乌弄龙水电站泄洪建筑物消能工选择

陈念水,朱展博,李玉洁

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)



乌弄龙水电站泄洪建筑物消能工选择

陈念水,朱展博,李玉洁

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065)

乌弄龙水电站坝址区河谷狭窄，两岸陡峻；洪水流量大，泄洪建筑物单宽流量大；工程的特点制约了泄洪建筑物的布置和消能工的选择。设计通过多方案比较，经水工模型试验表明，选择的“宽尾墩+台阶溢流面+消力戽池”的联合消能方式较好地解决工程的泄洪消能问题。

乌弄龙水电站；泄洪消能；宽尾墩；联合消能工

1　工程概况

乌弄龙水电站位于云南省迪庆州维西县巴迪乡境内，为澜沧江上游水电规划7个梯级电站中的第2个电站，上、下游分别为古水和里底水电站。坝址控制流域面积8.59万km2，多年平均流量744 m3/s，多年平均径流量235亿m3。工程主要任务为以发电为主，水库总库容2.84亿m3，正常蓄水位1 906.00 m，调节库容0.36亿m3，为日调节水库。电站装机容量990 MW，年发电量43.62 kWh(考虑上游古水、如美水库调节)。工程属Ⅱ等大(2)型工程，挡水、泄水建筑物按500年(重现期)一遇洪水设计，2 000年一遇洪水校核，相应的洪峰流量分别为9 960和11 700 m3/s。工程于2009年11月开工建设。

2　工程枢纽布置

枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔、坝身泄洪底孔及右岸引水发电系统等建筑物组成。 拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝轴线为折线布置。坝顶高程1 909.50 m，最大坝高137.50 m。大坝坝顶长度247.10 m，坝顶宽度10 m，坝体断面上游面垂直，下游坡比为1∶0.72。表孔布置在主河床坝段，2孔底孔(其中一孔为生态放水孔兼非常泄洪底孔)布置在表孔坝段的两侧。3孔表孔堰顶高程为1 885.00 m，孔口尺寸为15 m×21 m，表孔3孔最大泄量10 465 m3/s，采用宽尾墩+戽式消力池联合消能。底孔和生态放水孔进出口底板高程均为1 835.00 m，孔口尺寸分别为3.5 m×7.2 m(宽×高)和3.5 m×6 m(宽×高)，每个孔最大泄量639 m3/s，采用挑流消能。电站进水口为岸塔式，紧靠右坝肩布置，采用“1机1孔”布置型式，共4孔。引水隧洞按“1机1洞”设置，共4条，平行布置，隧洞洞径取9.2 m。主厂房、副厂房和安装间呈“一”字形布置，安装间及进厂交通洞布置在主厂房右侧，通风机房位于左侧。地下厂房尺寸183 m×26.7 m×70.25 m，主厂房内安装4台单机额定容量247.5 MW的立轴混流式水轮发电机组。

3　泄洪建筑物消能工拟定和比选

乌弄龙水电站设计洪水位1 906.00 m，校核洪水位为1 908.70 m；设计、校核下游水位分别为1 932.31 和1 934.22 m；正常尾水位(下泄多年平均流量745 m3/s时)下游1 818.70 m。下游水位变幅大，校核洪水时上、下游水头差为74.48 m。乌弄龙水电站泄洪流量大，泄洪单宽流量较大，表孔宣泄0.02%～10%频率洪水时的堰顶单宽流量为232.57～111.33 m3/(s·m)，表孔入池单宽流量为188.24～91 m3/(s·m)，表孔宣泄校核、设计洪水时的佛氏数为5.4、5.7，坝下自由水跃的淹没系数均大于1.0，以上这些主要水力学特征直接影响了泄洪建筑物消能方式的选择。由于坝址河床较窄，底孔及生态放水孔布置在表孔两侧，底孔选用挑流消能方式。从地质、地形、水力学条件方面分析，表孔消能方式不存在制约性限制，因此在选定孔口布置方式(表孔集中布置、底孔分列两侧)的基础上，表孔拟定了3种不同的消能方式，5个方案的对比研究。方案1：底流消能方案，即表孔底流+底孔、生态放水孔挑流联合消能；方案2：表孔跌坎底流消能方案，表孔跌坎底流+底孔、生态放水孔挑流联合消能；方案3：表孔宽尾墩底流+底孔、生态放水孔挑流联合消能；方案4：表孔宽尾墩坝面台阶戽流消能方案+底孔、生态放水孔挑流联合消能；方案5：表孔挑流+底孔、生态放水孔挑流联合消能。

方案1为传统的消能方式。消能机理和效果均得到大量工程的实际验证，主要运用在中低水头的工程中。虽然底流消能形式是常规的、在理论上和实践上都是比较成熟的、也是有效的消能形式之一，但是在高坝大流量泄洪过程中采用的还不多。在中国的水电工程中，随着高水头泄洪建筑物的不断增加，特殊条件下，底流消力池消能工用于高水头泄洪建筑物也有所增加(目前只有向家坝这样的大型水电站采用了复合式的底流消能方式)，但与挑流消能形式相比，仍然是少数。像澜沧江这样大流量、大单宽流量的河流上，为保证消能效果，消力池的长度、底板厚度、尾坎高度均较大，造成工程量非常大，而由于消力池底流速较大，消力池底板的脉动压力较大，且高脉动压力影响范围较大，对工程的安全运行存在着较大的威胁，从安全和经济两方面考虑，不宜采用完全底流消能的消能工。

方案2为表孔跌坎底流的消能方式。主要为了减小消力池底流速较大的问题，在体型设计上考虑在收缩水深的部位形成一跌坎，使得高速水流像射流一样进入下游水体，主流仍然形成水跃，底流由于有水垫的作用，大大降低了消力池临底水力学指标，中国的高坝中，向家坝水电站就采用这种消能方式，但这种消能工仍为底流，只解决了减小底流速，增加底板稳定性，但工程量的减少有限。跌坎底流消能的消力池长度与常规底流消能理论计算的消力池长度基本一致，可以通过常规底流消能理论计算来确定消力池长度；跌坎底流的消力池消能比较充分，消能率和常规底流消力池基本相同。

方案3为表孔宽尾墩底流消能。该种组合是中国自创的消能型式。大量的工程应用和模型试验表明：由溢流坝面下泄的水流，经宽尾墩时，横向迅速收缩、纵向扩展，出墩后形成一高耸的水舌，其上部为冲击波击起的水冠，并以不同角度连续射向空中跃入池内，底部水流贴坝面而下，形成水跃。上述过程中水舌同时坦化扩向两侧形成水翅，并为池中水体淹没，形成空间水跃，贴底水流水跃成为挑流水舌的水垫。这种三元水跃使池中水流紊动剧烈，大量掺气，旋涡破碎，水面升高，紊动剪切作用增强，消能效果理想，消能工的第2共轭水深和跃长比常规的二元水跃消力池大为减少，一般长度为平尾墩消力池的2/3左右，消能率大为提高，而且由于池长缩短，工程量也有较大的减少。

方案4为表孔宽尾墩+台阶+戽流消能。该消能方式在中国也有成功运用的工程实例，如岩滩、大朝山等水电站，从水力学理论分析和水力计算方法可以知道，宽尾墩戽跃和完全三元水跃本质上没有什么不同，但由于宽尾墩的作用，原来二元戽流的“3滚1浪”的典型流态大为改观，由于尾坎的设置有将出池水流挑向下游河道表面的作用，河道底部虽然仍有底漩，但强度十分微弱，且冲刷甚微。因此，相对方案3而言，表孔宽尾墩+戽式消力池的池长可以更加缩短，长度约缩短到常规消力池的1/3，消力戽基础高程抬高，混凝土量和开挖量都大大减少，另外，边坡长度减短，减少了边坡防护费用，具有更好的经济性，安全性也大有保障。

方案5消能工为连续挑坎+水垫塘联合消能，为防止水流冲刷下游河道覆盖层，从而造成对下游厂房尾水出口的淤堵，也为了方便岸坡防护的施工，对下游覆盖层进行预挖。虽然挑流消能方式在高水头水电站消能设计中的应用最为广泛，但结合乌弄龙水电站具体情况，表孔采用坝身挑流消能具有如下特点：由于上下游水头差约74 m，坝高137.50 m，表孔挑流的挑舌入水点距坝体较近，对大坝安全不利；该消能方式能量集中，为了减轻对下游厂房尾水出口的淤堵，减少表孔消能对电站运行的影响，需预挖一个长约135 m、宽约55 m的水垫塘。乌弄龙水电站处于“V”形狭窄河谷，将产生较大的开挖和支护量；大泄量窄河谷挑流消能的雾化问题较严重，需要采取大量、有效的工程措施来保证两岸岸坡的安全；巨大能量的挑流水舌将会产生较大的水面波动，对下游河道也会造成比较严重的冲刷、淤积问题。

综合比较表孔几种消能方式，从消能效果、下游流态、运行安全、工程投资等方面综合考虑，宽尾墩+戽流消能具有水流雾化轻、消力池短，较好地适应了坝址区的地形、地质条件，且工程及投资均较省的特点，在5个方案的比较中，占明显优势，因此选用该方案即表孔宽尾墩+戽流消能+底孔、生态放水孔长泄水道挑流消能为推荐的消能组合方式。

4　选定泄洪建筑物消能工设计

电站共布置3个泄洪表孔，位于主河床略靠右侧，底孔分列2侧，对称布置，泄洪建筑物坝段总宽80 m，每一坝段宽20 m，坝体分缝在表孔中心线位置，底孔与边表孔处于同一坝段。表孔采用开敞式溢流堰，堰顶高程为1 885.00 m，堰顶控制断面尺寸15 m×19 m，堰顶最大作用水头Hmax=23.7 m ，为控制堰面负压，选定定型设计水头Hs=22 m(0.928Hmax)。堰顶上游为3圆弧组合曲线，3圆弧半径分别为R1=11 m，R2=4.4 m，R3=0.88 m，上游堰面与上游铅直面相切连接。

经试验调整确定最终推荐方案中两边孔为不对称结构(“X”形)，从距闸墩末端14 m开始过度为宽尾墩，宽尾墩的收缩比为0.467；中间孔为对称结构(“Ⅰ”形)，从距闸墩末端13 m开始过度为宽尾墩，宽尾墩的收缩比为0.413。宽尾墩下方开口从原推荐方案的2 m加大到2.4 m。戽池底高程选定的原则是溢洪道泄洪的各运行工况均产生稳定戽流，并力求经济。结合地质条件初步拟定戽池底板高程。经过反复调算，戽池底板高程为1 795.00 m时，各种工况下下游实际水深均大于临界戽流发生以及临界戽流消失的下游水深，通过计算可以看出，淹没度可以达到1.10左右。根据类似工程模型试验经验，戽池水平段长度与自由水跃第2共轭水深大致相等即可，因此戽池底板水平长度根据消能计算结果及布置需要选取41 m，本工程整体水工模型试验结果表明消力戽水平段长度满足消能要求。戽池的宽度根据孔口及闸墩尺寸确定，为55 m。戽式消力池尾坎的主要作用是在消力池内形成一定的水垫深度，保证戽池内能够形成稳定的三元水跃，同时还可以阻挡回旋泥沙。戽式消力池尾坎的体型由消能效果、检修条件及尾坎后水流条件决定。乌弄龙水电站消力池尾坎坡度初选1∶2，初拟的尾坎高度为8 m，顶高程为1 803.00 m。在消力戽初步设计的基础上，结合水工模型试验结果，对消力戽布置进行了优化。消力戽布置优化部位主要有反弧、尾坎、以及消力戽右边墙末端。经过试验优化后消力戽体型为1∶0.72的坝坡后接反弧，反弧半径为15 m,起点位于坝下0+081.246 m，高程为1 800.24 m，终点位于坝下0+098.804 m，高程为1 795.00 m。反弧终点与消力戽池相连，戽池池底顶面高程1 795.00 m，戽池末端桩号为0+154.000 m，池宽55 m。池末设有墩式连续尾坎，尾坎起始桩号为坝下0+143.00 m，消力戽底板以上设有4 m高的铅直面，铅直面顶端接1∶1.5的反坡，反坡水平长度为9 m，反坡末端接尾坎顶部，顶部宽度为2 m，高程1 805.00 m,末端坝下0+154.00 m。

泄洪表孔布置见图1、2。

5　选定泄洪建筑物消能工水工模型试验

对选定泄洪建筑物消能工型式后，委托科研单位进行了水工模型试验。通过1∶80的整体水工模型试验结果表明，枢纽整体布置是合理的，各建筑物进流条件均较好，电站进水口无漩涡产生。表孔闸门全开时，堰面最小压力1.46×9.8 kPa，出现在校核工况0+012.13 m位置，其它位置均为正压。表孔3孔全开时台阶立面和水平面上的压力均呈锯齿状分布，台阶水平面上最大冲击压力发生在校核工况，其值为14×9.8 kPa；台阶立面产生负压，最大负压值-2.0×9.8 kPa。设计和校核工况下，反弧段末端附近压力较大，最大压力均出现在反弧段，压力值为55.36×9.8 kPa和55.96×9.8 kPa。对于表孔单孔全开工况，最大脉动压强均方根不超过40 kPa，完全可以中孔全开运行，这为工程安全运行提供了很大的便利，既能方便地解决排漂问题，又能顺利地宣泄不同频率洪水，有利于运行期管理。除宣泄校核洪水情况外，其它运行工况下，戽池底板最大脉动压强均低于50 kPa；至于校核洪水，最大脉压为50.36 kPa，稍微高于50 kPa。从工程经验来看，消力池破坏的原因较多，有结构原因、施工原因、运行原因、地质原因，同时，脉动压强也是引起底板破坏的一个重要因素，根据工程经验分析和从类似工程水工模型试验看，所有的破坏均发生在脉压均方根大于50 kPa的情况，为降低乌弄龙水电站因脉压引起消力池底板的破坏，将其值控制在50 kPa内。

试验分别对表孔宽尾墩体型、消力戽池体型进行了多种方案的修改对比，最终确定了“宽尾墩+台阶溢流面+消力戽池”的联合消能方式，通过调整宽尾墩体型与宽尾墩下部开口尺寸，协调流态与戽池底板的脉动压力的关系，极大地改善了戽池及下游河道水流流态，较好地解决了戽池下游涌浪及电站尾水渠水面波动较大的问题。

图2　溢洪表孔纵剖面图　　单位：m

6　结　语

乌弄龙水电站表孔泄洪建筑物单宽流量大、佛氏数小，消能工的选择充分考虑了坝址区地形地质条件、坝高、上下游水位差、泄洪单宽流量等因素，

选择的“宽尾墩+台阶溢流面+消力戽池”的联合消能方式，适应了乌弄龙水电站大流量、窄河谷的特点，较好地解决了工程泄洪消能问题。

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Selection of Energy Dissipator of Outlet Structures, Wunonglong Hydropower Project

CHEN Nianshui, ZHU Zhanbo, LI Yujie

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

At dam site area of Wunonglong Hydropower Project, the river valley is narrow and both banks are steep. The discharge of outlet structures at single width is higher because of the high flood discharge. These features restrict layout of outlet structures and selection of energy dissipator. Through scheme comparison and hydraulic model tests, the combined energy dissipation mode of flaring pier, step overflow surface and roller bucket is selected. This successfully resolves the issue of energy dissipation.Key words:Wunonglong Hydropower Project; energy dissipation of flood discharge; flaring pier; combined energy dissipator

1006—2610(2016)04—0019—04

2016-06-14

陈念水(1956- )，男，福建省人,教授级高工，从事水电站水工结构设计与咨询工作.

TV653

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.005