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白鹤滩水电站泄洪消能问题的研究

来源：王一博发布时间：2016-04-20 浏览量：1607

摘要   在水利工程建设中，泄水建筑物是水利工程中的一个重要的构成部分，泄洪消能问题对水电站运行的经济性和安全性都有比较大的影响。在进行泄洪消能设计时，首先要提高泄洪的安全性，解决泄洪消能遇到的问题。基于此，本文通过实际案例对水电站泄洪消能问题进行分析探讨。
关键词 白鹤滩；水电站；泄洪消能；问题研究
中图分类号：TV131.6    文献标识码：B
1 工程概况
    白鹤滩水电站主要由泄洪消能设备、拦河大坝、引水发电系统、泄洪消能设备等构成，拦河坝采用混凝土双曲拱坝，高度为227m。在设计时，工程按照千年一遇的洪水标准进行设计，并按照万年一遇的洪水标准进行校核。设计洪峰量为40300 m³/s 和48200 m³/s。枢纽泄洪的总功率可以达到90000MW，泄洪水头接近200m。虽然使用水库调蓄和削峰后，泄洪量仍然在44168m³/s，下游河床最大单宽泄洪功率几近1000MW/m，为世界已建拱坝工程所未曾有过。因此，必须妥善解决好白鹤滩水电站的泄洪消能设计问题。拱坝剖面图如图1所示。

图1 拱坝剖面图

2 泄洪方式的选取
    白鹤滩水库总库容191亿m³，但多年平均径流量为1258亿m³，库容相对较小，泄洪频繁，要求泄洪建筑物运行安全可靠，因此采取多种泄洪设施泄洪，可互为备用，也增加了工程运行的灵活性和安全性。就坝址区地形地质条件来说，河谷狭窄，岸坡陡峻，两岸无适合布置岸边溢洪道的位置，而坝区内岩石完整，无大断层切割，具有修建大型泄洪隧洞的地质条件^[1]。泄洪洞虽造价高于坝身泄洪，但具有远送水流的特点，能减少坝下消能防冲的负担，且运行安全可靠。
    根据国外和国内建坝经验以及白鹤滩工程自身特点，制定了坝身孔口和岸边泄洪洞相联合的泄洪方案。在可以展示坝身能力的前提下，在岸边安置一些泄洪设备，以达到白鹤滩大坝总体施工要求。
3 泄洪消能建筑物的设计
3.1 设计原则和设备布置
    在水电站施工过程中，白鹤滩工程岸坡斜度大、水流量较大、水头高河谷狭窄等特点，根据这个特点，在设计泄洪消能建筑物时必须和混凝土坝身泄洪、坝下消能的整体布局相结合，从而降低泄洪雾化对下游高边坡造成的负面作用，设计泄洪消能建筑物时要遵守以下几点要求：
1）必须考虑到坝后消能和枢纽建筑物的关系，防止对尾水流出产生的不良后果，同时也解决好杨房沟对枢纽建筑物产生的作用。
2）坝后消能区域最好不要对两岸边坡动土，同时也要想到入水水舌所处的位置水必须足够深，防止出现干砸两边岸坡的状况。
3）水流根据坝身布置在不同的出口流出，降低水流冲下对消能区建筑物产生的压力。
4）考虑到此工程水库的特点以及调节库容量的大小，要选择较为安全可靠的泄洪方案，保证洪水能够安全泻下，不会对下游高边坡产生负影响。
5）提前考虑泄洪雾化会影响到的地区范围，继而避免雾化作用到两岸边坡，由于白鹤滩水库泄洪频率高，库容系数为8%，因此对泄洪建筑设备的可靠性和安全性要求比较高，为了增加枢纽的超泄能力，需要对表孔的数量进行增加。另外还需设置一定数量的深孔，以满足降低库水位、检修大坝、泥沙调度等要求。结合国内外建坝经验，初步选定 “坝身6表孔+7深孔+5岸边泄洪洞”的布置方案，为节省工程投资，其中2条泄洪洞为导流洞改建的竖井泄洪洞。
    对投入资金和工程结构质量进行综合对比后，本工程设计堰顶高度为834m，坝身布置6个表孔，洞口的大小为15.2m×28m，有7个较深的孔洞，出口位置尺寸为6m×9m，出口位置高度大约876m的泄洪设备布置格局，大坝下流选择水垫塘消能。岸边布置5条泄洪洞，其中3条为有压接无压的常规泄洪洞，工作闸门孔口尺寸14m×11.3m，底板高程750m；另2条为利用导流洞改建的竖井泄洪洞，工作闸门孔口尺寸7.5m×10m，底板高程765m。
3.2 坝身泄洪孔口设置
    为了防止岸坡受到洪水的刷洗，白鹤滩坝身泄洪口位一般设计在拱坝的中心，将溢流中心线变成了下游中心线，让洪水缓缓地流下。表孔共6孔，孔洞大小为15.2×28m, 溢堰顶高度是834m，闸门设计为弧形工作闸门，以达到阻止水下流的目的，溢流堰面使用的是WES流曲线。闸门的宽度15m，溢流前面总体宽度194m。以溢流为中心，在两边对称布置表孔，表孔从岸边一直布置到河中，在出口处跌坎俯角分别为15°、30°、0°。对应的跌坎高程分别为787.60m、785.90m、798.80m。平面上使用4°~6°的扩散角，扩大水舌进水面积，让水流向四周分散，降低每平方米内的进水量。为了减缩溢流前方的宽度大小，安设了7个闸墩，每个闸墩下都设有一个较深的孔，设置孔洞的目的是防止水库水位上升和泥沙的冲击^[2]。在设置时，要求孔洞口的直径、7个深孔水头必须与闸门、开关机设备的运行水平相结合，设计的每个孔洞口的高度最好低一些，白鹤滩充分考虑施工的安全性后，最终决定深孔出口底高度为876m，单个孔洞排泄水量是1736 m³/s，孔洞面积6m×8m（宽×高），工作水头是110m。此时每个表孔都可以进行泄洪，那么泻出的水舌就会有较大的冲击角度，从而增强消能效果。为了将入水水舌沿纵向拉开，分成三组在七个深孔处使用不同的挑角，其中2^#、6^#深孔出口挑角为10°， 1^#、4^#、7^#深孔出口挑角为3°，3^#、5^#深孔出口挑角为16°。各个水舌的落点不允许出现重叠的情况。以降低水流集中造成的负面影响。除了四号孔以外，剩余的各个孔都在平面上向河岸方向转动2°、2°、3°。
3.3 坝下消能建筑的设计布置
    考虑到杨房沟工程泄洪建筑物本身的特点，坝后消能建筑物最后确定水垫塘和二道坝结合的方案，此方案可以避免两岸边坡受到洪水刷洗，还能保证大坝和抵抗物体的安全。
3.3.1 水垫塘设计布置
    水垫塘设置时要与拱坝相邻，水垫塘从底部到二道坝的长度为200.2m，其断面形式设计时采取的是复式梯形断面，底部板面选择平地设计，其高度大约为 5m，底板顶面高度要依照建基要求来决定，最后考虑地理条件、大坝的所处地形条件以及抗力物体稳定的基本条件，从下游到上游方向水垫塘的底部直径是50-76之间。水垫塘两岸，每相隔23m就会设置一个马道，马道的大小是6m左右，并且其所用的钢筋混凝土砌护高度是1987.3m。
3.3.2 二道坝布置
    使用重力式坝体结构布置二道坝，为了满足过坝水流对流态的具体要求，借鉴类似工程的施工经验，初步拟定下游坡比为1:0.8、上游坡比为1:0.6。消力塘具有非常大的下泄流速，这样在水上形成滚动和漩涡，成为非定态流动和具有脉动现象的湍流^[3]。底板结构受力比较多，在底板判断浮力稳定性和相似工程的参考下，决定采取混凝土底板，厚度为5m，以锚筋固定边缘，为了使底板更加稳定，采用交叉式排水管道，强迫其排水^[4]。
    在底板侧面边上，不间断的水流、水团不断冲入到水垫塘边上，所以底板两侧必须有护栏，设成坡度为1：2，间隔22m时设置马道8m，并且内带排水。采取厚度为4m的混凝土，下部安装排水孔和锚杆，上部安装的墙壁有阻浪作用。
3.4 泄洪洞设计
    坝外泄洪洞作为白鹤滩的主要泄洪设施项目之一。与许多泄洪布局方案相比之后，决定为全部泄洪洞。建立洪水情境时，设定泄量15000m³/s，校正泄量15801m³/s。其中泄洪洞泄量大约占总泄量的1/3，可进行单独常年洪水灌溉，其下泄功率最大可达29122MW。根据泄量和工程总分布情况，泄洪洞以5条岸边进行泄洪，当中2条是竖井泄洪洞由导流洞改建，3条是常规泄洪洞有压接无压组建。
3.5 泄洪雾化及防护设计
    高坝泄洪水流雾化是一种难以解释的物理现象，其受作用的原因很多，就目前来讲，科学家还没有提出有依据的计算方式。单从我国来说，研究雾化现象的方法依然是原型观测^[5]。整篇文章都是依靠大坝所处的地质条件来对白鹤滩泄洪水流产生的雾雨展开研究讨论，同时也研究雾化的作用范围，提前制定好对应的保护方案。
    白鹤滩工程坝高277m，坝身布置6表孔(15.2×28m)，7深孔(6×9m)，两岸布置了5条泄洪洞，泄洪流量、泄洪功率巨大。采用孔口分层出流、空中碰撞消能，坝址区河谷狭窄、地形陡峻，所引起的高速水流雾化问题将非常严重。
    由于泄洪洞出口距离拱坝较远，在坝轴线以下1500m~1700m（2条竖井泄洪洞因采取洞内消能方式，无雾化现象），由此会造成拱坝坝体泄洪和泄洪洞泄洪两个位置的雾化源。此工程雾化暴雨区包括大坝下游消能区、下方水流400m左右的区域以及孔洞口的消能区。按照雾化强度来推测降水强度，从而制定较好的防水和排水方案，降低有水量高造成的损坏^[6]。另外，此工程选择采用地下厂房设置的方法，将地面的出厂线安置在拱坝上游处。泄洪时，不会影响到其它建筑物。
4 结论
    实践证明，使用上述方法来进行泄洪消能基本可以达到水电站的运行需求。不过在实际设计过程中还要进一步对泄洪洞的体型、坝身泄流水舌的流台进行调整。进而更进一步做好水电站泄洪消能工作。
参考文献：
[1]王仁坤，溪洛渡水电站高拱坝大流量泄洪消能技术研究[J].中国三峡建设),2005,(06).
[2]于青，王建新，何明杰，殷亮，黄熠辉.杨房沟水电站泄洪消能设计[J].东北水利水电,2012,(01).
[3]覃文文，刘华，胡岚平，李连侠，沈焕荣，易文敏.安谷水电站消能防冲布置方案优化[J].西南民族大学学报(自然科学版),2011,(04).
[4]孙双科.我国高坝泄洪消能研究的最新进展[J].中国水利水电科学研究院学报,2009,(02).
[5]杨晓红，林新志，黄元.碾压薄拱坝泄洪消能布置优化设计[J].水利水电工程设计,2011,(03).
[6]于青，王建新，何明杰，殷亮，黄熠辉.杨房沟水电站泄洪消能设计[J].东北水利水电,2012,(0)

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