構皮灘水電站泄洪消能設計研究與運行檢驗

2020-08-13 06:49:52胡清義馮雄波曹去修程子兵姜治兵

水利水電快報 2020年1期

胡清義馮雄波曹去修程子兵姜治兵

摘要：構皮灘水電站是烏江干流梯級開發的控制性工程。該電站泄洪消能具有高水頭、大泄量、窄河谷、軟基礎的特點，介紹了泄洪消能建筑物布置和設計方案、水工模型試驗研究成果以及工程泄洪運行和原型觀測成果。對比分析了原型觀測成果與模型試驗成果。自2008年11月蓄水以來，工程經歷了10個汛期，20次泄洪檢驗。實踐應用表明，構皮灘大壩泄洪消能建筑物設計合理，下游消能充分，可滿足工程安全匯洪需求。構皮灘高拱壩泄洪消能設計經驗可為同類工程提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：泄洪消能;原型觀測;運行檢驗;構皮灘水電站

中圖法分類號：TV653 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.009

文章編號：1006-0081（2020）01-0048-07

1 概述

1.1 工程簡介

構皮灘水電站位于貴州省余慶縣境內，是烏江干流梯級開發的控制性工程。構皮灘水電站正常蓄水位630m，死水位590m;水庫總庫容64.51億m³，調節庫容29.02億m³，具有多年調節能力。電站裝機容量3000MW，多年平均發電量96.82億kW·h[1]。

攔河大壩為拋物線形混凝土雙曲拱壩，壩頂高程640.5m，河床建基面高程410m，最大壩高230.5m，壩頂弧長552.55m，厚高比0.216。工程泄洪以壩身泄洪為主，岸邊泄洪為輔。河床溢流壩段布置6個表孔、7個中孔泄洪，壩下設水墊塘消能。左岸布置1條泄洪洞輔助泄洪;右岸布置首部式地下廠房，共安裝5臺600MW水輪發電機組，引水系統采用單機單洞、尾水系統二機一洞加一機一洞、主廠房和主變洞、調壓室三大洞室平行的布置格局。通航建筑物為三級垂直升船機，布置在左岸煤炭溝至野狼灣一線，設計通航標準為Ⅳ級航道，可通行500t級船舶。構皮灘水電站樞紐平面布置見圖1。

1.2 工程建設及運行情況

構皮灘水電站工程于2003年11月開工，2004年11月實現大江截流;2005年10月開始壩體混凝土澆筑;2008年11月導流洞下閘封堵、工程開始第一階段蓄水;2009年6月8日導流底孔下閘封堵、工程開始第二階段蓄水，2014年7月水庫達到正常蓄水位;2009年7月首臺機組投產發電，同年11月大壩混凝土澆筑至設計壩頂高程，同年12月電站5臺機組全部投產發電。工程已經歷10個汛期，20次泄洪檢驗。

2 泄洪消能設計方案

2.1 設計特點及難點

構皮灘水電站壩高230.5m，樞紐校核洪峰流量35 600m³/s，相應樞紐最大下泄流量28900m³/s，最大泄洪功率為42380MW。壩身最大泄量25840m³/s，上下游水頭差近150m，壩身最大泄洪功率37940MW，在建時均居國內外雙曲拱壩之首。壩址河谷狹窄，呈“V”形，枯水期水面寬度30～60m，常遇洪水水面寬90～110m，設計、校核洪水水面寬僅140～150m。壩址緊鄰峽谷出口，巖體呈現上游硬下游軟的特點，壩下游200m范圍內為灰巖，以下為黏土巖和頁巖，抗沖能力低。“高水頭、大泄量、窄河谷、軟基礎”是構皮灘水電站泄洪消能的突出特點，泄洪消能設計難度大。國內外部分特高雙曲拱壩壩身泄洪指標見表1[2]。

2.2 泄洪消能建筑物布置

構皮灘水電站在壩身布置6個表孔，7個中孔泄洪，壩下采用人工護底水墊塘消能。左岸布置1條泄洪洞輔助泄洪，泄洪洞進口底高程為550.00m、控制斷面尺寸為10m×9m，采用有壓洞平面轉彎龍落尾型明流隧洞的型式，泄洪洞采用護坡加預挖沖坑消能的布置方案。壩身還設有2個孔口尺寸3.80m×6.00m的放空底孔，孔底高程為490.00m，用于水庫放空和后期導流的放空。

表孔泄量大、運行靈活、可局部開啟，一般常遇洪水條件下，優先開表孔泄洪，其次為中孔，泄洪洞僅在表中孔泄流能力不足時啟用，此時下游水墊深厚，消能安全有保障。

2.3 壩身孔口設計方案

2.3.1 孔口體形設計原則

壩身孔口設計與下游水墊塘消能設計密切相關，水墊塘的底板高程受表孔單獨泄流控制，其長度受中孔單獨泄流控制，水墊塘底板沖擊壓力是消能設計的關鍵控制指標。由于構皮灘水電站泄洪功率大，水墊塘單位水體消能率高，為避免能量疊加，減小水墊塘底板的沖擊動水壓力，均化水墊塘的消能負擔，孔口體型設計采取“分散水舌、分區消能”的原則;同時考慮壩址河谷狹窄，為避免水舌干砸水墊塘邊坡，在適當消能的同時盡量降低泄洪霧化影響，表中孔水舌遵循“適度碰撞”的原則進行設計[3]。

2.3.2 孔口布置方案

構皮灘水電站壩身6個表孔的孔口尺寸為12.00m×13.00m（寬x高），堰頂高程為617.00m，中孔尺寸為7.00m×6.00m（寬x高），出口平均高程為550.00m。中孔布置于表孔閘墩下方，其中心線與閘墩中心線重合。泄洪孔呈弧線布置，軸線半徑R=350m。表、中孔平面總布置見圖2。

2.3.3 孔口體形設計方案

（l）表孔體形設計。表孔堰頂高程617.00m，堰面采用WES曲線，堰面曲線方程為y=0.04187x^1.85。1號和6號孔采用-20°挑角出流，2號和5號孔采用0°挑角出流，3號和4號孔采用-30°出流，各表孔的出口處布置了不同型式的分流齒坎，以擴散水舌進人墊塘的面積。表孔下游立視見圖3。

（2）中孔體形設計。中孔為有壓孔型式，弧形工作門布置在出口處，平板事故檢修門布置于進口處，1，3，5，7號孔為平底出流，2，6號孔為25°挑角出流，4號孔為10°挑角出流，見圖4，5。

2.3.4 壩身孔口設計的特點

由以上壩身孔口設計方案可見，構皮灘壩身孔口設計特點如下：

（1）表孔俯角、中孔挑角布置，總體體型達到水舌遠近分區、加強空中碰撞的目的。

（2）表、中孔均采取出口擴散以減小人水單寬，均化能量。

（3）相鄰表孔采用出口俯角大差動布置，相鄰中孔采取不同挑角布置，以達到調整水舌落點，避免水舌疊加的目的。

（4）左右邊表孔采取不對稱擴散布置，以避免表孔水舌打擊水墊塘邊墻及岸坡;表孔出口設置不同型式的分流齒，以優化分散表孔水舌。

（5）中孔采用“進口大差動、出口小差動”布置，即進口高程相差較大、出口高程相近的方案，且相鄰中孔挑角不同，可以分散中孔水舌，并有利于閘門、啟閉機和檢修設施布置。

2.4 泄洪洞布置方案

泄洪洞采用有壓洞轉彎接龍落尾型明流隧洞的型式，進口底高程550.00m，進水口事故閘門采用岸塔式布置，閘門孔口尺寸為7m×16m，有壓洞為圓形斷面，直徑12m，采用平面轉彎，軸線轉彎半徑為90m。工作閘門室布置于防滲帷幕線下游34.42m處，控制斷面孔口尺寸10m×9m（寬×高）。無壓段底坡坡度i=0.2063，洞身型式為城門洞型，斷面尺寸10m×15m。泄洪洞出口預挖沖坑消能，最低預挖至高程425.00m[4-5]。

3 水力學試驗研究

構皮灘水電站水力學試驗研究歷時長，研究內容廣泛，開展了1：110、1：55水工整體模型試驗、表孔1：35常減壓斷面模型試驗、中孔1：30常減壓模型試驗、消能工（水墊塘）結構型式破壞機理研究、防護措施數模及物模試驗研究、壩身泄洪流激振動試驗研究等工作[6]。

3.1 泄洪消能試驗研究

3.1.1 水流流態

表孔單獨泄洪時，水舌縱向分開落人水墊塘中。各工況下，3號、4號表孔齒槽水舌挑距最近，2號、5號表孔水舌挑距最遠。表孔水流最大人水寬度為112m，水舌未直接沖擊水墊塘邊墻。

中孔單獨泄洪時，1，3，5，7號中孔水舌平拋人水，2，4，6號中孔水舌斜拋入水。2，6號中孔水舌挑距最遠，3，5號中孔挑距最近。

泄洪洞單泄時，水舌中部挑距最遠，右側次之，左側最近，水舌人水最大寬度為76m。

表孔與中孔聯合泄洪時，2，6號中孔水舌上行時分別與相鄰的表孔水舌發生碰撞，3，5號中孔水舌在下行過程中與相鄰表孔水舌發生碰撞，而1，7號中孔水舌在下行過程中僅與1，6號表孔齒槽部分水舌發生碰撞，故這兩個中孔水舌與表孔水舌的碰撞程度最小。4號中孔水舌在上行過程與3，4號表孔內側齒槽水舌發生碰撞，在下行過程中與3，4號表孔齒坎水舌發生碰撞，與表孔水舌的碰撞程度最為劇烈。

3.1.2 泄洪建筑物動水壓力和空化特性

（l）表孔。表孔堰頂附近及壩面WES曲線起始段存在負壓，最大時均負壓絕對值為2.19×9.81kPa;邊墻側擴散起點附近最大時均負壓絕對值為2.73×9.81kPa;檢修門槽下游斜坡末端后出現輕微的逆壓分布，其他壓力正常。

（2）中孔。2號中孔進口曲線、檢修門槽區及出口收縮段內局部范圍存在較輕微的逆壓分布，其他壓力特性正常。1號中孔原方案的進口曲線段及檢修門槽區，壓力特性較2號中孔略差，且時均動水壓力絕對值較2號中孔低。通過孔頂部體型優化，時均壓力絕對值明顯提高。

3.1.3 水墊塘底板沖擊壓力

壩身表、中孔各股水舌人射水墊塘，在水墊塘底板上形成的動水沖擊壓力是直接影響底板穩定性的主要荷載之一，沖擊壓力大小及其分布是評價水墊塘設計合理性的重要依據。表孔單泄時，水墊塘底板最大沖擊壓力為6.5×9.81kPa。中孔單泄時，由于水舌落點相互錯開，人塘水流擴散良好，水墊塘底板上未出現沖擊壓力。表孔和中孔聯泄時，由于表孔、中孔水舌碰撞消能效果良好，P=0.2%設計洪水和P=1%泄洪工況下水墊塘底板上未出現沖擊壓力，P=0.02%校核洪水工況下水墊塘底板上沖擊壓力為1.07×9.81kPa。

3.1.4 下游沖刷

表孔單泄和中孔單泄時，水墊塘二道壩護坦下游均未形成沖刷。泄洪洞單泄時，水舌人水處下游主沖坑沖深為11.1m;泄洪洞出口下方岸坡坡腳及左岸1號導流洞出口處未沖;電站尾水出口及尾水渠平臺處未見淤積。表孔、中孔和泄洪洞聯泄時，護坦下游最大沖深為1.5m，沖坑后坡比緩于1：3;泄洪洞出口下方岸坡坡腳下游形成淘刷，最大沖深為5m，沖坑后坡比緩于1：4.5。

3.2 泄洪霧化研究與防護方案

根據泄洪霧化1：55水工整體模型試驗研究成果，構皮灘工程泄洪霧化主要有兩個源項，即表、中孔水舌在空中運動自摻氣和碰撞所形成的霧化以及水舌入水激濺所引起的霧化。下游泄洪霧化邊坡防護按100a一遇洪水標準設計。試驗成果表明，當樞紐下泄該標準洪水時，左岸高程550m以下、右岸高程555m以下的泄洪霧雨雨強大于200mm/h，順流向在0+000～0+360m區域內。雨強小于200mm/h的影響在左右岸上述高程以上，順流向在0+000～0+700m區域內。為此，對大壩下游邊坡范圍實行四級區域保護：

（1）一級區（雨強大于600mm/h）。左右岸高程495.50m以下水墊塘邊墻混凝土結構，分級貼坡厚度0.5～3.0m，墻背設有錨筋（錨樁）及墻背排水溝網。

（2）二級區（雨強為200～600mm/h）。左岸壩趾至泄洪洞出口、右岸壩趾至尾調路5號施工支洞高程495.50～550m，開挖邊坡采用50cm厚貼坡混凝土加錨桿保護，并將坡面排水孔引至結構表面。

（3）三級區（雨強為10～200mm/h）。上述左右岸二級區以上至霧化保護區邊界間開挖邊坡和自然邊坡采用掛網噴錨保護，并將坡面排水孔引至結構表面。

（4）四級區（雨強小于10mm/h）。泄洪霧化保護區及二級區所表述范圍之外的下游邊坡僅設置防落石措施。

4 工程泄洪運行檢驗

4.1 泄洪運行情況

自2008年11月水庫蓄水以來，構皮灘水電站工程已經歷10個汛期，經受2014年7月和2017年6月兩次泄洪檢驗。2014年7月入庫洪峰流量16900m³/s（與20a一遇洪峰流量相同），最大出庫流量11300m³/s，壩身表孔和部分中孔同時開啟的最大泄量為9910m³/s，最高庫水位629.93m，最大水頭差達185m。2017年6月人庫洪峰流量8 900 MI/s，只開啟了表孔泄洪[5]。

4.2 泄洪原型觀測及與模型試驗成果對比分析

4.2.1 流態

上游庫區水面平靜，各表孔進流順暢，過堰頂后閘室內水面迅速下降，水面距弧門支鉸間距離較大，水舌出閘室后，兩兩交匯形成水翅，水舌表面摻氣充分，呈白色絮狀（見圖6～8）。水墊塘內霧雨彌漫，濃霧沿兩側山體上升，在高程650m左右形成霧云向下游移動（見圖9）。表孔水舌人水處下游可持續觀察到巨大涌浪爬升至空中一定高度（最高高程可達到570m左右）后呈濃霧消散現象（見圖10）。塘內水體消能充分，二道壩及下游水流銜接較為平順，未見明顯水面跌落。

除表孔水舌摻氣和裂散程度以及水墊塘內涌浪爬升現象較模型試驗顯著加劇外，其余流態基本一致。

4.2.2 壓力

2014年泄洪期間對1，3號表孔壓力進行了觀測，各部位時均壓力分布正常，未出現負壓。1號表孔最大時均壓力為8.47×9.81kPa，脈動壓力標準差在0.42×9.81～1.96×9.81kPa之間，主頻范圍為0.01～0.40Hz。3號表孔最大時均壓力為7.21×9.81 kPa，脈動壓力標準差在0.37×9.81～1.44×9.81kPa之間，主頻范圍在0.01～1.53Hz。

2017年泄洪期間，對水墊塘底板壓力進行了觀測，各測點均為正壓，壓力分布正常，最大脈動壓力標準差為3×9.81kPa。本次泄洪僅開啟表孔，實測未見明顯沖擊壓力，而表孔單泄工況模型試驗最大沖擊壓力為6.5×9.81kPa，實測水墊塘塘底板沖擊效應比模型試驗小，可能是實際運行時水舌空中摻氣比模型試驗劇烈，空中消能效果優于模型試驗所致。

4.2.3 泄洪霧化

2014年泄洪觀測未獲得霧化降雨量的觀測資料，僅拍攝了相關照片和視頻，表中孔均開啟時，典型的泄洪霧化照片見圖10。

2017年泄洪期間開展了泄洪霧化觀測。觀測成果表明，右岸開關站基本不受壩身泄洪霧化影響。左岸550m通風洞口（近水墊塘側）霧化降雨與泄洪表孔開啟方式相關，3號+4號表孔敞泄時無明顯霧化降雨，其余工況下泄洪霧化降雨強度較大。6號表孔敞泄時觀測到最大降雨強度為14.3mm/h，屬特大暴雨;3，4號表孔敞泄+2，5號表孔開度4m和2-5號表孔敞泄+1號、6號表孔開度6m的工況下，該部位降雨強度為7.6～12.9mm/h，屬于大暴雨。右岸尾調室495m平臺處霧化降雨強度為1.3～2.9mm/h，基本處于大雨及暴雨的范疇，該部位處于擴散段，且位于水舌濺落區之外，其霧化降雨主要受水舌風影響。

泄洪霧化觀測成果表明，霧雨主要集中在水墊塘及其周邊，實際霧化情況與模型試驗成果較為接近，工程泄洪霧化對建筑物及邊坡的影響在預測范圍內。

4.3 滲流監測

4.3.1 大壩

2017年6月泄洪期間，大壩基礎廊道實測滲流量58.18L/min，測值較5月增大23L/min;大壩集水井來水量415.71L/min，該輪降雨前來水量111.84L/min。2014年“7·17”泄洪期間最大來水量277.25L/min。

4.3.2 水墊塘

2017年6月泄洪期間，水墊塘集水井來水量1343.67L/min，該輪降雨前來水量308.47L/min。2014年“7·17”泄洪期間，由于下游E支洞封堵門未關緊，下游有水灌入水墊塘，測到水墊塘集水井最大來水量15924.05L/min，但仍小于集水井最大抽排能力。

滲流監測成果表明，水墊塘底板封閉效果良好，為底板穩定提供了保障。

4.4 巡視檢查

工程泄洪過程中和泄洪結束后，均對各主要建筑物和兩岸邊坡進行了巡視檢查。泄洪過程中壩頂沒有明顯霧雨，沒有體感泄洪振動，各建筑物運行正常，邊坡局部噴混凝土掉落，高程495m、480m馬道部分防護墩墻被沖毀。

5 結論

構皮灘大壩是我國已建成壩中的第六高拱壩，在已建同類工程中，設計最大泄洪功率僅次于溪洛渡大壩。工程實際運行僅經受了20a一遇洪水檢驗，雖然未達到大壩設計洪水標準，但在已建同類工程中，是唯一一座壩身實際經受10000m³/s大泄量、超高水頭泄洪檢驗的特高拱壩。對構皮灘水電站泄洪消能方案及運行檢驗可以得出以下結論：

（1）工程泄洪消能方案適應了“高水頭、大泄量、窄河谷、軟基礎”的特點，泄洪消能建筑物設計合理，下游消能充分，可以滿足工程安全泄洪的要求。

（2）表中孔出口差動布置、橫向擴散、齒坎分流的方案可以有效分散水舌入水，降低水墊塘內壓力。

（3）表中孔水舌空中適當碰撞可以顯著降低底板沖擊壓力、提高消能效果，對泄洪霧化影響不大。

（4）水墊塘內水體沖擊反彈及岸坡涌浪與水工模型試驗成果對比表明，在后續同類工程設計中應充分考慮其影響，其余部位流態與模型試驗成果基本一致。

（5）壩身孔口流道及水墊塘底板壓力監測成果表明，流道未出現負壓;水墊塘底板未監測到沖擊壓力，可能是由于實際運行時水舌空中摻氣比模型劇烈，空中消能效果優于模型試驗所致。

（6）壩基及水墊塘滲漏量小于設計值，水墊塘底板封閉效果良好，為底板穩定提供了保障;各建筑物結構設計、邊坡防護和滲控設計合理，建筑物安全穩定運行。

參考文獻：

[1]鈕新強，王猶揚，胡中平.烏江構皮灘水電站若干關鍵技術問題研究[J]，人民長江，2010，41（22）：1-4.

[2]向光紅，金蕾，班紅艷，等.構皮灘水電站泄洪消能設計[J].人民長江，2005，19（2）：30-33.

[3]長江勘測規劃設計研究有限責任公司.構皮灘水電站拱壩工程關鍵技術研究與實踐[R].武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2011.

[4]曹去修，向光紅，班紅艷.構皮灘水電站泄洪洞優化設計[J].貴州水力發電，2006，20（3）：10-12.

[5]長江勘測規劃設計研究有限責任公司.構皮灘水電站補充安全鑒定工程泄洪運行情況評價[R].武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2017.