新型寬尾墩聯合消能技術在烏弄龍水電站的研究及應用

卞 全，李玉潔，朱展博，陳念水

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 前言

寬尾墩型式為中國科技人員首創，始于安康水電站，其后應用于五強溪、巖灘、百色、大朝山、索風營、思林、景洪、阿海、沙陀、馬馬崖、功果橋和魯地拉等水電站。

經過30 多年的研究和開發，寬尾墩聯合消能工在我國已得到蓬勃發展；寬尾墩型式及其與壩面臺階和挑流、底流、戽流等消能聯合運行的工程相繼建成，解決了一些大型工程中復雜的地質和水文條件下難以解決的高壩泄洪消能問題，極大減少消能工的造價并縮短了工期，創造了較好的經濟和社會效益。

在寬尾墩的發展和應用過程中，一些工程曾出現底板破壞等問題。針對各工程不同的水力特點，寬尾墩的體型也在不斷的改進，隨著更深入研究，寬尾墩有更加廣闊的應用前景。

1 工程概況

烏弄龍水電站[1]位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉境內的瀾滄江干流上，上、下游分別為如美和里底水電站。壩址控制流域面積8.59 萬km2，多年平均流量749 m3/s，多年平均徑流量234.3 億m3。烏弄龍水電站以發電為主，水庫總庫容2.84 億m3，正常蓄水位1906.00 m，調節庫容0.36 億m3，為日調節水庫，電站裝機容量990 MW。工程于2009 年11 月開工建設，2014 年11 月成功截流，2019 年7 月最后一臺機組投產發電。

樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、泄洪底孔、右岸引水發電及地下廠房系統等組成。最大壩高130.5 m，壩頂軸線長度247.1 m。

3 孔泄洪表孔布置在主河床，2 孔底孔分別布置在表孔壩段的兩側（左孔為泄洪底孔，右孔為生態放水孔兼泄洪底孔）。表孔的堰頂高程為1885.0 m, 孔口尺寸為15 m×21 m（寬×高），3 孔最大泄量10466 m3/s, 采用寬尾墩+壩面臺階+戽式消力池聯合消能。泄洪底孔和生態放水孔進口底板高程均為1835.0 m，工作閘門尺寸均為3.5 m×6 m（寬×高），單孔最大泄量639 m3/s，采用挑流消能。

2 泄洪消能方案

（1）泄水工程特點

烏弄龍水電站與泄水相關的工程特點為：①瀾滄江洪峰流量大、洪水歷時長；②河谷狹窄、順直呈“V”型，右岸山坡陡峻，壩址下游岸坡覆蓋層較厚、范圍較大；③擋水壩采用碾壓混凝土重力壩，最大壩高130.5 m；④泄洪單寬流量大，泄洪水頭高、尾水相對較淺、洪枯時下游水位變幅大，消能問題很突出。

（2）泄洪建筑物的布置初擬

工程運行條件：電站主要任務是發電，無灌溉和供水要求；入庫沙量相對較小，水庫泥沙淤積不嚴重；由于生態保護的需要，本工程需設置生態放水孔。

考慮壩體為碾壓混凝土重力壩，從泄洪安全考慮，泄洪建筑物采用典型的布置格局：以壩身表孔為主、底孔為輔的泄洪方式；按照“集中泄洪、分散消能、按需防護”的原則布置消能防沖建筑物。

（3）泄水建筑物方案

由于壩址處河床較窄,底孔及生態放水孔分列表孔兩側,底孔采用長泄水道及挑流消能方式。

表孔[2]擬定了3 種不同的消能方式、5 個方案的對比研究，從消能效果、下游流態、運行安全、工程投資等方面綜合考慮,寬尾墩+壩面臺階+戽流消能方案具有水流霧化輕、消力池短,較好適應壩址區的地形地質條件,工程投資較省的特點,優勢明顯,因此選用表孔寬尾墩+壩面臺階+戽流消能方案。校核洪水位、設計洪水位以及消能防沖標準時對應的淹沒度分別為1.20、1.13，1.25，下游水深滿足寬尾墩消能的要求。

3 新型寬尾墩組合消能技術

（1）目前寬尾墩不宜單孔全開運行

寬尾墩作為一種消能工，已在許多大中型水利水電工程得到應用。寬尾墩改變了傳統二元水躍底流的消能形式，將挑流與底流結合起來，形成空中摻氣、池中多軸漩滾的三元水躍，消能率大為提高，消力池長度可大幅縮短，具有顯著的經濟效益。但工程運行與研究發現，寬尾墩仍存在流量適應性差、底板沖擊壓強大等問題。

X 型寬尾墩是寬尾墩技術的重要進步，是在寬尾墩底部開口所形成的新型寬尾墩。結合現代RCC 施工技術，X 型寬尾墩＋臺階堰面＋消力池的聯合消能技術，實現了寬尾墩與臺階堰面的有機結合；不但充分利用臺階的消能作用，而且避免臺階壩面出現負壓[3]。但是，當表孔單孔全開泄洪時，X 型寬尾墩的跌落水舌未經碰撞，消能效果差，消力池底板可能產生一些損壞[4]。因此，目前研究的X 型、Y 型等寬尾墩消力池基本不允許單孔全開運行[5]。

（2）烏弄龍水電站可能單孔全開運行

烏弄龍水電站主要任務是發電，年內徑流不均，電站有排漂運行要求。若采用兩孔表孔或三孔同步開啟泄洪，對調度運行要求較高，運行不靈活；因此，在實際運行中單孔有全開運行工況。為此，應在設計中考慮單孔全開運行工況，并保證單孔全開運行時不出大問題。

在烏弄龍水電站的水工模型試驗中，著重研究X 型寬尾墩體型，進行超過20 個方案的體型修改試驗[6]，表明X 型、Y 型寬尾墩技術都不能徹底解決單孔全開泄洪時的水力問題，為此需研究新型寬尾墩，通過水工模型試驗來研究、解決和驗證。

4 調整及成果

4.1 修改和調整

為解決表孔單孔全開的問題，對烏弄龍水電站的表孔進行了以下體型修改和調整：①中間孔采用小挑坎方案；②中間孔采用雙窄縫方案；③中間孔采用優化X 型寬尾墩；④寬尾墩流態與底板脈動壓強協調；⑤戽池體型與寬尾墩體型協調；⑥寬尾墩位置調整。

但依靠X 型、Y 型寬尾墩技術難以徹底解決問題，特別是單孔全開泄洪時，消力池底板脈動壓強大，底板易出現破壞。

4.2 優化后成果

通過不斷摸索，大膽試驗[7]，針對烏弄龍水電站的實際情況，推薦泄洪表孔[8]的中間孔采用I 型寬尾墩、兩邊孔采用改進的X 型寬尾墩（見圖1～圖4）。

5 泄洪表孔的最終布置設計

泄洪建筑物布置在主河道，由3 孔表孔、1 孔底孔、1 孔生態放水兼非常泄洪底孔組成。表孔壩段總寬80 m，堰頂高程1885.00 m，堰面為WES 曲線，中墩厚5 m，邊墩厚4 m（見圖1 和圖2）。經水工模型試驗研究確定，最終表孔全部采用寬尾墩，其中兩邊孔為不對稱結構（改進的X 型寬尾墩），從距閘墩末端14 m開始過渡為寬尾墩，寬尾墩的收縮比為0.467；中間孔為對稱結構（I 型寬尾墩），從距閘墩末端13 m 開始過渡為寬尾墩，寬尾墩的收縮比為0.413。寬尾墩的下方開口高度為2.4 m（見圖2）。

兩邊孔的外側尾墩寬度4.55 m，內側尾墩寬度3.45 m，縮窄后的表孔流道寬度為7 m。中間孔寬尾墩對稱布置，尾墩寬度4.40 m，縮窄后的中間孔流道寬度為6.2 m。邊表孔和中間孔的寬尾墩尺寸見圖3 和圖4。

為了方便碾壓砼壩體施工和小流量泄流消能，設置了臺階式壩面。為臺階壩面補氣，在WES 堰面末端設置一個高2.0 m的摻氣挑坎，摻氣坎尺寸為2.0 m×0.86 m（高×寬）。臺階為內凹型，共32 級，臺階尺寸為1.2 m×0.864 m（高×寬）。最末一級臺階以下采用1∶0.72 的斜線段與半徑為15 m 的反弧相切，反弧終點與消力戽池底板相連。消力戽池的水平段長度41 m，寬度為55 m。戽池末端設墩式連續尾坎，坎高10 m，尾坎下游采用護坦和護岸與原河道銜接（見圖2）。

圖1 泄洪建筑物平面布置圖

圖2 泄洪表孔的中間孔縱剖面圖

為避免臺階破壞，在首個臺階頂部設置摻氣坎、臺階采用高強混凝土、加強臺階細部結構配筋、臺階設置10 cm 的倒角、壩面下部臺階改為光滑壩面等方式處理。

圖3 表孔寬尾墩下游立視圖

圖4 表孔寬尾墩側視圖

6 實際泄洪情況

2018 年11 月初，烏弄龍水電站開始水庫蓄水發電。經過近兩年的泄洪驗證，表孔、底孔及消力池運行總體良好，寬尾墩、堰面、臺階等流道未發現結構損壞情況。下泄較大流量時，表孔的堰面和消力池內水流流態較平穩，對下游河岸沖刷較小。

7 結語

瀾滄江烏弄龍水電站的泄洪表孔采用“寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池”聯合消能工技術。泄洪表孔的中間孔采用I 型寬尾墩、兩邊孔采用改進的X 型寬尾墩，以及壩面臺階、戽式消力池的布置與聯合消能技術，解決了寬尾墩不能單孔全開運行、消力池底板脈動壓強大、底板及臺階易破壞等問題。經過泄洪過水檢驗，運行情況良好，可為國內同類工程積累了科研及實踐經驗，提高此類消能型式的安全可靠性。