淺析白鶴灘水電站泄洪洞結構設計

孫東旭，顧祥武，熊成凱，歐陽凌云，李興蓮

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，云南昆明 650000）

1 白鶴灘水電站樞紐工程泄洪洞概況

白鶴灘水電站樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、引水發電系統、導流洞、泄洪洞、二道壩及水墊塘等建筑物組成。混凝土雙曲拱壩最大壩高289 m，壩頂高程834 m。根據歷年水文數據統計，在壩身共布置有7 孔泄洪深孔和6 孔泄洪表孔用于泄洪。此外在左岸還布置有3 條泄洪洞。

泄洪洞均采用進水口短有壓接長距離無壓段型式，由進水口、閘門段、上斜坡直線段、豎曲線段、下斜坡直線段、挑流鼻坎段組成。3 條泄洪隧洞采用直線發散型布置，無壓洞斷面為圓拱直墻型，出口位于白鶴灘村對岸，采用挑流消能。壩址設計及校核洪峰流量分別為38 800 m3/s 和46 100 m3/s，3 條泄洪洞設計和校核總泄量分別為11 705 m3/s 和12 254 m3/s，約占總泄洪量的30%。

2 泄洪洞結構

2.1 進水口

泄洪洞進水口位于左岸發電進水口與大壩之間，包括進水渠、進水塔和聯系平臺。3 個岸塔式進水口近似“一”字齊平布置，從里到外依次編號為1#、2#和3#進水塔。進口呈喇叭形，為短有壓進水口，頂曲線采用非完整的1/4 橢圓曲線。3 個進水塔之間相對獨立，每個進水塔之間通過混凝土聯系平臺連接交通和門機軌道，塔后回填混凝土與左岸壩頂平臺銜接。

每個進水塔內都設置有一道事故檢修閘門和一道工作閘門，其中檢修閘門通過布置在進水塔頂部的門機進行啟閉。檢修閘門下游設2 個通氣孔，對泄洪洞進水口段進行通氣。弧形工作閘門由液壓啟閉機啟閉，工作閘門下游設通風豎井通向進水塔頂。檢修閘門至工作閘門之間的流道周邊設鋼板襯護，鋼襯厚24 mm 并設加勁梁，進水口結構如圖1 所示。

2.2 泄洪洞洞身

無壓洞段平面布置宜采用直線型，沿線盡量減少結構變化，以保證水流平順。若無法避免需布置擴散段時，擴散段布置在水流比較平穩的洞段，邊墻擴散處宜采用圓弧連接。無壓洞段洞身縱斷面布置型式有一坡到底直線型、折線型、龍抬頭型、龍落尾型等，應綜合地形地質條件、水流條件、施工方法等選擇合理的型式。無壓洞段縱坡坡度應大于水流的臨界坡。當洞段水流流速較大時，為滿足水流強迫摻氣要求，縱坡坡度宜適當增大，同時為方便施工，可采用8%～15%的坡度。無壓洞水力設計應根據布置和流量進行水力要素計算，包括無壓洞水面線、斷面流速、摻氣水深、壓力分布、水流空化數等[1]。

圖1 進水口結構

白鶴灘泄洪洞洞身部分為無壓洞段，由上平段和龍落尾段兩部分組成。泄洪洞上平段位于進口工作閘門下游，洞身采用城門洞形斷面。龍落尾段位于上平段下游，由渥奇曲線段、斜坡段和反弧段三部分組成。1#和2#泄洪洞的反弧段直接與挑流鼻坎連接，而3#泄洪洞受地形條件限制，在反弧段與挑流鼻坎之間增加了一段用于過渡的下平段。

2.2.1 通風洞及通風豎井工程

為補充高速水流拖曵及摻氣帶走的空氣，在進水塔工作閘門后設置有2 個通氣孔向閘室和洞內補氣。此外在長達近1900 m 的上平段中部布置有1 條通風洞，與施工支洞相結合對泄洪洞進行補氣。通風洞底高程與泄洪洞直墻頂同高，位于泄洪洞摻氣水深水面以上，后期可兼做檢修通道。與交通洞的連接需要封堵或設防風門，以免泄洪洞泄洪產生的高風速影響交通安全。

2.2.2 龍落尾式設計

泄洪洞龍落尾布置形式指上游采用長距離小坡度、下游采用短距離大坡度的設計方式。通過合適的坡度設計，可以使得水流在小坡度段的加速度和流道阻力達到平衡，從而限制水流在進入龍落尾段時的流速，避免出現水流速度過快的現象，達到取消摻氣設施、減輕空蝕的目的。此外，在龍落尾段設置短陡坡形成高速水流，設置摻氣效果良好的摻氣坎，可達到良好的保護效果。

龍落尾式泄洪洞將可能造成空蝕破壞的部位盡量布置的靠近出口，避免高速水流對大壩或洞身造成破壞，同時也對后期的修復工作提供了便利。

2.2.3 摻氣坎布置

隨著泄水建筑物的泄洪流量和運行水頭的增加，流道的空化空蝕已成為最常見的建筑物破壞形式。通過長時間的研究和工程實踐發現，增加摻氣設施可以有效解決空蝕破壞。

白鶴灘泄洪洞在龍落尾段共布置有3 道摻氣設施，用以減少高速水流對流道的破壞。3 道摻氣設施均為底部摻氣和側面摻氣相結合的形式。其中底部摻氣為跌坎型，側面摻氣為突擴型。此外為保證摻氣跌坎的通氣效果，每道摻氣跌坎處均進行局部擴挖，利用混凝土襯砌形成兩側獨立進氣的結構型式。考慮到高速水流段洞頂空氣可能充滿水汽混合物，對摻氣坎的通氣效果造成不利影響，因此設置了獨立通風系統對每個摻氣坎進行補氣。通風系統的3 條主通風洞通過豎井與每個摻氣坎通氣孔口連通，出口處直接通至泄洪洞出口開挖邊坡（圖2）。

2.3 出口挑流鼻坎

在河流上修建的大壩、水閘等建筑物會縮窄河道，抬高上游水位，同時改變水流特征，使下泄水流勢能增大。當建筑物泄水時，水流較大的勢能轉換為動能，流速增加。而下游水流流速相對較緩，不同流速的水流銜接不當可能會對河道以及建筑物造成沖刷等嚴重后果。根據研究，在挑流水舌沖擊影響因素方面，主要包括時間、流速、摻氣濃度以及下游河床條件（下游水墊深度和特征床沙粒徑）等對沖刷坑形態特征（尤其是最大沖坑深度）的影響[2]。

圖2 摻氣坎結構

白鶴灘泄洪洞出口采用挑流鼻坎設計，在龍落尾段經過摻氣坎對水流摻氣后，利用較大坡度轉化的高流速，將水流挑射到較遠的位置，可有效減輕水流對下游河床的破壞。1#泄洪洞出口挑流鼻坎為左長右短的斜切鼻坎，2#和3#泄洪洞出口挑流鼻坎采用右邊墻向下游收縮的扭曲鼻坎。

3 結束語

白鶴灘水電站作為單機100 萬千瓦級的巨型水電站，是當今世界上在建綜合技術難度最大的水電工程。電站具有世界最大規模的無壓泄洪洞群，根據電站樞紐布置和地質條件，設計了3 條泄洪洞。從進水口、洞身以及出口工程三部分，對泄洪洞的建筑結構和設計特點進行了詳細的介紹，為后續大型水電站在泄洪洞的設計方面提供參考。