拉哇水电站高水头大泄量泄水建筑物布置与设计

董金玉，王庆祥，王晓亮

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 工程概况

拉哇水电站位于金沙江上游，水库正常蓄水位2 702 m，相应库容23.14亿m3，电站装机容量2 000 MW。坝址区地震基本烈度Ⅷ度，最大洪峰流量11 900 m3/s。枢纽主要由混凝土面板堆石坝、泄水建筑物及输水发电建筑物等组成，最大坝高239 m。

拉哇水电站坝址区河谷狭窄，河床覆盖层深厚，不良地质体发育。挡水大坝采用面板堆石坝，最大坝高239 m，超过已建和在建同类工程。坝址两岸地形陡峭且不对称，大坝拱效应明显，坝体填筑料采用高坝填筑中较少见的角闪片岩，坝体应力水平高，大坝下部约70 m长期处于水下，坝体湿化范围大，坝体后期变形大，且工程处于强震区，工程建设难度大。

泄水建筑物具有泄量大、泄洪水头高、历时长、泄洪功率大、抗震设防烈度高等特点。泄水建筑物的布置既要保证泄洪的安全性，又要保证具有一定的放空水库的能力，以方便大坝检修等要求。主要建筑物均布置于右岸，洞室密集，建筑物布置条件复杂，泄水建筑物轴线与河道夹角大，下泄水流归槽条件差，布置难度大。通过对泄水建筑物结构布置深入细致的研究，优化建筑物布置，确保了泄水建筑物技术可行、安全可靠、运行方便及经济合理。

2 地形地质条件

坝址处于松洼背斜(M1)倾伏端。岸坡岩体卸荷作用强烈。坝址左岸发育区域性断层F1和区域性次级断层F9-1，受其影响，左岸结构面较发育，岩体不完整。坝址区右岸山体雄厚，地形齐整，岸坡多为基岩弱风化陡壁。枢纽区主要发育的不良地质体包括右岸Ⅴ号堆积体和左岸Ⅵ号、Ⅶ号、Ⅷ号堆积体及2 740 m高程以上深厚全强风化自然边坡。坝址区河床覆盖层最大厚度约72 m，成分复杂。下游消能防冲区两岸岸坡基岩裸露，为弱风化基岩陡壁。边坡整体稳定条件好，不存在潜在特定的不稳定块体。

图1 右岸溢洪洞方案平面布置

3 泄水建筑物布置原则

根据该工程的泄洪规模，结合坝址区的地形地质条件、水库特性、水文特性、水库调度运行方式并兼顾施工中后期导流，泄水建筑物布置原则为：

(1)合理选择泄水建筑物形式及泄量分配比例，提高泄洪设施的可靠性、经济性和运行灵活性。

(2)泄水建筑物的布置应避开主要不良地质体，并与其他枢纽建筑物的布置相协调，避免施工和运行期相互干扰。

在满足泄洪要求并保证大坝安全的前提下，考虑泄水建筑物工程量及投资较省。

4 泄水建筑物泄洪规模

拉哇水电站工程主要建筑物，受地形地质条件制约，除大坝外，其他均以洞室建筑物的形式布置于右岸地下，布置空间局促，泄水建筑物宜尽量以减小洞室条数、加大单洞泄量为主要因素进行布置。

拉哇水电站最大洪峰流量11 900 m3/s，泄水建筑物拟考虑由表孔、中孔和底孔构成，表孔以泄洪为主并兼顾水库放空及水库水位控制，中孔参与渲泄大洪水，底孔用于水库放空，不参与泄洪。结合坝址地形地质和建筑物布置条件，拟布置2条表孔、1条中孔和1条底孔，表孔总泄量约8 500 m3/s，中孔泄量约3 000 m3/s，底孔根据水库放空要求设置。

5 泄水建筑物布置格局[1- 4]

拉哇大坝坝址左岸被拉哇沟切割，受区域断层F9-1、F1和Ⅶ号拉勉堆积体等影响，左岸岩体完整性差，地质条件差，不宜布置大型地下洞室建筑物，但坝址左岸坝顶高程以上地形相对较缓，下游河道右拐，具备布置岸边开敞式溢洪道的地形条件。右岸地形陡峻，无天然垭口，无大型结构面，山体雄厚，地形齐整，断层、层间夹层不发育，岩体较完整，地质条件明显优于左岸，具备布置大型地下洞室群条件，且右岸为凸岸，可裁弯取直布置洞室泄水建筑物。

根据左右岸地形地质条件，将中孔泄洪洞、底孔放空洞及输水发电系统均布置于右岸地下，表孔考虑两种布置方式，分别为：布置于左岸的溢洪道，采用开敞式进口、明渠泄槽；和布置于右岸的溢洪洞，采用开敞式进口、隧洞泄槽。因此，根据表孔位置及泄槽形式的不同，泄水建筑物布置格局分为右岸溢洪洞方案(见图1)和左岸溢洪道方案(见图2)。

图2 左岸溢洪道方案平面布置

5.1 方案布置

右岸溢洪洞方案将泄水建筑物均布置于右岸地下，包括2条溢洪洞、1条泄洪洞、1条放空洞。溢洪洞采用开敞式进口，洞室泄洪。溢洪洞单孔孔口尺寸15 m×23 m，相应堰顶高程2 679 m，单洞最大泄量4 137 m3/s，单宽流量276 m3/s，无压隧洞断面尺寸15 m×23 m，出口挑流消能。泄洪洞进口底板高程2 640 m，采用有压接无压隧洞布置形式，最大挡水水头62 m，工作闸门孔口尺寸12 m×9 m，圆形有压隧洞直径13.5 m，无压隧洞断面尺寸12 m×18 m，出口挑流消能。泄洪洞最大泄量3 149 m3/s，单宽流量262 m3/s。放空洞不参与泄洪，仅在库水位低于2 660 m时参与水库放空。进口底板高程2 585 m，采用有压接无压隧洞布置形式，工作闸门孔口尺寸6 m×6 m，圆形有压隧洞直径8 m，无压隧洞断面尺寸7 m×12 m，出口采用挑流消能。放空洞最大泄量1 084 m3/s。

左岸溢洪道方案是将表孔溢洪道布置于左岸，泄洪洞和放空洞布置于右岸。溢洪道采用开敞式进口，明渠泄洪，共2孔。各建筑物泄洪规模与孔口尺寸和右岸泄洪洞方案相同。

5.2 方案比较

右岸溢洪洞方案避开了左岸各不良地质体和大型结构面，较好地适应了坝址的地形地质条件。主要开挖边坡分布于右岸，均为反向岩质坡，边坡稳定性较好。消能区远离大坝坝脚，可避免下泄水流淘刷坝脚堆石。

左岸溢洪道方案的开敞式溢洪道超泄能力强，但进水渠开挖触及左岸深厚全强风化自然边坡，对其稳定有较大影响。泄槽段施工及施工道路布置对Ⅶ号堆积体有影响。溢洪道下泄水流淘刷Ⅷ堆积体，泄洪雾化有可能影响Ⅶ号和Ⅷ堆积体的稳定。挑流鼻坎紧邻大坝坝脚布置，坝脚堆石需采取防护措施。另外，左岸开挖边坡主要为斜交顺向坡，边坡稳定条件相对较差，处理难度大。

经综合经济技术比较，左岸溢洪道方案工程潜在风险大、投资大，且投资可控性较差；右岸溢洪洞方案投资较左岸溢洪道方案少约12.6亿元，更好地适应了坝址的地形地质条件，具有不扰动左岸不良地质体、潜在风险小、工程投资可控程度高等优点。因此，选择右岸溢洪洞方案为泄水建筑物布置方案。

6 泄洪洞与放空洞结合研究

拉哇水电站地形地质条件复杂，工程规模大，枢纽主要建筑物占投资比例高。为降低工程投资，优化枢纽布置，并确保工程安全，研究泄洪洞与放空洞结合布置的可能性。

6.1 研究方案拟定

按泄洪洞是否与放空洞结合，拟定四洞方案和三洞方案进行比较。四洞方案在右岸溢洪洞方案基础上进行优化，共设置4条洞室；三洞方案在四洞方案基础上取消放空洞，降低泄洪洞进口底板高程，使其兼具泄洪和放空水库的功能，共设置3条洞室。

6.2 方案布置

6.2.1四洞方案布置

四洞方案设3层泄水通道，表层为2条溢洪洞，中间为1条泄洪洞，底层为1条放空洞。

四洞方案在右岸溢洪洞方案基础上进行优化，将电站进水口布置在右岸坝头与泄水建筑物之间，将放空洞洞线与④机引水洞上平段平面共线布置。优化后的布置缩短了输水发电系统长度，经论证可取消调压井，水头损失小，单机单洞布置，运行条件好，投资省。

四洞方案泄水建筑物总泄洪规模为11 423 m3/s，最低放空水位2 592.2 m，实际放空高度比0.48，泄放库容比0.9。

6.2.2三洞方案布置

三洞方案设2层泄水通道，表层为2条溢洪洞，底层为1条泄洪放空洞。三洞方案的关键在于确定泄洪放空洞的进口高程和泄洪规模。

高面板坝设置放空设施，可适当控制水库蓄水和有条件降低库水位，主要目的是用于大坝超预期渗漏检查与修补，在发生非常情况(如地震等)时减小次生灾害的影响。从已有工程运行经验及统计资料来看，高坝运行期缺陷大多发生在2/3坝高以上；在地震情况下，大坝震损主要出现在坝顶附近。根据国内外面板堆石坝放空设施设置情况统计分析可知，大部分工程的放空高度比约为0.5[5]，基本可满足大坝检修的要求。

拉哇水电站河床覆盖层厚约72 m，约1/3坝体高度长期掩埋于河床以下；大坝面板应力和周边缝变形最大部位位于1/3坝高左右；大坝静力分析研究成果表明，大坝应力和变形较大部位主要位于中下部，低于水库100年淤沙高程2 581 m。以上情况表明，拉哇水电站大坝下部约1/3坝高范围不具备检修条件。

水闸规范规定，当挡水水头超过85 m时，宜选用设有突扩门槽的压紧式或充压式止水的弧形闸门，相对于采用常规止水，其闸门结构相对复杂，操作环节多，可靠性低，因此泄洪洞弧形闸门的挡水水头以不超过85 m为宜。

综合以上因素，并类比高水头大流量泄洪洞特性，将泄洪放空洞工作闸门运行水头设定为85 m，相应进口底板高程2 617 m，工作闸门孔口尺寸9 m×8.5 m，最大泄量2 609 m3/s，单宽流量237 m3/s。拉哇大坝和猴子岩大坝[5- 6]工程布置条件近似，坝高基本相当，均位于强震区，河床覆盖层深度均为70 m左右，放空高度比0.38，与猴子岩(0.41)[5]相近。

三洞方案适当加大溢洪洞泄流能力以泄放同等规模洪水，将溢洪洞堰顶高程由2 679 m降低至2 678 m，孔口尺寸15 m×24 m，单洞最大泄量4 406 m3/s，单宽流量294 m3/s，最大流速45 m/s。

三洞方案泄水建筑物总泄洪规模11 422 m3/s，最低放空水位2 623.6 m，实际放空高度比0.35，泄放库容比0.74。

6.3 方案比较

三洞方案和四洞方案泄流能力、运行条件总体相当。两方案均较好地适应了坝址地形地质条件，具有不扰动左岸不良地质体、工程投资可控程度高等优点。

从已有工程运行经验来看，面板堆石坝运行期缺陷和地震震损主要出现在2/3坝高以上，两个方案均具备枯水期降低库水位进行大坝检修的条件，且能泄放大部分库容。

四洞方案泄水建筑物分3层布置，枢纽泄洪运行灵活，但隧洞较多，受地形条件限制，相邻建筑物间距较小，布置局促。三洞方案溢洪洞泄洪规模略大，泄洪放空洞孔口大，设计水头高，弧门推力大，虽然对施工质量及工程运行管理要求高，但均在国内技术水平所能达到的范围之内。三洞方案由于减少了1条洞室，拉大了洞室间距，更利于洞室围岩稳定，布置上也更加灵活，且投资比四洞方案少约3.3亿元。

综合技术经济分析，两方案技术上均可行，各有利弊。四洞方案设置了专门的放空洞，放空洞进口高程低，降低库水位能力较强，同时泄洪洞进口高程较高，运行相对可靠，但四洞方案存在极低运用几率的放空洞如何维修保养问题；三洞方案泄洪放空洞设计水头相对较高，流速相对较大，但三洞方案可改善建筑物的布置条件，节省投资。

综上所述，泄洪洞与放空洞结合布置，可满足枢纽泄洪要求和大坝检修要求，技术可行，投资较省。最终选择三洞方案作为泄水建筑物布置方案。

7 结 语

拉哇水电站河谷狭窄，岸坡陡峭，左岸大型不良地质体发育。枢纽布置将主要建筑物布置于右岸地下，避开了左岸Ⅶ号堆积体、Ⅷ号堆积体、深厚全强风化自然边坡，较好地适应了坝址地形地质条件。泄水建筑物分2层布置，采用3条洞室泄洪，虽然泄洪水头高、流量大，对运行管理要求高，但均在国内技术水平所能达到的范围之内。泄水建筑物布置满足枢纽泄洪和大坝检修要求。下一步将重点研究泄水建筑物高速水流、混凝土抗冲耐磨、隧洞掺气减蚀、隧洞衬砌及下游河道防护等问题。