黄河龙口水利枢纽工程泄水建筑物设计

苗 青 王晓辉 刘顺萍 周陈超

1 洪水标准及泄流要求

龙口水利枢纽总库容1.96亿m3,电站总装机容量420MW。本枢纽工程属大(Ⅱ)型工程,枢纽主要建筑物大坝、电站厂房、泄水建筑物按2级建筑物设计,其洪水标准按100年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。

入库洪水由万家寨—龙口区间同频率洪水叠加万家寨水利枢纽相应洪水的下泄流量组成。水库运用方式是蓄清排浑,汛期排沙。电站为河床式电站。泄水建筑物除应满足泄洪要求外,还应满足冲沙、排污等项要求。

规划对泄水建筑物泄流能力的要求:

(1)校核洪水位时,下泄流量大于8276m3/s;(不包括电站引水流量,下同);

(2)设计洪水位时,下泄流量大于7561m3/s;

(3)汛期排沙水位888.0m时,下泄流量大于5000m3/s。

龙口坝址距万家寨电站仅25.6km,黄河上游来冰被万家寨水库拦蓄,龙口水库少量冰凌可由表孔排出,此外,枢纽无通航及过木要求。

2 布置与结构形式

从地形上看,龙口坝址河床相对较宽,具备布置坝体泄洪的条件。由于龙口工程冲沙流量大,汛期要求泄洪兼排沙,故泄水建筑物以底孔为主。考虑汛期泄洪有排污要求,故设2孔表孔。经反复比较后选用的布置方案为:泄水建筑物布置在枢纽的右侧,表孔紧靠右岸边坡坝段布置,底孔布置于表孔左侧,其中5个底孔坝段总长100m,布置10个孔口尺寸4.5m×6.5m(宽×高)的泄洪底孔,孔口处最大单宽泄量为137.8m3/(s◦m);2个表孔坝段总长34m,布置2个宽12m的泄洪表孔,最大单宽泄量为76.7 m3/(s◦m)。为保持电站坝段 “门前清”,同时减少过机含沙量,共设9个排沙洞。在5#～8#电站坝段每坝段各设2个排沙洞,10#副安装间坝段设置1个排沙洞,排沙洞出口尺寸均为1.9m×1.9m。

泄洪建筑物运用方式为:在开启底、表孔泄洪时,应同时启用排沙洞参与泄洪,对于出现频率较高的中、小频率洪水在水位和含沙量满足运行要求时,可开启水轮发电机组过流代替排沙洞,以减少排沙洞的过流频次。

经水工整体模型试验验证,在电站发电或开启5个排沙洞(副安装间坝段排沙洞及每个大机组段各1个排沙洞)参与泄洪的情况下,下泄洪水更加平顺,回流现象基本消失,电站尾水渠中基本没有淤积,底、表孔坝段的单宽流量有所减小,减轻了对下游河床冲刷。

2.1 底孔坝段布置

底孔是主要的泄洪、排沙建筑物。布置在河床中部偏右岸的12#～16#坝段,每个坝段宽20.0m,布置2孔,共10孔。在选定底孔进口底高程时,考虑到底孔除泄洪外,也是主要的排沙建筑物,故进口高程应尽量低,且要满足与消力池的连接要求,由于电站引水流道底高程为866.0m,故底孔进口底高程定为863.0m。根据枢纽排沙要求,龙口水库水位888.0m时泄流量大于5000m3/s,因此确定底孔控制断面孔口尺寸4.5m×6.5m(宽×高),此时最低冲沙水位885.0m时泄流能力为4673 m3/s(模型试验值),排沙水位888.0m时泄流能力为5091m3/s(模型试验值)。

底孔进口为有压短管,后部接无压明流洞,孔口控制断面4.5m×6.5m(宽×高),进口顶、侧曲线均采用1/4椭圆曲线,顶曲线方程为+=1,曲线尾部接1∶5直线段,侧曲线为+=1。

底孔设工作门、事故检修门各1道。工作门采用弧形钢闸门,由布置在坝内廊道的液压启闭机启闭,事故检修门为平板钢闸门,由坝顶双向门机启闭。

底孔明流段竖曲线为抛物线 y=0.00839x2,后接1∶4直线段,直线段下游接半径为17.0m的反弧段与一级消力池底板连接。为减小出口单宽流量,底孔边墩桩号0+17.74—0+038.408段按1∶20扩散,坝段末端0+038.408—0+042.53段按1∶12扩散。两侧闸墩墩头为1/4圆弧,半径为1m,中墩墩尾为方形。

2.2 表孔坝段布置

表孔担负泄洪、排污任务,必要时也可排冰,布置在右岸17#、18#坝段。每个坝段宽17 m,孔口净宽12.0m,共2孔,堰顶高程888.0m,以满足泄洪、排污要求。表孔工作门、检修门均为平板钢闸门,由坝顶双向门机操作。表孔堰面曲线为WES曲线,其方程为 y=0.085377x1.85,后接1∶0.7直线段,直线段下游以半径为15m的反弧段与底高程858.00m的消力池底板连接。两侧闸墩墩头为1/4圆弧,半径为1.25m,中墩墩尾为方形。枢纽总泄流能力详见表1。枢纽总泄流满足相应的泄流排沙规模要求。

表1 枢纽泄流能力汇总表

3 消能建筑物布置

表孔和底孔泄水建筑物的消能方式均采用底流消能。因本工程河床部位基岩高程为860.0m左右,为保证坝体沿基础内软弱夹层的抗滑稳定,消力池不宜挖得很深,深挖式消力池对坝基的深层抗滑稳定极为不利,不宜采用,故选用了尾坎式消力池,池底高程858.0m。消能建筑物主要由一级消力池、一级消力坎、二级消力池、差动尾坎、海漫、消力池左、右边墙及消力池中隔墙等建筑物组成。

根据消能计算及水工模型试验多方案比较,并考虑泄水建筑物的布置,最终确定底流消能布置为底、表孔一级消力池之间用中隔墙隔开,底、表孔一级池末端池坎位置处于同一桩号。

表孔一级消力池池长75.00m(表孔坝段末端至一级消力坎直立面),池宽29.00m。底孔一级消力池长75.0m,消力池左边墙以1∶25的坡度向左侧扩散。一级消力坎采用梯形断面,消力坎总高14.00m,其中一级池底板以上高度为7.0m。消力坎坎顶顺水流长3.00m,上游面为铅直面,下游侧采用1∶1斜坡段与二级消力池底板顶面衔接。

二级消力池为底、表孔共用。池底板顶面高程为857.00m,池长53.00m。二级消力池的左、右边墙分别向两侧扩散,左边以1∶6.67坡度向外扩散,右侧以1∶8坡度向外扩散,二级消力池末端宽度为147.00m。差动尾坎分高坎和低坎,高坎体型为直角梯形断面,低坎体型为等腰三角形断面,两种形式每隔3.5m交叉布置。

为防止水流反向淘刷,二级坎末端设垂直防冲齿墙,齿墙底高程849.0～851.0m。同时为保护紧邻消力池的尾岩,在差动尾坎下游侧设置约20.00m长的混凝土海漫。考虑到水流出池后波动较大,且靠近河道右岸,所以在右岸下游做一段干砌块石护岸。

水工模型试验表明:消力池在50年一遇和100年一遇工况下,表、底孔一级消力池、底孔二级消力池内均可发生完整水跃。底孔一级消力池消能率为60%。两级消力池及差动坎—反坡段的总消能率为75%。

在各级特征库水位下,水流经尾部齿坎—反坡段时,因下游水深较浅,产生跌落水流,形成收缩断面,断面平均流速达9.5m/s,平均水流佛氏数为1.3,呈急流状态。急流区尾部约在0+280断面处。海漫末端未发现明显局部冲刷。按水力计算,局部冲刷坑最低点高程约为855.6m。

4 抗冲磨混凝土设计

由于黄河泥沙具有含量高,硬度大,泥沙颗粒多呈棱形的特点,其中硬度Hd≥6的石英和长石占主要成分。龙口多年平均年输沙量(悬移质)为1.51亿t,多年平均含沙量6.36 kg/m3,计算最大含沙量289 kg/m3。根据龙口水工模型试验,底、表孔下泄50年、100年及1000年一遇洪水时,下泄水流流速较大,局部有高速水流。为了减少含有大量泥沙的高速水流磨蚀过流面,提高建筑物的抗冲磨能力,在底、表孔过流面和消能建筑物的迎水面采用高强抗冲磨混凝土。

在抗冲磨混凝土配合比试验中,从抗压强度、变形性能、抗冻及抗渗指标、抗冲磨性能、热性能以及混凝土拌合物凝结时间等方面,对比了人工砂和天然砂两种细骨料配置的混凝土。用人工砂配置的混凝土其抗冲磨强度不能满足设计要求。而采用天然砂配置的混凝土可以满足设计要求。

为了提高混凝土的抗裂性能,在混凝土中掺加了纤维,并对比了聚丙烯纤维、钢纤维、CF550纤维素纤维及UF500纤维素纤维。经综合分析利用天然砂及人工碎石作为骨料,并添加粉煤灰、硅粉及UF500纤维混凝土性能优于其它混凝土。

在原材料选定的情况下,水灰比是决定混凝土强度和耐久性能的主要因素。故选择水灰比既要满足强度的要求,又要满足耐久性的要求,同时要节约水泥。经试验最终确定水灰比为0.30～0.35。

5 结 语

根据龙口水利枢纽“蓄清排浑”运行方式,泄水建筑物的布置以底孔为主,并考虑汛期泄洪有排污要求,设有表孔。在泄洪时开启底、表孔的同时启用排沙洞参与泄洪,其下泄洪水更加平顺,回流现象基本消失,电站尾水渠中基本没有淤积,底、表孔坝段的单宽流量有所减小,减轻了对下游河床冲刷。表孔和底孔泄水建筑物的消能方式均采用底流消能,两级消力池及差动坎—反坡段的总消能率为75%,满足消能设计要求。

苗 青 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

王晓辉 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

刘顺萍 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

周陈超 男 工程师 国家发展和改革委员会国家投资项目评审中心 北京 100037