官地水电站泄洪消能研究及布置设计

杨光伟

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，系雅砻江卡拉至江口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站，电站主要任务是发电。电站主要由拦河碾压混凝土重力坝、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物等组成。水库正常蓄水位1 330.00m，设计洪水位1 330.18m，校核洪水位1 330.44m，死水位1 328.00m，极限死水位1 321.00m，总库容7.6亿m3，属日调节水库。电站装机容量2 400MW，多年平均发电量118.7亿kW·h。

官地水电站工程为一等大(1)型工程，大坝、厂房、引水尾水系统等永久性主要建筑物为1级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物，临时性建筑物按4级设计。采用坝身泄洪、底流消能方式，消能落差大、单宽泄洪功率大，高坝泄洪底流消能防冲的规模和技术难度在国内外均属前列。

2 工程基本条件

工程区河床覆盖层厚0～35.8m，坝基范围基岩顶板高程1 165～1 203m，纵向上厚度较为稳定，横向上以河床左侧最厚，向两岸渐薄，由下至上可分为三层。河床坝基基岩为P2β15－2角砾集块熔岩，河床坝基下发育fxh01、fxh05、fxh07等缓倾压扭性错动带，倾向下游，倾角11°～34°，延伸长度约50 ～130m;为岩屑夹泥型或岩块岩屑型。

坝前最大壅水高度139m，正常蓄水位时，相应水库面积14.7km2，水库回水长度58 km。雅砻江流域洪水主要是由暴雨形成。洪水标准、相应流量及水位见表1。

3 泄洪消能建筑物布置设计

3.1 枢纽布置原则

枢纽布置方案为碾压混凝土重力坝挡水、右岸首部地下厂房、坝身5个表孔+2个中孔，坝身承担全泄、底流消能的枢纽布置方案。

碾压混凝土重力坝自左至右依次布置左岸挡水坝段、河床溢流坝段、右岸挡水坝段，2个中孔分别布置在左、右侧的溢流坝段内。泄洪建筑物由坝身的5个溢流表孔和两个泄洪放空中孔组成，下游消能采用底流消能形式。拦河坝坝顶高程1 334.00m，坝顶长度516m，最低建基高程1 166.00m，最大坝高168m，最大坝底宽度153.2m。河床中共6个坝段为溢流坝段和中孔坝段，共长131m，中间两坝段长度分别为21.5m，其他坝段长均为22m;中孔坝段分别布置在溢流坝两侧;左、右岸分别有9个挡水坝段，左岸坝顶总长190m，左岸侧两坝段长分别为24m、26m，其他坝段长均为20m;右岸坝顶总长195m，右岸侧接头坝段长为35m，其他坝段长均为20m。

表1 各建筑物采用的洪水标准及相应的流量和水位

3.2 消能方式选择

设计中对溢流坝消能采用挑流、戽流、底流消能方案进行了研究，各方案工程投资相差不大。挑流消能所形成的雾雨对下游岸坡岩体稳定影响较大，岸坡防护范围大，处理难度较高，下游冲坑对基础深层抗滑稳定存在潜在影响;戽流消能的主要问题是下游水面波动对下游岸坡稳定的冲刷较为严重;底流消能对下游岸坡稳定的影响小，边坡防护简单，底板对深层抗滑稳定处理有利。结合底流消能的布置进行了传统底流消能形式、宽尾墩+底流消力池、宽尾墩+连续跌坎+底流消力池三种型式比较(见表2)，结果表明采用宽尾墩+连续跌坎+底流消力池的泄洪消能布置型式较为合理。

根据碾压混凝土的施工特点，在坝面设置台阶可方便施工，对小流量消能有利。考虑到阶梯消能合理的单宽流量范围为30～40m3/s·m，本电站溢流面最大流速达40m/s以上，坝面气蚀问题突出，消能效率和消力池内流速与坝面不设台阶方案比较差别不大，故没有采用溢流坝面设台阶方案。

3.3 泄洪溢流表孔

3.3.1 结构布置

根据地形、地质条件，在选定坝址位置布置拦河重力坝，溢流表孔位于河床中部的10～15号坝段，溢流表孔为开敞式，孔口尺寸5－15m×19m(孔数－宽×高)，中墩厚5m，边墩厚4m，闸墩顺河流向长为51.8m。溢流堰顶高程1 311.00m，每孔堰顶设平面检修闸门和弧形工作门各一扇。溢流坝坝体上游面上部铅直，下部为1∶0.3斜坡，折坡点高程为1 240.00m，堰顶前缘为1/4椭圆曲线，堰顶采用幂曲线，后接1∶0.75斜坡，再通过圆弧形的反弧段与消力池相接，相接处设跌坎。

3.3.2 宽尾墩体型研究

比较了有宽尾墩和无宽尾墩、X型和Y型宽尾墩，各体型中溢流坝面上水流流态都较好，时均压强沿坝面分布规律大致相同，量值相当。X型比Y型宽尾墩在底板上脉动压强大17%以上，X型和Y型宽尾墩脉动压强沿水流方向的最大梯度差别不大，从消力池底板安全考虑，Y型宽尾墩具有一定的优势;X型和Y型宽尾墩水流的正向临底流速差别不大，X型宽尾墩在跌坎附近产生的最大反向临底流速比Y型宽尾墩大70%，同时在跌坎附近，X型宽尾墩水流的流速梯度比Y型大110%。与Y型宽尾墩相比，X型宽尾墩在跌坎附近能量消耗过多，不利于跌坎和底板的安全。

无宽尾墩体型和Y型宽尾墩体型在溢流坝面上都有较好流态，时均压强和脉动压强呈现的规律大致相同。对无宽尾墩体型和Y型宽尾墩体型的流态、时均压强和脉动压强测量以及消力池临底流速、尾坎流速比较分析表明:无宽尾墩情况下消力池内为典型的二元水跃流态，跌坎下游局部范围内的横轴漩涡稳定而强烈;Y型宽尾墩情况下消力池内为典型的三元水跃流态，跌坎下游局部范围内横轴漩涡的强度有所减弱，并表现出一定的间歇性;无宽尾墩情况下，消力池长度明显不足，尾坎前后水面落差较大，出池水流与下游水面衔接不够顺畅;在Y型宽尾墩情况下，水流流态良好，消力池长度可以满足消能要求;Y型宽尾墩情况下消力池内时均压强和脉动压强相对较低;有、无宽尾墩体型在消力池内的最大流速基本相当，尾坎上流速分布基本相同;在跌坎下的流速分布和流速梯度变化上，无宽尾墩体型的变化更剧烈，紊动强度更高。综合比较分析认为，Y型宽尾墩体型对于消力池底板的安全，尤其是跌坎附近强紊动区的安全性优于无宽尾墩体型。

表2 三种底流消能方案的水力条件比较

3.3.3 掺气槽设计

根据水流空化数计算成果和坝面流速测值成果，宽尾墩墩尾断面附近的坝面空化数小于0.3，根据坝面保护长度需设置两道掺气坎，一道位于桩号0+45.80m处(宽尾墩墩尾断面)，体型为挑坎式，掺气保护长度约30m;另一道位于桩号0+70.00m处，体型为坎槽式，掺气保护长度约70m。两道掺气坎在各工况及不同闸门开启方式下，均能保持正常工作，坎下无积水，通风顺畅，能够达到掺气减蚀的作用。掺气设施结构体型见图1。

3.4 底流消力池

3.4.1 结构布置

由于河床覆盖层厚30余米，若将坝后消力池池底高程设计得太高，则混凝土量将增加太多;若护坦高程太低，泄洪时下游河道水位较高，淹没度太大，消能效果将大为降低，甚至成为高速潜流，对下游相当长的一段河床产生冲刷。经计算比较和水工模型试验验证，消力池池底高程为1 188.00m，长度为145m，宽95m。根据地形地质条件，河槽部位切割相对较深，河床覆盖层厚度相对较厚，确定河床中部底板最低高程为1 166.00m，河床两侧基岩出露高程较高，底板底高程为1 182.00m，底板厚度6～22m。

由于大坝下游消能区范围内两岸岸坡地形具有明显的”左陡右缓“特点，为适应地形条件，减少工程量和方便施工，消力池边墙布置为不对称混凝土斜边墙，同时也可增大消力池的消能容积。边墙顶高程1 224.00m，底高程1 182.00m，左岸贴坡边墙坡度1∶0.5，边墙厚3m，底部至1 188.00m。右岸边墙1 205.00m高程以下与左岸一样，以上为衡重式边墙，迎水面坡度1∶0.5。

为有效降低泄洪时池底临底流速，增强消能效果，在反弧段末端与消力池相接处设置跌坎，跌坎高度6.5m，长度与池宽一致。为满足在消力池内形成水垫利于消能和消力池检修需要，在池末端布置22.5m高尾坎，迎水面坡度1∶0.3，背水面坡度1∶0.7。

3.4.2 尾坎高度

为保证枯水期消力池检修时不影响发电，在消力池后设置高尾坎，比较了2台机和4台机发电的下游水位情况下尾坎高度19.6m和22.5m方案。4台机组发电流量2 345m3/s，相应下游水位为1 209.31m。尾坎顶高程取1 210.50m，尾坎高22.5m。

图1 掺气坎体型示意

各种洪水工况下，尾坎中央与两侧的出池流速具有基本相近的垂线分布特性，大体上呈”上大下小“的分布规律;尾坎高度19.6m方案与22.5m方案最大出池流速基本相当，在设计洪水与校核洪水工况下均为8m/s左右。两种方案的时均压强和脉动压强沿程分布相似，尾坎高度降低后，消力池内水面线随之降低约1m，低方案时均压强量值略小;脉动压强量值基本相当，沿横向的分布情况看，高方案的左、右分布基本对称。尾坎高度19.6m方案的沿程分布规律均与22.5m方案十分相似，在相同的泄洪工况下，高方案的下游河道与电厂尾水区水面波动较低方案有所降低。

消力池尾坎降低除工程量略有减少外，对于消力池水力特性的改善无明显优势，高方案有利于提高消力池检修条件，消力池尾坎高度22.5m较为合适。

3.4.3 连续跌坎

跌坎高度对消力池临底流速、池底压强、池内流态和尾坎出口的水流形态均有直接关系，合理选择跌坎高度是使这些方面达到相对较优的重要研究内容。跌坎型底流消力池连续跌坎的合理高度选定与消力池尾坎高度、入池流速与单宽流量、泄洪工况、消力池边墙型式均有直接关系。

参考向家坝水电站的系列研究成果，对无跌坎方案、5m和10m高跌坎方案进行了对比研究。消力池尾坎高度提高后，阻断了消力池水流与下游河道的自然衔接，影响消力池内水流流态的稳定性。跌坎高度较低时，高流速水体将触及消力池底板，且距离尾坎较近，容易受尾坎阻断作用影响而出现左右摆动的不稳定情况;跌坎高度过高时，由于高流速水体较少触及消力池底板，高速水体部分上移，水流流态容易出现面流特性。参考类似工程和试验研究成果，在合适的尾坎高度与消力池长度不变、保障水流流态稳定、确保有较好的消能效率的前提下，相对合理的跌坎高度为6.5m。

3.4.4 底板稳定研究

由于电站大坝泄洪水头高，底流消力池底板脉动压强的大小将直接关系到底板板块稳定，消力池底板上的动水荷载由时均荷载和脉动荷载组成，是底板稳定设计中的主要荷载之一，上下游水位差、下游水深、水舌入水形态、底板尺寸、分缝位置、止水破坏的方式都对消力池底板动水荷载有影响。

根据设计布置方案和底板脉动压强分布特性，跌坎下游局部范围是关注的重点区域，分析板块上举力的脉动特性、时均值、均方根值及瞬时最大值，从而确定消力池底板在各种工况下维持稳定所需的板块厚度，以及在一定底板厚度下，底板维持稳定所需的锚固力。从测试成果看，底板上表面脉动压强均方根值普遍在50kPa以下，跌坎下游局部范围内底板脉动压强均方根出现峰值，实测最大值为80.8～94.32kPa。底板下表面脉动压强均方根值较上表面有较大衰减，量值普遍在25kPa以下，对底板的稳定性有利。在各工况泄洪水流作用下，仅校核工况下跌坎下游局部范围底板所受上举力略超底板浮重，需适当加强锚固。消力池边坡块所受上举力大于抗力，需要加强锚固措施维持稳定，采用间、排距2.5m×2.5m的3φ32锚杆束进行锚固加固，锚杆插入地基深度8m。

3.5 泄洪(放空)中孔

3.5.1 结构布置

为了满足校核洪水时的泄流能力，同时根据水库放空和后期导流需要，设置2个中孔。目前国内坝内中孔闸门承受的水头范围最大以90～100m为宜，确定中孔进口底板高程为1 240.00m。

2个中孔分别布置在表孔两侧坝段，中孔坝段上游上部铅直，下部1∶0.3斜坡，折坡点高程为1 220.00m;下游坝坡为 1∶0.75，起坡点高程为1 315.33m;坝顶宽度20m。中孔采用有压深式进水孔形式，包括进口段、压力段、明流段和鼻坎挑流段，进口段上唇采用椭圆曲线，后接一小段1∶5.5的切线，压力段末端压坡坡度为1∶5，压力段后接明流段，压力段出口采用突扩门槽，出口尺寸5m×8m(宽×高)。中孔坝段泄水孔压力段前端设平板事故检修门，压力段周边均设钢衬，末端出口设弧形工作门。中孔出口布置见图2。

图2 中孔出口布置示意

3.5.2 出口掺气研究

在高速水流作用下，弧门下游左侧出现负压，该处水流与圆弧边壁可能发生分离，流速高又处于突扩门槽下游清水区内，是空蚀的高危区，如果没有充分而有效的减蚀措施，将遭受空蚀。工作门突扩门槽具有弧门高效止水和掺气减蚀的双重作用，出口弧门后突扩两侧形成侧空腔，将门后底板高程降低，设置1∶5的斜坡衔接，以充分补气避免高水位情况下出现负压，侧边墙采用三次曲线面。

出流下方在底坎后形成空腔，在小流量下回逆水流充塞坎后空腔，底空腔不稳定，阻碍通气孔通气和水流掺气。从模型试验看，在运行水位1 300m时射流下方形成稳定底空腔，通气孔通气量明显加大，气流稳定，稳定底空腔形成的临界水头约为60m;随水位进一步升高，底空腔长度和高度都随之增大。工作门突扩加跌坎掺气设施能够较好地起到掺气减蚀的作用，对满足通气孔通气要求、改善水流掺气效果、减轻射流对消力池尾坎上游坡面冲砸、改善挑流水舌的空中姿态与入水范围有利。

3.6 水库运行方式

雅砻江河流悬移质主要集中在汛期，沙峰与洪峰基本对应。根据河流输沙特点，为减少电站水库库区泥沙淤积，充分利用汛期大流量时降低水位排沙，经泥沙冲淤平衡计算，为满足坝前水库的日调节功能要求、保证汛期排沙效果，水库调度方式为:汛期(6～9月)电站水位降至汛期排沙运用水位1 328.00m运行;非汛期(10月～翌年5月)水库进行日调节，坝前水位在死水位至正常蓄水位之间运行。

水库泄洪时，推荐首选采用闸门均匀同步开启，其次是对称间隔开启，尽量避免只开启中间三孔的情况，因水流集中两侧回流明显，不利于充分消能，在泄洪运行的闸门开启初期，适当放缓弧门开启速度，使下游水位逐步提高，避免因下游水位过低而出现远驱水跃等不利流态。在校核洪水工况下电站不发电，中孔承担总泄洪量的15.77%;在设计洪水和消能洪水工况下，考虑2台机发电引水1 172.5m3/s，其余流量从表孔泄流。

根据泄流能力计算和模型试验验证，泄洪建筑物布置满足泄流能力要求。在实际运行中，根据来水、来沙情况和电站调度运行情况，运行单位可对闸门运行方案进行适度优化调整，以达到最佳水库运行方式。

4 结 语

官地水电站泄洪消能方式经过多方案比较后，采用了“溢流表孔宽尾墩+连续跌坎+斜边墙底流消力池”的底流消能型式，即在溢流表孔闸墩设置宽尾墩，提高消能效率，在溢流堰反弧末端设跌坎降低消力池临底流速，利用开挖体型布置斜边墙减少工程量并增加消能容积。模型试验成果表明，宽尾墩体型、连续跌坎、掺气设施等具有明显作用。坝面无负压产生，消力池内水流扩散均匀，消能效果较好，下游水面衔接平顺，消力池长度满足要求。可见，本工程大坝泄洪消能系统设计是合理的。

为使工程设计和运行达到较优化的状态，在工程实施期间根据需要对局部结构进行细化研究，按实际情况进行适当优化调整，对消力池底板和边坡采取适当的加固措施和底部排水设计，保证运行安全。从试验情况看，电厂尾水区不会出现淤积，但受施工临时项目拆除的影响，运行初期下游河道可能出现局部淤积。为保证电厂的正常运行与发电效益，运行初期的几年内可利用枯期时段对河道进行适当清理。考虑到本电站泄洪消能的独特特点与技术难度，施工过程中应加强施工质量控制，埋置、调试好监测设施，加强运行过程中的原型观测。