布置方案擬定與比選

綜合考慮壩址區(qū)地形地質(zhì)條件及樞紐建筑物整體布置，面板堆石壩布置于河道S形彎道的中部。左岸受F0、F3斷層的影響范圍較右岸大，引水發(fā)電系統(tǒng)布置于右岸山體內(nèi)。

樞紐布置研究時(shí)，對(duì)開敞式溢洪洞和開敞式溢洪道兩種泄洪組合方式分別進(jìn)行了研究。開敞式溢洪道因其超泄能力強(qiáng)和施工檢修方便等特點(diǎn)，往往是大型土石壩樞紐優(yōu)先選擇的泄水建筑物型式，但由于壩址區(qū)河谷狹窄，位V形河谷，臨河坡高大于800 m，左岸1 900 m高程以下地形坡度一般60°～65°，以上變緩為30°～40°，右岸2 000 m高程以下地形坡度一般55°～60°，以上為40°～50°，由于兩岸地形均陡峻，壩址區(qū)不具備布置開敞式溢洪道的地形條件。溢洪洞可以避免大面積開挖和高邊坡問題、對(duì)施工交通影響小、利于環(huán)境保護(hù)，因此采用具備較強(qiáng)超泄能力的溢洪洞。河道略呈S形流向，壩軸線左岸略成凹岸，右岸略成凸岸，溢洪洞不宜在平面上轉(zhuǎn)彎，因此布置于右岸。

結(jié)合擋水建筑物、引水發(fā)電建筑物和溢洪洞布置，根據(jù)上述泄水建筑物布置原則，對(duì)放空洞參與泄洪可行性以及施工導(dǎo)流建筑與永久水工建筑物的結(jié)合利用進(jìn)行了研究，根據(jù)以上兩項(xiàng)分析研究成果擬定參與比選的泄水建筑物布置方案。

3.1 放空洞參與泄洪可行性研究

放空洞工作閘門的孔口尺寸為6 m×5 m，作用水頭87 m，閘門為潛孔弧形閘門，直支臂，主縱梁布置，啟閉設(shè)備采用作用在閘門頂部的搖擺式液壓啟閉機(jī)。大型深孔閘門能否在高水頭下工作有兩大制約因素：一是啟閉力的大小和啟閉機(jī)的行程，主要是受啟閉機(jī)制造水平限制；二是高水頭下開啟閘門的水力學(xué)特性，如果水力學(xué)條件不好，可能引起閘門或門槽的破壞。經(jīng)計(jì)算，閘門的啟門力大約為2 000 kN，閉門力約為1 000 kN，行程為9.6 m，目前國內(nèi)的制造水平能滿足該液壓啟閉機(jī)的制造要求。根據(jù)目前高水頭閘門技術(shù)水平而言，雖然該閘門的孔口尺寸大、操作水頭高，但其表征量級(jí)與目前國內(nèi)外在建或已建的高水頭閘門并無數(shù)量級(jí)差異，因此在充分研究閘室和閘門布置形式的條件下能夠在全水頭下啟閉(全開全閉，不允許局開)閘門。放空洞參與泄洪結(jié)構(gòu)布置上可行，故本工程推薦放空洞參與泄洪。

3.2 導(dǎo)流洞結(jié)合利用研究

本工程施工期共設(shè)有2條導(dǎo)流洞，根據(jù)本工程實(shí)際地形地質(zhì)條件，兩條導(dǎo)流洞布置在左岸。放空洞布置于河道右岸，參與泄洪和后期導(dǎo)流，同時(shí)作為右岸過壩交通的一部分加以利用，故放空洞不宜與左岸導(dǎo)流洞結(jié)合利用。

初步選定的結(jié)合泄洪洞布置在左岸，進(jìn)口比導(dǎo)流洞高90 m，其上平段軸線與導(dǎo)流洞大角度相交。導(dǎo)流洞改建為泄洪洞，可改建為龍?zhí)ь^式、豎井漩流式、水平漩流式及有壓洞塞消能式。龍?zhí)ь^式一般都布置為全明流形式，要求洞軸線為直線，因此，結(jié)合泄洪洞不宜采用龍?zhí)ь^布置方案。導(dǎo)流洞斷面尺寸較大，利用洞段長達(dá)600 m左右，考慮到下游泥洛堆積體的存在，結(jié)合的泄洪洞應(yīng)盡量利用這一有利條件，在洞內(nèi)適當(dāng)設(shè)置消能設(shè)施，減小下游河床的消能負(fù)擔(dān)，減弱沖刷。從布置條件上，有利用一條導(dǎo)流洞采用豎井型式改建成泄洪洞的條件。擬改建的1號(hào)導(dǎo)流洞布置在左岸山體外側(cè)，進(jìn)口高程為1 698.00 m，出口高程為1 693.00 m，斷面尺寸為13 m×15 m，長1 553.904 m，坡度i=0.321 77%，一坡到底。豎井漩流式泄洪洞一般適用于流量小而水頭較高的情況，結(jié)合泄洪洞初擬泄量為1 500 m3/s左右，水頭約150 m，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程不適宜采用豎井漩流消能方式。經(jīng)初步分析，本工程擬研究水平漩流式和有壓洞塞消能式，采用豎井有壓洞塞消能的結(jié)合方式參與泄水建筑物布置方案比選。

3.3 方案擬定

根據(jù)以上初步分析，放空洞參與泄洪及導(dǎo)流洞改建為非常泄洪洞技術(shù)上均基本可行，考慮各泄水建筑物布置和形式的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合安全條件、施工條件、運(yùn)行條件、經(jīng)濟(jì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多個(gè)樞紐布置方案比選，樞紐泄水建筑物布置方案為泄水建筑物由1條溢洪洞、1條深孔泄洪洞、1條非常泄洪洞(由1號(hào)導(dǎo)流洞改建)和1條泄洪放空洞組成。深孔泄洪洞及非常泄洪洞布置在左岸，溢洪洞及泄洪放空洞布置在右岸。

4 泄水建筑物體形設(shè)計(jì)

4.1 泄量分配

校核洪水時(shí)，溢洪洞、深孔泄洪洞、非常泄洪洞、泄洪放空洞泄量分別為4 036、2 987、1 470.3、1 068 m3/s，分別占總泄量的42.2%、31.2%、15.4%和11.2%。設(shè)計(jì)洪水時(shí)，在考慮一半機(jī)組過流的情況下，溢洪洞和深孔泄洪洞泄量分別為3 203.2、2 881 m3/s，分別約占總泄量的52.6%和47.4%。

4.2 泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)

4.2.1 溢洪洞

溢洪洞結(jié)合地形條件采取“前隧洞、后明槽”的布置形式，前段為開敞式進(jìn)口泄洪隧洞，后段為泄洪明槽，由開敞式進(jìn)口段，無壓洞段、明渠泄槽段和出口挑流鼻坎段組成，總長為1 147 m。

進(jìn)口為WES型實(shí)用堰型，堰頂高程1 818.00 m，控制閘頂高程1 848.00 m，順?biāo)鏖L45.28 m，設(shè)一道弧形工作門，工作門上游設(shè)一道平板檢修門，工作閘門尺寸15.00 m×24.00 m(寬×高)。

無壓洞段洞身采用一坡到底的無壓隧洞形式，長825.00 m，隧洞斷面形式為城門洞形，斷面尺寸15.0 m×23 m(寬×高)，頂拱高5.0 m，底坡i=0.025。

由于明槽沿線地形坡度變化大且較為陡峭，為適應(yīng)地形變化和減小邊坡的開挖高度，明槽段由兩個(gè)底坡段組成，前段底坡i=0.025，后段底坡i=0.4，兩段底坡由拋物線連接。明槽斷面為矩形，槽寬15 m。

出口采用挑流消能方式，挑流鼻坎體形采用扭曲式鼻坎，左側(cè)邊墻圓弧半徑R=200 m，右側(cè)邊墻圓弧半徑R=300 m，左、右側(cè)底板在溢洪洞軸線方向的投影分別為半徑200 m和90 m的圓弧，挑射角8°4′59″～34°3′7″。

泄槽明槽陡坡段最大流速43.24 m/s，流速大，襯砌防空蝕問題突出。根據(jù)溢洪洞不同泄洪條件下的水力要素確定摻氣設(shè)施位置，共布設(shè)2道摻氣設(shè)施，間距100 m。第1道摻氣設(shè)施挑坎的坡度為1∶10，挑坎高1.0 m，跌槽深1.35 m；第2道摻氣設(shè)施的坡度為1∶10，挑坎高0.65 m，跌槽深1.35 m。兩側(cè)邊墻中的通氣孔截面尺寸為2.17 m×1.35 m。

4.2.2 深孔泄洪洞

深孔泄洪洞采用有壓接無壓洞的布置形式，由岸塔式短有壓進(jìn)口、有壓洞段、工作閘室、無壓洞段、出口明渠及挑坎等組成，工作閘室布置于有壓轉(zhuǎn)彎洞之后。進(jìn)口底板高程1 781.00 m，工作閘室底板高程1 775.00 m，工作門孔口尺寸12.0 m×9.0 m(寬×高)。

進(jìn)口設(shè)一道事故檢修閘門，閘門孔口尺寸12.0 m×13.0 m(寬×高)。有壓洞段由直段和平面彎段組成，總長320.03 m，洞徑13.0 m。彎段轉(zhuǎn)彎半徑80.0 m，轉(zhuǎn)角53.42°，彎段后直洞長約85 m，末端為圓變方壓坡連接段，將直徑13.0 m的圓形洞漸變至12.0 m×9.0 m(寬×高)，后接弧形工作閘門室。

工作閘室緊接有壓洞段末端，分為上、下兩室。下室為控制室，布置有弧形工作閘門及啟閉設(shè)備，工作門孔口尺寸12.0 m×9.0 m(寬×高)，下室凈空為12.0 m×25.5 m×29.0 m(長×寬×高)，閘底板高程1 778.00 m，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。上室斷面為圓拱直墻形，斷面尺寸為19.0 m×25.7 m(寬×高)。

無壓段始于弧形工作閘門室后，由拋物線段、斜坡段和兩道摻氣坎等組成，長度為291.023 m，斜坡段底坡i= 0.212 6，斷面為圓拱直墻形，尺寸為12.0 m×16.0 m(寬×高)，其中直墻高度12.54 m。

出口采用斜切扭曲挑坎，反弧半徑為100 m，左側(cè)邊墻擴(kuò)散角度3°，沿軸線長度約86 m，右側(cè)邊墻采用半徑為200 m的圓弧，沿軸線長約49 m。斜切式挑坎左右側(cè)挑角分別為28°24′54″和16°19′17″，挑坎上游端寬12 m，下游端寬42.66 m。

無壓段最大水流流速約42 m/s，最小水流空化系數(shù)0.15，襯砌防空蝕問題突出，結(jié)合水力學(xué)特征參數(shù)，布置兩道摻氣坎，間距100 m。第1道摻氣坎坎高1.2 m，水平方向長7.5 m，第2道摻氣坎坎高1.0 m。

4.2.3 非常泄洪洞

非常泄洪洞布置在左岸深孔泄洪洞內(nèi)側(cè)山體內(nèi)，由1號(hào)導(dǎo)流洞改建而成，布置上利用一條豎井連接泄洪洞與導(dǎo)流洞，選用有壓洞塞消能形式。非常泄洪洞由岸塔式短有壓進(jìn)口、上平段、上彎段、豎井段、下平段(與導(dǎo)流洞結(jié)合段)和出口組成。進(jìn)口高程1 786.00 m，出口高程1 693.00 m。上平段、上彎段襯砌斷面為圓形，直徑11.0 m。下平段與導(dǎo)流洞后段結(jié)合，襯砌斷面為圓拱直墻形，過流斷面尺寸為13.0 m×15.0 m(寬×高)。

有壓洞塞采用“垂直洞塞+壓坡洞塞+水平洞塞組”的布置形式。

豎井段設(shè)2級(jí)圓形收縮式垂直洞塞，上部垂直洞塞進(jìn)、出口斷面直徑分別為11.0、7.0 m，高15.0 m，豎井末端垂直洞塞進(jìn)、出口斷面直徑分別為10.0、8.5 m，高6.0 m。

壓坡洞塞設(shè)計(jì)為突縮突擴(kuò)的方形漸變結(jié)構(gòu)，長25.0 m，其中前部突縮段末端孔口尺寸為10 m×4.5 m(寬×高)，長17.0 m；后部突擴(kuò)段末端孔口尺寸為10 m×7.0 m(寬×高)，長8.0 m。

水平洞塞均為收縮式圓形洞塞，第1級(jí)水平洞塞設(shè)置距壓坡洞塞60 m，3級(jí)水平洞塞間間距50 m，洞塞長11 m，3級(jí)水平洞塞入口斷面直徑12.0 m，出口斷面直徑由上游至下游分別為9.0、9.2、9.8 m。

設(shè)置出口壓坡可保證下平段形成有壓流態(tài)，經(jīng)多組試驗(yàn)分析，為滿足洞內(nèi)空化及泄量要求，出口壓坡孔口高6.0 m、寬11 m。

4.2.4 泄洪放空洞

泄洪放空洞采用有壓接無壓洞的布置形式，由閘門豎井式進(jìn)口、有壓洞段、工作閘室段、無壓洞段和出口挑坎等組成，工作閘室布置于有壓轉(zhuǎn)彎洞之后。進(jìn)口段底板高程1 757.00 m，工作閘室底板高程1 755.00 m，弧門孔口尺寸為6.0 m×5.0 m(寬×高)。

事故閘門井采用埋藏豎井形式，閘門孔口尺寸6.0 m×5.0 m(寬×高)，底板高程1 757.00 m，閘門井前有壓進(jìn)口隧洞段長121.87 m，洞徑9.0 m，底坡i=0。閘門井后有壓隧洞長240.73 m，由直段和彎段組成,洞徑為8.0 m，底坡i=0.009 07。轉(zhuǎn)彎段轉(zhuǎn)彎半徑為80 m，轉(zhuǎn)角42.15°。

有壓洞段后接工作閘室，工作閘室分為上、下兩室。下室為控制室，布置有弧形工作閘門，門座采用突擴(kuò)突跌體形，底部設(shè)摻氣設(shè)施，工作門孔口尺寸6.0 m×5.0 m(寬×高)，突擴(kuò)后流道寬8.0 m，底板高程1 755.00 m，操作平臺(tái)高程1 778.00 m，頂拱高程1 800.50 m，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。

工作閘室后接無壓洞段，斷面形式為城門洞形，斷面尺寸為8 m×10 m(寬×高)，全長843.61 m，由于泄洪放空洞進(jìn)出口高差小，泄洪水頭高，為解決無壓洞水流空化、摻氣坎底部回流及洞內(nèi)水面雍高等問題，無壓洞段采用變底坡形式，底坡i=0.12～0.027 2。無壓段設(shè)3道摻氣設(shè)施，第1道設(shè)置在工作閘門門槽底部，第2道摻氣坎距第1道170 m，第2、3道摻氣坎間距200 m。

挑坎采用漸擴(kuò)連續(xù)挑坎，挑角22.89°，底板反弧半徑104.5 m，左、右側(cè)邊墻擴(kuò)散角度3.18°，挑坎軸線長45 m。挑坎上游端寬8.0 m，下游端寬13.0 m。

5 結(jié) 語

針對(duì)上述泄水建筑物方案，開展了樞紐整體模型試驗(yàn)和各泄水建筑物單體模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：樞紐在校核洪水位，各泄洪建筑物下泄總流量達(dá)10 090 m3/s，超出計(jì)算值5.4%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。樞紐布置充分考慮到電站的地質(zhì)條件，泄水建筑物出口布置在尾水以下1 200 m河床范圍內(nèi)，利用可沖刷的河床消能，擴(kuò)大消能空間，減小泄洪對(duì)壩下游堆積體的不利影響。各泄水建筑物出口下游出流較為順暢，水舌擴(kuò)散和歸槽較好。根據(jù)模型試驗(yàn)成果，開展了由針對(duì)性的抗沖磨防空蝕設(shè)計(jì)，溢洪洞、深孔泄洪洞和泄洪放空洞均經(jīng)過了2個(gè)汛期的運(yùn)行，泄洪消能效果好，流道混凝土表明均未發(fā)現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，且下游河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)整體良好。