设计与实践

叶巴滩高拱坝大流量全坝身泄洪消能布置方案研究

魏永新1　刘小强2　张　冲2

（1.华电金沙江上游水电开发有限公司，四川成都　610041；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072）

摘　要：本文以叶巴滩工程泄洪消能建筑物布置设计为例，对泄洪消能布置格局比选、坝身孔口布置方案比选、空中消能方式研究、水垫塘衬护方式研究和二道坝设置必要性研究等方面进行了论述，并提出了叶巴滩工程泄洪消能推荐方案：“全坝身泄洪（坝身布置5个表孔+4个深孔）、坝身分层出流、水舌空中无碰撞、坝后设水垫塘及二道坝”。

关键词：全坝身泄洪；分层出流；无碰撞；消能；水垫塘；二道坝

1　工程概况

叶巴滩水电站位于四川省白玉县与西藏自治区贡觉县交界的金沙江干流降曲河口以下约350m河段上，电站坝址控制流域面积为173484km2，多年平均流量为839m3/s；正常蓄水位为2889.00m，相应库容为10.80亿m3，调节库容为5.37亿m3，具有不完全年调节能力；电站装机容量为2240MW（含200MW泄放生态流量机组容量），年发电量（联合运行）为102.05亿kWh。

电站枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电三大系统组成，枢纽建筑物三维示意图如图1所示。电站设计泄量为8870m3/s，校核泄量为10100m3/s，最大泄洪水头为154.00m，泄洪功率高达14370MW。二道坝下游至电站主尾水出口之间存在3.5km的减水河段，同时该河段也是鱼类洄游、集诱鱼系统运行的主要场所，对气体过饱和要求较高。大坝下游，左右岸水垫塘正上方分别分布有5号和7号堆积体，堆积体处于稳定状态，但在暴雨等工况下安全系数不高，因此对泄洪消能的雾化现象要求严格。总体而言，坝址区段岸坡陡峻、河道狭窄，校核洪水流量达10100m3/s，泄洪消能建筑物具有高水头、大流量、窄河谷的显著特点，同时还要兼顾控制气体过饱和以及泄洪雾化效应等问题，因此泄洪消能是工程枢纽布置的控制性因素之一。

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、水库调度运行方式及兼顾施工中后期导流，以及枢纽泄洪流量大、水头高、河谷呈“V”形的特点，泄洪消能建筑物布置原则如下：

（1）泄洪安全性。

1）合理选择枢纽泄洪设施及泄量分配比例，以提高泄洪设施的经济性。

2）布置一定数量的深式泄水孔，以满足库区拉沙和降低水库水位的需要。

3）坝身孔口布置应尽量降低对拱坝结构的不利影响。

4）泄洪设施的规模和技术水平应控制在目前国内外已有的技术水平之内。

5）高度重视泄洪雾化的影响，尽量采用能够减少坝身泄洪雾化的泄洪消能布置形式，以保证工程的长期安全运行。

（2）经济性。在满足泄洪安全的前提下，应考虑泄洪消能建筑物布置工程量及投资较少。

（3）运行灵活性。

1）泄洪布置应满足在中小洪水时泄洪设施运行灵活；遇特大洪水时，具有一定的超泄能力，保证泄洪设施泄洪的可靠性及大坝的安全性。

2）泄洪建筑物的布置应与其他枢纽建筑物的布置相协调，避免相互干扰。

2　泄洪消能建筑物地质条件

叶巴滩水电站为典型的深山峡谷区的坝式开发水电站，电站坝址区河谷狭窄，谷坡陡峻，为基本对称的深切“V”形峡谷。水垫塘河道顺直，枯水期水面宽45～65m，枯期最大水深15m。两岸地形较完整，岸坡对称，坡度为35°～40°。岸坡覆盖层主要为崩坡积堆积块碎石土，结构松散，厚度一般为3～5m。

水垫塘底板部位河床覆盖层厚度一般为10～20m，水垫塘底板地基河床部位主要位于弱下风化弱卸荷岩体内，岩石强度较高，能满足地基强度及变形的要求。二道坝位于水垫塘尾端，坝顶高程为2730.00m，为混凝土重力坝；基岩为石英闪长岩，微新岩石坚硬。河床覆盖层厚度一般为5～15m，主要由漂砂卵砾石层组成，结构较密实，为中等偏强透水层，河床弱风化岩石坚硬，岩体完整程度较好，承载和抗变形能力一般，经有效工程处理后，能满足地基强度及变形的要求。

3　枢纽泄洪消能布置方案研究

本节首先对枢纽泄洪消能布置格局拟订方案进行比选研究，初步确定了全坝身泄洪消能方案；在此基础上进一步对坝身孔口布置方案进行比选研究，确定了坝身孔口布置方案；同时进一步开展了空中消能方式、水垫塘及二道坝布置形式的研究，最终确定了枢纽泄洪消能布置的推荐方案。

3.1　枢纽泄洪消能布置格局研究

根据泄洪消能建筑物布置原则，结合枢纽总泄量和目前闸门制作安装技术水平及运行条件，拟订了如下两个枢纽泄洪建筑物布置比较方案：

（1）全坝身泄洪消能方案：坝身5个表孔+4个深孔。

（2）坝身孔口+岸边泄洪洞方案：坝身4个表孔+3个深孔+左岸1条有压接无压泄洪洞。

针对上述两种枢纽泄洪消能布置格局，从确保坝身孔口、水垫塘及二道坝施工质量，加强坝身孔口及水垫塘运行维护条件进行比较，两种方案技术难度上大致相当。但泄洪洞本身投资较高，且泄洪洞出口挑流后下游水体气体过饱和问题较坝身泄洪突出，维护成本也相对较高。而叶巴滩工程设计泄量为8870m3/s，校核泄量为10100m3/s，整个大坝共27个坝段，下游水面具有消纳的宽度，综合认为，叶巴滩工程具备全坝身泄洪的能力。

综合比较后认为，全坝身泄洪方案工程量和投资较优，设计及施工技术难度均在可控范围内，初步选定全坝身泄洪方案。

3.2　坝身孔口布置方案研究

（1）坝身孔口布置比选方案。参照国内外高拱坝工程坝身泄洪孔口布置，结合该工程泄洪消能建筑物布置原则，以及枢纽总泄量和目前国内闸门技术水平及运行条件，拟订了3个全坝身泄洪布置方案：5个表孔+4个深孔、4个表孔+5个深孔、4个表孔+3个深孔3种布置形式。

（2）综合比选分析。针对上述3种坝身孔口布置方案，从坝身泄流能力、坝身开孔对坝体的影响、孔口施工条件及水库放空能力进行比较，3种方案的影响基本相当；从泄量分配、泄洪安全性、闸门设计水平、泄洪消能建筑物布置进行比较，4个表孔+5个深孔和5个表孔+4个深孔的布置方案均优于4个表孔+3个深孔布置方案；另外，从运行灵活性、超泄能力进行比较，5个表孔+4个深孔布置方案最优。

综合比较后，推荐采用5个表孔+4个深孔布置方案，如图2所示。

3.3　空中消能方式研究

对于高水头、窄河谷、大泄量的高拱坝工程（如二滩、构皮滩、小湾、溪洛渡、白鹤滩、锦屏一级等），普遍采用挑、跌流相结合的坝身泄洪消能方式，即坝身表、深（中）孔水舌空中碰撞、无碰撞或少碰撞泄洪消能方式。

叶巴滩工程泄量及泄洪功率较同类工程相对不大，坝址区下游河道顺直，基岩条件较好，具备采用水舌空中无碰撞消能方式，为减小泄洪雾化影响，减少下游防护工程量，保证两岸抗力体的稳定性条件，优先采用水舌空中无碰撞消能方式。

3.4　水垫塘衬护方式研究

（1）水垫塘衬护方案初拟。根据叶巴滩工程的泄洪消能特点和泄洪消能布置原则，拟订了全衬护水垫塘+二道坝和不衬护水垫塘+二道坝两个方案进行比较分析。

（2）综合比选。通过对上述两个方案进行比较，全衬护水垫塘+二道坝方案工程总投资较不衬护水垫塘+二道坝方案略多，多约8000万元，投资差别不大；从泄洪安全、运行灵活性及检修条件等技术因素看，全衬护水垫塘+二道坝方案泄洪消能更为可靠、更有保证，相对较优。

因此，综合比选后，推荐采用全衬护水垫塘+二道坝方案。水垫塘及二道坝典型剖面如图3所示。

3.5　二道坝设置必要性研究

国内已建、拟建高拱坝工程，除下游水力衔接本身具有足够的水垫深度外，大都将坝趾下游一定距离内的河床用混凝土防护，并在适当的位置修建二道坝，形成水垫塘形式的消能建筑物，达到消能和防冲的目的。

（1）考虑该本工程坝址区河道坡降较大、下游拉哇水电站水位低，以及生态流量机组尾水洞与导流洞结合，机组正常尾水水位仅为2715.70m。坝后至电站尾水出口之间约4km的河段为减水河段，在不设二道坝的情况下，天然水深难以满足泄洪消能的布置要求。

（2）不设二道坝时，由于下游水垫很浅，坝身开始泄洪时，下泄水流直接砸在坝后河床上，必定带来较严重的冲刷破坏。计算表明，不设二道坝，单个深孔泄洪时水垫塘冲坑深度为31.93m，冲坑底高程约为2658.00m，低于建基面高程，不利于拱坝消能建筑物结构稳定及安全。

（3）由于下游河道水深较浅，在宣泄中小洪水尤其是常遇洪水时，设置二道坝可壅高塘内水位形成足够深的水垫，使得下泄水流在塘内充分旋滚消能，同时可以为水垫塘检修提供条件和阻挡回砂。

综合上述因素，为确保拱坝泄洪消能安全性和满足水垫塘运行检修要求，该工程有必要设置二道坝来抬高水位，在水垫塘内形成足够深的水垫来消能防冲，二道坝还可作为水垫塘检修时的围堰。

3.6　泄洪消能布置推荐方案

该工程泄洪消能推荐方案为：“全坝身泄洪（坝身布置5个表孔+4个深孔）、坝身分层出流、水舌空中无碰撞、坝后设水垫塘及二道坝”。泄洪消能布置推荐方案纵剖面示意图如图4所示。

4　水力学模型试验成果

通过开展枢纽泄洪消能水工模型试验研究工作，对推荐方案的坝身孔口布置和泄洪消能设计方案的合理性及安全性进行研究与论证。试验主要结论如下：

（1）坝身孔口下泄校核洪水流量时，5个表孔+4个深孔联合泄洪泄流能力满足要求。

（2）孔口泄洪时，库区内水面平稳，入流顺畅，没有出现回流、旋涡等不良流态。

（3）推荐方案的表孔和深孔水舌纵向扩散较充分，基本满足空中不碰撞或少碰撞的要求，水垫塘内水气混掺剧烈，消能效果较好，水垫塘的冲击动压满足设计要求。

5　主要结论

（1）在保证两岸抗力体稳定的条件下，为减轻泄洪雾化影响程度，该工程坝身泄洪消能采用表、深孔联合泄洪，水舌空中不碰撞的消能方式。

（2）采用全坝身泄洪，设计洪水流量为8870m3/s，校核洪水流量为10100m3/s。通过对坝身开孔对坝体的影响、孔口施工条件、泄量分配、泄洪灵活性、闸门设计水平、泄洪消能建筑物布置、水库放空能力、运行条件等方面进行比较，推荐5个表孔+4个深孔的坝身孔口布置方案。

（3）通过整体水力学模型试验验证，坝身孔口的泄流能力满足设计要求。表、深孔水舌纵向扩散较充分，基本满足空中不碰撞或少碰撞的要求，水垫塘内水气混掺剧烈，消能效果较好，不存在边表孔水舌干砸边墙现象。

参考文献

［1］中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司.叶巴滩水电站可行性研究阶段枢纽泄洪消能专题研究报告［R］.2016.

［2］中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司.叶巴滩水电站可行性研究阶段水力模型试验专题报告［R］.2016.

［3］肖兴斌，王业红.高坝挑流消能设计研究与应用现状述评［J］.长江水利教育，1998，15（4）：59-62.

［4］刁明军，杨永全.表中孔水舌空中碰撞消能率的另一计算方法［J］.四川联合大学学报（工程科学版），1999，3（2）：108-112.

［5］王常让，周述椿，周勇.水垫塘结构形式问题探讨［J］.水力发电，2010，36（10）：31-33.