拉哇水電站高水頭大泄量泄水建筑物布置與設計

董金玉，王慶祥，王曉亮

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江上游，水庫正常蓄水位2 702 m，相應庫容23.14億m3，電站裝機容量2 000 MW。壩址區地震基本烈度Ⅷ度，最大洪峰流量11 900 m3/s。樞紐主要由混凝土面板堆石壩、泄水建筑物及輸水發電建筑物等組成，最大壩高239 m。

拉哇水電站壩址區河谷狹窄，河床覆蓋層深厚，不良地質體發育。擋水大壩采用面板堆石壩，最大壩高239 m，超過已建和在建同類工程。壩址兩岸地形陡峭且不對稱，大壩拱效應明顯，壩體填筑料采用高壩填筑中較少見的角閃片巖，壩體應力水平高，大壩下部約70 m長期處于水下，壩體濕化范圍大，壩體后期變形大，且工程處于強震區，工程建設難度大。

泄水建筑物具有泄量大、泄洪水頭高、歷時長、泄洪功率大、抗震設防烈度高等特點。泄水建筑物的布置既要保證泄洪的安全性，又要保證具有一定的放空水庫的能力，以方便大壩檢修等要求。主要建筑物均布置于右岸，洞室密集，建筑物布置條件復雜，泄水建筑物軸線與河道夾角大，下泄水流歸槽條件差，布置難度大。通過對泄水建筑物結構布置深入細致的研究，優化建筑物布置，確保了泄水建筑物技術可行、安全可靠、運行方便及經濟合理。

2 地形地質條件

壩址處于松洼背斜(M1)傾伏端。岸坡巖體卸荷作用強烈。壩址左岸發育區域性斷層F1和區域性次級斷層F9-1，受其影響，左岸結構面較發育，巖體不完整。壩址區右岸山體雄厚，地形齊整，岸坡多為基巖弱風化陡壁。樞紐區主要發育的不良地質體包括右岸Ⅴ號堆積體和左岸Ⅵ號、Ⅶ號、Ⅷ號堆積體及2 740 m高程以上深厚全強風化自然邊坡。壩址區河床覆蓋層最大厚度約72 m，成分復雜。下游消能防沖區兩岸岸坡基巖裸露，為弱風化基巖陡壁。邊坡整體穩定條件好，不存在潛在特定的不穩定塊體。

圖1 右岸溢洪洞方案平面布置

3 泄水建筑物布置原則

根據該工程的泄洪規模，結合壩址區的地形地質條件、水庫特性、水文特性、水庫調度運行方式并兼顧施工中后期導流，泄水建筑物布置原則為：

(1)合理選擇泄水建筑物形式及泄量分配比例，提高泄洪設施的可靠性、經濟性和運行靈活性。

(2)泄水建筑物的布置應避開主要不良地質體，并與其他樞紐建筑物的布置相協調，避免施工和運行期相互干擾。

在滿足泄洪要求并保證大壩安全的前提下，考慮泄水建筑物工程量及投資較省。

4 泄水建筑物泄洪規模

拉哇水電站工程主要建筑物，受地形地質條件制約，除大壩外，其他均以洞室建筑物的形式布置于右岸地下，布置空間局促，泄水建筑物宜盡量以減小洞室條數、加大單洞泄量為主要因素進行布置。

拉哇水電站最大洪峰流量11 900 m3/s，泄水建筑物擬考慮由表孔、中孔和底孔構成，表孔以泄洪為主并兼顧水庫放空及水庫水位控制，中孔參與渲泄大洪水，底孔用于水庫放空，不參與泄洪。結合壩址地形地質和建筑物布置條件，擬布置2條表孔、1條中孔和1條底孔，表孔總泄量約8 500 m3/s，中孔泄量約3 000 m3/s，底孔根據水庫放空要求設置。

5 泄水建筑物布置格局[1- 4]

拉哇大壩壩址左岸被拉哇溝切割，受區域斷層F9-1、F1和Ⅶ號拉勉堆積體等影響，左岸巖體完整性差，地質條件差，不宜布置大型地下洞室建筑物，但壩址左岸壩頂高程以上地形相對較緩，下游河道右拐，具備布置岸邊開敞式溢洪道的地形條件。右岸地形陡峻，無天然埡口，無大型結構面，山體雄厚，地形齊整，斷層、層間夾層不發育，巖體較完整，地質條件明顯優于左岸，具備布置大型地下洞室群條件，且右岸為凸岸，可裁彎取直布置洞室泄水建筑物。

根據左右岸地形地質條件，將中孔泄洪洞、底孔放空洞及輸水發電系統均布置于右岸地下，表孔考慮兩種布置方式，分別為：布置于左岸的溢洪道，采用開敞式進口、明渠泄槽；和布置于右岸的溢洪洞，采用開敞式進口、隧洞泄槽。因此，根據表孔位置及泄槽形式的不同，泄水建筑物布置格局分為右岸溢洪洞方案(見圖1)和左岸溢洪道方案(見圖2)。

圖2 左岸溢洪道方案平面布置

5.1 方案布置

右岸溢洪洞方案將泄水建筑物均布置于右岸地下，包括2條溢洪洞、1條泄洪洞、1條放空洞。溢洪洞采用開敞式進口，洞室泄洪。溢洪洞單孔孔口尺寸15 m×23 m，相應堰頂高程2 679 m，單洞最大泄量4 137 m3/s，單寬流量276 m3/s，無壓隧洞斷面尺寸15 m×23 m，出口挑流消能。泄洪洞進口底板高程2 640 m，采用有壓接無壓隧洞布置形式，最大擋水水頭62 m，工作閘門孔口尺寸12 m×9 m，圓形有壓隧洞直徑13.5 m，無壓隧洞斷面尺寸12 m×18 m，出口挑流消能。泄洪洞最大泄量3 149 m3/s，單寬流量262 m3/s。放空洞不參與泄洪，僅在庫水位低于2 660 m時參與水庫放空。進口底板高程2 585 m，采用有壓接無壓隧洞布置形式，工作閘門孔口尺寸6 m×6 m，圓形有壓隧洞直徑8 m，無壓隧洞斷面尺寸7 m×12 m，出口采用挑流消能。放空洞最大泄量1 084 m3/s。

左岸溢洪道方案是將表孔溢洪道布置于左岸，泄洪洞和放空洞布置于右岸。溢洪道采用開敞式進口，明渠泄洪，共2孔。各建筑物泄洪規模與孔口尺寸和右岸泄洪洞方案相同。

5.2 方案比較

右岸溢洪洞方案避開了左岸各不良地質體和大型結構面，較好地適應了壩址的地形地質條件。主要開挖邊坡分布于右岸，均為反向巖質坡，邊坡穩定性較好。消能區遠離大壩壩腳，可避免下泄水流淘刷壩腳堆石。

左岸溢洪道方案的開敞式溢洪道超泄能力強，但進水渠開挖觸及左岸深厚全強風化自然邊坡，對其穩定有較大影響。泄槽段施工及施工道路布置對Ⅶ號堆積體有影響。溢洪道下泄水流淘刷Ⅷ堆積體，泄洪霧化有可能影響Ⅶ號和Ⅷ堆積體的穩定。挑流鼻坎緊鄰大壩壩腳布置，壩腳堆石需采取防護措施。另外，左岸開挖邊坡主要為斜交順向坡，邊坡穩定條件相對較差，處理難度大。

經綜合經濟技術比較，左岸溢洪道方案工程潛在風險大、投資大，且投資可控性較差；右岸溢洪洞方案投資較左岸溢洪道方案少約12.6億元，更好地適應了壩址的地形地質條件，具有不擾動左岸不良地質體、潛在風險小、工程投資可控程度高等優點。因此，選擇右岸溢洪洞方案為泄水建筑物布置方案。

6 泄洪洞與放空洞結合研究

拉哇水電站地形地質條件復雜，工程規模大，樞紐主要建筑物占投資比例高。為降低工程投資，優化樞紐布置，并確保工程安全，研究泄洪洞與放空洞結合布置的可能性。

6.1 研究方案擬定

按泄洪洞是否與放空洞結合，擬定四洞方案和三洞方案進行比較。四洞方案在右岸溢洪洞方案基礎上進行優化，共設置4條洞室；三洞方案在四洞方案基礎上取消放空洞，降低泄洪洞進口底板高程，使其兼具泄洪和放空水庫的功能，共設置3條洞室。

6.2 方案布置

6.2.1四洞方案布置

四洞方案設3層泄水通道，表層為2條溢洪洞，中間為1條泄洪洞，底層為1條放空洞。

四洞方案在右岸溢洪洞方案基礎上進行優化，將電站進水口布置在右岸壩頭與泄水建筑物之間，將放空洞洞線與④機引水洞上平段平面共線布置。優化后的布置縮短了輸水發電系統長度，經論證可取消調壓井，水頭損失小，單機單洞布置，運行條件好，投資省。

四洞方案泄水建筑物總泄洪規模為11 423 m3/s，最低放空水位2 592.2 m，實際放空高度比0.48，泄放庫容比0.9。

6.2.2三洞方案布置

三洞方案設2層泄水通道，表層為2條溢洪洞，底層為1條泄洪放空洞。三洞方案的關鍵在于確定泄洪放空洞的進口高程和泄洪規模。

高面板壩設置放空設施，可適當控制水庫蓄水和有條件降低庫水位，主要目的是用于大壩超預期滲漏檢查與修補，在發生非常情況(如地震等)時減小次生災害的影響。從已有工程運行經驗及統計資料來看，高壩運行期缺陷大多發生在2/3壩高以上；在地震情況下，大壩震損主要出現在壩頂附近。根據國內外面板堆石壩放空設施設置情況統計分析可知，大部分工程的放空高度比約為0.5[5]，基本可滿足大壩檢修的要求。

拉哇水電站河床覆蓋層厚約72 m，約1/3壩體高度長期掩埋于河床以下；大壩面板應力和周邊縫變形最大部位位于1/3壩高左右；大壩靜力分析研究成果表明，大壩應力和變形較大部位主要位于中下部，低于水庫100年淤沙高程2 581 m。以上情況表明，拉哇水電站大壩下部約1/3壩高范圍不具備檢修條件。

水閘規范規定，當擋水水頭超過85 m時，宜選用設有突擴門槽的壓緊式或充壓式止水的弧形閘門，相對于采用常規止水，其閘門結構相對復雜，操作環節多，可靠性低，因此泄洪洞弧形閘門的擋水水頭以不超過85 m為宜。

綜合以上因素，并類比高水頭大流量泄洪洞特性，將泄洪放空洞工作閘門運行水頭設定為85 m，相應進口底板高程2 617 m，工作閘門孔口尺寸9 m×8.5 m，最大泄量2 609 m3/s，單寬流量237 m3/s。拉哇大壩和猴子巖大壩[5- 6]工程布置條件近似，壩高基本相當，均位于強震區，河床覆蓋層深度均為70 m左右，放空高度比0.38，與猴子巖(0.41)[5]相近。

三洞方案適當加大溢洪洞泄流能力以泄放同等規模洪水，將溢洪洞堰頂高程由2 679 m降低至2 678 m，孔口尺寸15 m×24 m，單洞最大泄量4 406 m3/s，單寬流量294 m3/s，最大流速45 m/s。

三洞方案泄水建筑物總泄洪規模11 422 m3/s，最低放空水位2 623.6 m，實際放空高度比0.35，泄放庫容比0.74。

6.3 方案比較

三洞方案和四洞方案泄流能力、運行條件總體相當。兩方案均較好地適應了壩址地形地質條件，具有不擾動左岸不良地質體、工程投資可控程度高等優點。

從已有工程運行經驗來看，面板堆石壩運行期缺陷和地震震損主要出現在2/3壩高以上，兩個方案均具備枯水期降低庫水位進行大壩檢修的條件，且能泄放大部分庫容。

四洞方案泄水建筑物分3層布置，樞紐泄洪運行靈活，但隧洞較多，受地形條件限制，相鄰建筑物間距較小，布置局促。三洞方案溢洪洞泄洪規模略大，泄洪放空洞孔口大，設計水頭高，弧門推力大，雖然對施工質量及工程運行管理要求高，但均在國內技術水平所能達到的范圍之內。三洞方案由于減少了1條洞室，拉大了洞室間距，更利于洞室圍巖穩定，布置上也更加靈活，且投資比四洞方案少約3.3億元。

綜合技術經濟分析，兩方案技術上均可行，各有利弊。四洞方案設置了專門的放空洞，放空洞進口高程低，降低庫水位能力較強，同時泄洪洞進口高程較高，運行相對可靠，但四洞方案存在極低運用幾率的放空洞如何維修保養問題；三洞方案泄洪放空洞設計水頭相對較高，流速相對較大，但三洞方案可改善建筑物的布置條件，節省投資。

綜上所述，泄洪洞與放空洞結合布置，可滿足樞紐泄洪要求和大壩檢修要求，技術可行，投資較省。最終選擇三洞方案作為泄水建筑物布置方案。

7 結 語

拉哇水電站河谷狹窄，岸坡陡峭，左岸大型不良地質體發育。樞紐布置將主要建筑物布置于右岸地下，避開了左岸Ⅶ號堆積體、Ⅷ號堆積體、深厚全強風化自然邊坡，較好地適應了壩址地形地質條件。泄水建筑物分2層布置，采用3條洞室泄洪，雖然泄洪水頭高、流量大，對運行管理要求高，但均在國內技術水平所能達到的范圍之內。泄水建筑物布置滿足樞紐泄洪和大壩檢修要求。下一步將重點研究泄水建筑物高速水流、混凝土抗沖耐磨、隧洞摻氣減蝕、隧洞襯砌及下游河道防護等問題。