大广坝水利水电二期（灌区）工程戈枕枢纽消能工优化设计

曾雪艳

（中国水电顾问集团中南勘测设计研究院 长沙市 410014）

蒋买勇

（湖南水利水电职业技术学院 长沙市 410013）

1 工程概况

戈枕枢纽是大广坝水利水电二期（灌区）工程的配水枢纽，位于海南省西部东方县和昌江县境内，距大广坝水电站下游27km，距海口238.5km，是库容1.7亿m3的大广坝水电站的反调节水电站。

枢纽主要建筑物由从右至左有：右岸非溢流混凝土重力坝、河床12孔溢流坝、河床式厂房和左岸非溢流重力坝、左岸土坝、低干渠和中干渠渠首建筑物。工程总库容1.48亿m3，总装机82MW，为二等大（Ⅱ）型工程。溢流坝、戈枕枢纽电站厂房和灌渠的进水口等属2级建筑物，低干渠渠首电站属4级建筑物。

枢纽正常蓄水位48.00m，设计洪水位54.00m，校核洪水位：混凝土坝57.37m，土坝58.80m。最大坝高33m，最大水头27m，最大下泄量41500m3/s。枢纽防洪标准及对应的下泄流量见附表。

附表 各建筑物防洪标准及相应下泄量的下游水位

2 枢纽坝址的水文特性和地形、地貌特性

枢纽所在的昌化江流域位于海南省西南部，流域总面积5070km2，属大陆性热带岛屿气候，冬季干燥少雨，夏季炎热潮湿多雨。台风是形成本流域暴雨的主要天气系统，洪水特性为骤涨骤落，丰、枯水量相差极大。年最大洪水发生在5月下旬至11月份，以9月份最多，10月份次之。历年实测最大洪峰流量为23200m3/s（2001年），实测最小洪峰流量333m3/s（1969年）。

戈枕坝址区位于戈枕峡谷出口下游2km处，属丘陵盆地地形。枯水期河床宽约310m，基岩裸露，高程（25.80～28.70）m。左岸地势平缓开阔，岸边有Ⅰ级阶地，阶地后缘高程36m以为10°上山坡。地表为（1～2）m厚的残坡积；山顶高程75m左右。右岸山坡被3条冲沟切割，使右坝头山脊较为单薄，岸坡（高程28m～40m）较陡，坡度30°～40°。高程40m以上地形平缓，坡度约8°，山顶高程在75m以上。

坝址区岩层为前震旦系抱板群。岩性以黑云斜长片麻岩为主，混合岩化花岗岩及角砾状混合岩次之。河床无强风化，弱风化带下限深（1～2）m；左岸强风化下限深（5～13）m；右岸除F4和F10断层交汇带外，强风化下限深（3.5～9）m。右岸坝头山脊弱风化岩石分布高程为51m左右。

3 枢纽泄水建筑物消能设计

根据坝址的水文特性和地质特点，将12孔泄水闸布置在裸露的河床中央，泄水建筑物右侧为非溢流重力坝，左侧为低水头的枢纽厂房。根据规范要求，设计的消能建筑物应保证：遇高于消能防冲标准洪水时，允许消能建筑物出现局部破坏，但不得危及枢纽建筑物的安全或长期运行，并易于修复。遇消能防冲标准以下洪水时，应充分消能，保证枢纽建筑物和下游河道两岸边坡的安全。

戈枕枢纽为河谷宽阔的临近入海口的低水头电站，遇常遇洪水时，下游水位较低；遇超标准洪水时，下游水位高（见附表）。

按照初步设计审查同意的消能防冲洪水标准（50年一遇），其对应的最大下泄单宽流量为21000m3/s，相应的下游水位为29.80m，较下游河床面高8.8m（下游河床面高程27m）；实测最小的常遇洪水单宽流量为8800m3/s，相应的下游水位为28.2m，较下游河床面仅高1.2m；丰、枯年泄洪量相差很大，不同频率洪水对应下游水位波动较大，形成不了稳定的面流。如采用面流消能形式，消能效果较差，泄洪时对下游河岸稳定有影响，通常尽量避免该种消能工。

本工程上、下游最大水头差28m，最小水头差仅16.16m，为低水头电站。为满足宣泄洪水要求，泄水建筑物只能采用带闸孔的实用低堰，常遇洪水无法采用挑流和淹没挑流消能。

显然，适合本工程的消能型式只能是底流消能或底流和戽流相结合的消能工。

3.1 各阶段审查批准的消能型式

3.1.1 1994年水利与电力上级部门批准的消能型式

分别受海南电力局和水务局的委托，中南勘测设计研究院对戈枕枢纽进行初步设计，根据水工模型试验成果，确定的消能设施为：

采用底流消能，消力池顺水流长73m，与溢流坝段同宽度，底板高程23m。消力尾坎顶高程28.80m，高于下游河床1.80m。消力池被中导墙分隔成5孔和8孔两部分。消力池边导墙宽3.5m，中导墙宽4m，顶部高程都为40m。海漫长17.20m，混凝土衬砌1m厚。

该方案分别获得水利规划设计总院和电力规划设计总院的批准。

3.1.2 2005年、2006年可研和初设批准的的消能型式

2002年，大广坝水利水电二期（灌区）工程重新开展项目建议书编制工作，中南院于2005年开始参与该项目戈枕枢纽的设计工作。

根据水力计算结果，消能效率最高的是底流消能，其次为底流和戽流相结合的消能工。

如全部采用底流消能，肯定满足下游消能要求，但其消能工的工程量比戽流消能或底流和戽流相结合的消能方式要大；如全部采用戽流消能，大频率下泄小流量时其下游水位较浅，形成不了戽流，会淘刷坝脚基础而造成建筑物失稳；根据水力学计算成果，类比国内其它工程实例（江西修水抱子石水电站，贵州挂治水电站），初步设计阶段确定该工程的消能型式为：6孔底流和6孔戽流相结合的消能方式，小于10年一遇的常遇洪水采用底流消能，大于10年以上的洪水采用底流和戽流相结合的消能方式。

根据泄水建筑物布置推荐方案，分别进行了泄水建筑物断面模型和整体水工模型试验研究，试验结果显示：泄水建筑物的泄流能力满足泄洪要求。

渲泄各种频率的洪水时，消力池内均能形成较完整的水跃流态，淹没系数较高，但消力池内流速衰减较慢，出池流速仍较大，消力池内消能效果欠佳。因消力池水位与下游河道水位落差较大，在消力池出口附近形成卧轴漩滚，发生二次水跃，在下游河道又形成较大的冲坑，最大冲坑深度7.84m，冲坑最低点至护坦未端的水平距离为2.6倍冲坑深，比重力坝设计规范规定值2.5大，冲坑不会危及主体建筑物的安全；整个消力池出池水流分布均匀，对电站厂房尾水影响不大。

渲泄洪水频率大于P=10%洪水时，需开启溢洪道右侧6孔闸门利用消力戽消能。试验显示：此时均匀局开右侧6孔时，分别区别出现挑流、临界戽流；大于P=2%洪水时，右侧6孔全开，过坝水流平射出流，与下游水面直接呈水跃衔接。由于戽坎出流水舌下潜，对戽坎后河床基础带来不利影响，但不会危及主体建筑物的安全。

各种设计工况下，下泄水流主流位于河道中部，基本顺应河势，主流区河段表面波浪较大且表面流速大于底部，两岸边为回流区，流速较小，由于下游河道无重要建筑物，且左、右岸抗冲流速达到5m/s，因此下泄水流不会对两岸造成大的危害。

根据初步设计阶段水工整体模型试验成果，最终确定的消力池池长 66m，宽122m，池深6.50m，底板高程29.429m，消力池护坦厚1.20m。尾坎为连续式，坎顶高程29m。池底设纵横向排水沟，护坦用深6m的锚筋锚固于地基。消力坎后设厚1m、长18.50m混凝土海漫。6孔消力戽戽唇高度29.429m，戽底高程26.5m，反弧半径为10m，挑角为45°。消力戽后接1m厚15m长的混凝土海漫。

消力池和消力戽间设中隔导墙，水工模型确定：导墙顶高程最低需 41m，满足10年一遇以下洪水不翻越中隔导墙。稳定、应力计算确定：挡墙墙顶宽4.0m，为钢筋混凝土衡重式挡墙。

初步设计审查，对该消能方案的审批意见如下：

（1）同意戈枕枢纽工程为Ⅱ等工程，主要枢纽建筑物工程等级为2级，次要建筑物为3级。主要建筑物设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为：混凝土坝为1000年一遇，土石坝为2000年一遇。消能防冲建筑物洪水标准为50年一遇。

（2）基本同意推荐的戈枕枢纽总体布置方案和主要建筑物结构布置。基本同意泄水建筑物结构结构形式和结构布置，同意采用底流和戽流相结合的消能方式。考虑本工程主汛期洪量集中，泄洪单宽流量大，能量集中，下阶段应结合泄洪调度运用要求和水工模型试验分析，优化消能建筑物设计。

3.1.3 施工阶段、优化设计后确定的消能型式

根据初步设计报告审查意见，中南院水工设计人员和水工模型试验研究人员在进一步优化消能工的工作过程中，首先根据设计经验，采用三维数值分析法模拟数种典型的消能工型式，分析其消能效果。从中选取消能效果好的方案进行水工整体模型试验研究。

多方案理论分析过程中发现：右6孔短护坦底流消能方案消能效果较初步设计推荐的戽面流消能方式要好，且基本不受下游水位起伏的影响，但其对河床基岩要求较高。故选中该方案，进行整体模型试验。

试验结果显示：该方案消能效果较好，挑距较远，冲坑深度正常，不影响枢纽建筑物的安全。考虑戈枕枢纽河床为裸露的微风化黑云斜长片麻岩，抗冲流速高达8m/s。同时，本工程枢纽距入海口仅42km，下游河道两岸无重要城镇和工矿企业且河道左右岸为强风化岩层，抗冲流速达5m/s。在这种有利的地形、地质条件下，只要确保主体枢纽建筑物安全，不危及两岸岸坡稳定，改戽面流消能方案为短护坦底流方案完全可行有效。因短护坦底流消能方案其原理是利用短护坦保护泄水建筑物坝脚，将下泄水流平推过护坦，利用较好的河床岩石条件，将下游河床基岩受水力作用形成的稳定冲坑作为自然消能的消力池消能，其消能效果同于人工消力池。故在右6孔短护坦底流消能方案试验成果的基础上，设计提出将左6孔消力池也全部改短护坦底流消能，并进行水工整体模型试验。

试验显示：各洪水频率下，不同闸门开启运行时，鼻坎出流平顺，水舌落点在护坦上，护坦末端最大流速值20.03m/s，水流在下游河道形成远趋水跃和波状水跃的流态，表面漩滚位于0+081.000～0+131.000的范围内。主流居于河道中央，下游河道高流速水体集中于水流表面，底部流速小于河床抗冲流速8m/s。最大冲坑深度8.17m，冲坑至坝趾水平距离为冲坑深度的6倍，大于重力坝设计规范值2.5。

适当延长厂坝导墙和增加右导墙可消除护坦上回流，减少回流对护坦末端淘刷。同时要求，先开启边孔，再启动其它闸门，阻断回流。

总之，优化后的短护坦方案满足消能防冲要求。

根据优化试验成果，施工图采用的最终消能措施为：溢流低堰后接长25m厚2m的护坦，护坦前后设3m深、2m宽的齿槽。护坦下设Φ28、间排距2.5m的锚杆，锚杆长6m，入岩深度3.5m。护坦后设两排钢筋桩，钢筋桩由3根Φ28钢筋及一根外径Φ25的注浆管组成，间排距2.5 m，，入岩深度5m，同护坦上部钢筋焊接。

3.2 优化后的消能型式实际运行效果

戈枕枢纽2007年2月开工，2008年4月22日工程截流成功，顺利从一期导流转为二期导流；2009年8月22日，工程下闸蓄水、首台机组并网发电；2009年12月28日，工程全部机组并网发电。

正式下闸蓄水前两个月，戈枕枢纽已具备下闸蓄水条件，并进行了初期蓄水。期间，历经两次规模较大的泄洪，消能护坦运行情况良好。

3.3 消能型式优化产生的经济效益和社会效益

优化后的消能方案，直接节省混凝土1.5万m3，钢筋471t，开挖方4.1万m3，相对概算节省近1000万元。同时因工程量减少，施工难度降低，相对加快了施工进度，缩短了施工工期，为整个工程提前9个月下闸蓄水和发电提供了有利条件，间接增加了发电效益。为彻底解决灌区中4.33万hm2（65万亩）农田的灌溉问题和东方、叉河工业园的供水问题，改变灌区少数民族地区贫穷落后面貌奠定了坚实的基础，社会效益巨大。

4 优化设计后的思考

戈枕枢纽消能工的优化设计，充分反映了设计工作者实事求是、精益求精、勇于开拓创新的精神风貌。水利工程因区域地质、水文条件及地形条件的变化，呈现千差万别的特性，设计者应透过这些现象，根据工程的特性，通过试验和计算等方法，寻求最适合本工程的设计方案。