英布鲁水电站枢纽泄水建筑物设计

2011-07-24王景涛庞书聪柴玉梅李东昱

水利水电工程设计 2011年4期

王景涛庞书聪柴玉梅李东昱

1 泄水建筑物设计条件

1.1 径流与洪水特征

英布鲁水电站枢纽位于刚果共和国境内刚果河支流莱菲尼河下游,距刚果河汇合口14 km。流域植被茂密,泥沙极少；河道径流来源于降雨,坝址的多年平均流量为484 m3/s；洪水流量年内较为均匀,洪水变幅不大,1 000年一遇洪峰流量为962 m3/s,10 000年一遇的洪峰流量为1 070 m3/s。

1.2 工程地质条件

泄水坝段位于原河道右岸滩地上,距主河槽约150 m。坝基地层为巨厚的陆相沉积物,自下而上分别为白垩系 (K)、第三系 (E、N)和第四系(Q)地层。白垩系地层由中厚层 (第2层)、薄层胶结不良的软弱砂岩 (第 1、3层)组成,成岩作用差,岩石孔隙发育,透水性强；第三系及第四系松散堆积物以砂壤土为主。工程区域地震烈度小于6度。

第1、3层薄层软弱砂岩 (K2i-l/K2i-3)胶结差,力学强度低,因此坝基坐落于中厚层软弱砂岩顶部。

1.3 泄水建筑物运用要求

(1)在正常运行条件下的任何泄洪工况,均假定只有1台机组运行参加泄洪,其余洪水应全部由泄水建筑物宣泄。

(2)根据施工导流方案,在土坝施工时,泄水建筑物作为二期导流建筑物,应满足导流要求,宣泄施工期20年一遇洪水,洪峰流量为750 m3/s。

(3)库区大部分为森林覆盖,根据库区清理的要求,只对库区的部分森林进行砍伐；砍伐后残留的树枝树干,在蓄水后由泄水闸表孔排走。

(4)莱菲尼河虽为清水河,但建库后仍可能有少量泥沙淤积在厂房前,应有可靠的泄水底孔排泄淤积物。

(5)考虑到战争因素,水库有放空要求。泄水建筑物应满足水库放空要求,以便必要时对挡水建筑物进行检修。

2 泄水建筑物设计标准

根据2001年中方与刚方签订合同的《技术报告》规定,英布鲁水电枢纽工程水库总库容为10×108m3,电站装机容量为120 MW,按照中华人民共和国水利部SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》中的有关规定,确定工程等别为一等,大 (Ⅰ)型规模。永久性主要建筑物按1级建筑物设计,次要建筑物按3级建筑物设计。

初设阶段进行了库区地形测量,按照实测的1∶10 000地形图进行核定,水库实际库容仅为5.84×108m3。考虑到库容的减少并不降低该工程的作用和调节性能,因此,本阶段未按中国规范的规定——按照库容的减少降低枢纽等别及主要建筑物的级别和洪水标准。

综上所述,泄水建筑物为1级建筑物,设计洪水标准为1 000年一遇,相应洪峰流量为962 m3/s；校核洪水标准为10 000年一遇 (考虑扩大20%),相应洪峰流量为1 280 m3/s。

3 泄水建筑物的布置与设计

3.1 泄水建筑物布置

泄水建筑物采用水闸形式,泄水闸左邻土坝,右接河床电站。由铺盖、闸室、消力池、海漫、防冲槽等部分组成,总长201.39 m。泄水闸左侧上、下游以半重力式翼墙与土坝连接,右侧为电站厂房,闸室右侧下游以导墙与厂房尾水渠隔开。

泄水闸高32.5 m,闸室段上、下游方向长35.5 m,沿坝轴线方向顶宽37 m,底宽47.5 m。泄水闸分为2个U形闸室,左闸室由左底孔和边墙组成,顶宽12 m,底宽25.5 m,设1个7 m×7 m(宽×高)的底孔。右闸室由表孔和右底孔组成,闸室宽为25m,布置1个表孔和1个底孔,表孔孔口宽10 m,底孔孔口尺寸为7 m×7 m(宽×高)。左右2个泄水闸坝段之间缝墩宽分别为2.5 m和2.0 m。泄水闸与土坝之间采用插入式连接,在坝轴线上游3 m处沿翼墙背坡设置1道混凝土刺墙,以延长接触渗径。刺墙沿坝轴线方向长5.5 m,顶宽1.5 m,左侧坡度为1∶0.27。

3.2 泄水建筑物体形设计

3.2.1 底孔体形设计

底孔采用胸墙挡水,孔口尺寸为7 m×7 m,进口底板高程为284.00 m。在坝轴线上游3.5 m、高程291.00m以上为厚2.5 m的胸墙,其底缘为曲线型,线型曲线为 (x-17.5)2/17.52+y2/3.52=1,曲线后接1∶3.005斜线。胸墙前设7 m×9.505 m(宽×高)的事故检修闸门,胸墙后为7 m×7 m的弧形工作闸门,闸室下游设7 m×8.7 m(宽×高)的检修闸门。

3.2.2 表孔体形设计

表孔为WES实用堰,孔口宽10 m,堰顶高程为301.70 m。溢流堰前沿与闸墩前沿齐平,堰面沿水流方向由进口圆弧段、堰顶水平段、堰面曲线段、1∶0.7斜坡连接段、半径为13m的圆弧反弧段和1∶4的斜坡段组成。堰顶设10 m×7.3 m的平板检修闸门和10 m×7.45 m的弧形工作闸门,闸室下游设10 m×8.7 m(宽×高)的检修闸门。为便于施工后期导流底孔封堵及运行期间的检修,表孔与底孔下游均设置检修门槽,在必要时利用检修门对闸室进行检修。

底孔和表孔上游均设事故检修门槽,检修门由坝顶2×630 kN的双向门机启闭。底孔工作弧门采用固定卷扬启闭机启闭,其操作平台高程为306.80 m,表孔工作弧门采用液压启闭机启闭,其油泵房布置在缝墩上,高程为309.50 m。油泵房设有楼梯与下游检修门高程308.50 m的操作平台相通。底孔及表孔下游检修闸门由设在高程308.50 m,容量为2×250 kN的台车启闭机操作,在操作平台设有台车停放间,并在高程296.50 m设置检修平台。

3.2.3 泄水建筑物细部设计

3.2.3.1 清污排漂设计

本工程库区两岸植被茂密,水库蓄水后,将有树枝和树干等污物漂至坝前。为保护电站进水口,在进水口设主、副拦污栅2道。当来污量较少时,利用坝顶清污机清污,污物由清污抓斗装入设置于坝顶的清污小车,沿轨道送至泄水闸上游,通过表孔排至枢纽下游。为配合电站的清污运行,考虑经常性的水库表面排漂的需要和节约水能,在弧形工作闸门上部设置舌瓣门,在电站清污时只开启舌瓣门即可。

3.2.3.2 泄水建筑物防空蚀设计

英布鲁泄水建筑物底孔闸前静水头为24.5 m,表孔溢流堰顶与下游检修闸门处高差达17.98 m,底孔胸墙下缘、表孔溢流堰顶部和下游检修门槽下游侧属高速水流区,须进行防空蚀设计。

经计算,底孔段,闸前胸墙内埋设2根 Φ250 mm钢管以掺气减蚀。

表孔溢流堰顶部水流空化数小于初生空化数,不会产生空蚀。

底孔及表孔下游检修门槽,在门槽宽深比满足规范要求的前提下,二期混凝土下游临水侧埋设工字钢,以策安全。

3.3 消能防冲建筑物设计

根据消能防冲计算结果,消力池段长72 m,净宽24m,由1∶4的斜坡段、平底段组成,平底段末段设端槛。

消力池斜坡段长16 m,起点高程283.00 m,与闸室出口1∶4斜坡衔接。为改善出闸后下游水流流态,在表孔与底孔出口之间设中导墙,下延至消力池斜坡段末端。

消力池平底段长54 m,池底高程279.00 m,共分3段,底板厚度分别为2.5,1.7,1.2 m。端槛宽2 m,高2 m,与平底段底板连在一起。

消力池下游设厚为0.5 m的钢筋混凝土海漫,以削减泄水的余能。海漫长38 m,平面呈扩散形,底宽由29 m渐变至32.8m。海漫右侧为纵向导墙,与电站尾水渠隔开。

为保护基础软砂岩,于海漫末端设深4 m、底宽5 m的防冲槽；其底高程为277.00 m,并以1∶1.5坡度与底高程为286.00 m的下游尾水渠相接。防冲槽内抛填块石以保护基础,防止水流溯源冲刷,危及海漫安全。防冲槽左侧与下游纵向围堰连接,其边坡为1∶2.5,并采用钢筋混凝土护砌。

3.4 泄水闸防渗排水设计及修改

泄水闸闸基为白垩系软砂岩,岩体透水性强。闸室底板以上设计水头为24.5 m,闸室长度35.5 m,考虑延长闸室渗径和渗透稳定的要求,闸室上游设厚0.5 m的钢筋混凝土铺盖,铺盖顶高程为284.00 m,上、下游方向长41.89 m,其两侧分别同上游翼墙及电站铺盖相接,在接头处及浇筑块之间均设1道橡胶止水带及1道铜止水片。

为降低扬压力,确保闸室抗滑及消力池抗浮稳定,初设和招标设计阶段,消力池基础排水采用排水褥垫与排水管相结合,在消力池底板下设两层反滤层,粒径分别为0.15～5 mm及5～40 mm,厚度均为40 cm。沿整个消力池底板设孔径为10 cm的排水孔,纵、横向间距均为1.5 m。

施工图设计阶段,咨询公司指出消力池底设置排水孔,高速水流下泄时排水孔部位混凝土存在空蚀问题,建议改为U形排水管,消力池底排水褥垫内埋设部分为打孔花管,在两侧翼墙 (导墙)287.62 m高程设出水口,间距2.5 m,共24排。

施工过程中,发现U形排水管管路堵塞,无法排水；为保证闸室抗滑和消力池抗浮稳定,按初步设计方案,在消力池底板上补打排水孔,修复基础排水功能。

4 泄水建筑物水力设计与模型试验

根据泄水建筑物布置形式,分别对底孔和表孔进行水力计算,主要计算内容包括:泄流能力计算和消能防冲计算。

4.1 泄水建筑物的泄流能力计算及泄洪安全性评价

泄水闸底孔泄流为带胸墙的平底闸孔出流,表孔采用WES实用堰。分别采用对应的水力学公式进行泄流能力计算。

为了验证泄水建筑物的过水能力、水流流态和消力池的消能效果,进行了表底孔断面模型试验和水力学整体模型试验。

在正常蓄水位308.50 m时,相应不同开度,表、底孔泄流能力计算值和水力学试验成果对照见表1、2。

表1 表孔闸门开度与泄量关系表

表2 底孔闸门开度与泄量关系表

由表1、2可见,计算值与试验值两者基本接近。

应刚果方业主和咨询公司的要求,本工程进行了枢纽泄洪能力及泄洪安全性评价。

根据泄水闸过流能力计算和水工模型试验成果,在正常蓄水位308.50 m时,表孔泄量为330 m3/s,底孔泄量为1 560 m3/s,总泄量达到1 890 m3/s,满足枢纽的泄流能力需要 (校核洪水流量加大20%时为1 280 m3/s,设计洪水流量为962 m3/s)。由于泄流底孔的泄流能力受施工导流控制,需要与另一个施工临时导流底孔共同承担导流任务,所以,泄水闸的泄流能力有较大的余量。

根据水电工程的一般要求,泄水建筑物在每年汛期来临前,都应对表孔和底孔进行检修和试运行,以保证泄水闸在汛期能正常运用,因此,在正常情况下,泄水闸泄洪运行是可靠的。当遇到泄水建筑物在运行期出现故障,假定1个表孔或1个底孔不能正常运用时,枢纽过流建筑物的过流安全性评价如下:

(1)若表孔出现问题,采用2个底孔进行泄洪,最大泄流能力可达1 560 m3/s,完全可以满足枢纽的泄洪要求。

(2)若1个底孔出现问题,表孔闸门全开泄洪时,最大泄流能力为330 m3/s,再考虑开启另外1个底孔,底孔最大泄流能力为780 m3/s,表孔和1个底孔的泄流总量为1 110 m3/s,满足10 000年一遇洪峰流量1 070 m3/s的泄洪需要。

(3)若1个底孔出现问题,水库发生超标洪水,即10 000年一遇洪水加大20%,洪峰流量达到1 280 m3/s时,这虽然是一种极偶然的情况,但在这种情况下只要开启1台机组发电,就可满足枢纽保坝泄洪的需要。

综上所述,本工程即使在1孔主要泄水孔出现故障,又遇超标洪水的极端不利情况,枢纽的其它过流建筑物的过流能力仍能保证洪水顺利下泄,因此,枢纽的泄水孔口和泄流能力的确定是合理的,可以保证枢纽安全泄洪。

4.2 泄水建筑物放空计算

本工程水库有放空要求,因此泄水建筑物应具备降低库水位的能力,以便必要时对挡水建筑物进行检修。放空后的坝前库水位由泄水建筑物的泄流能力与来水流量确定。

水库需要放空时,开启表孔和底孔同时泄水,不考虑电站运行。在库水位较高时,表孔为敞泄,底孔为孔口出流,从泄流计算结果可知,此时表孔和底孔的总泄量远远大于多年平均来水流量484 m3/s,水库水位迅速下降；当水位低于表孔堰顶高程时,表孔退出工作,仅由2孔底孔进行放空运行；当库水位下降至底孔顶缘时,底孔泄流为淹没宽顶堰流,只要底孔泄量大于水库来水量,库水位仍可继续下降,直至来水量与泄水能力达到平衡为止。

经计算,当考虑上游来水流量为多年平均流量484 m3/s时,水库最低降水水位为293.50 m。

4.3 消能防冲计算

4.3.1 计算工况及结果

根据泄水闸的布置和运用要求,本工程消能防冲计算考虑以下4种工况。从偏于安全考虑,假设泄洪过程中只有1台机组参与泄洪,各种计算工况条件见表3。

采用规范规定的消能防冲计算公式,对各工况进行消能计算。

表3 消能水力计算工况表 m3/s

由计算结果可知,底孔消力池计算最大池深为6.51 m,池长为59.06 m；表孔消力池计算最大池深为3.02 m,池长为45.69 m。

4.3.2 水工模型试验成果

从水工模型试验看,由于泄水闸表孔和底孔共用一个消力池,正常情况②由于表孔关闭,两侧底孔出流向表孔扩散,使表孔消力池水体也产生旋滚与底孔水跃掺混,因此,淹没度较大,跃首进入闸室。泄流时有较大的水跃淹没度,有利于减少下游侧墙前后及底板上下的水压差,试验成果显示消力池底高程确定为279.00 m是合适的。

考虑到各种泄量下跃尾位置上、下摆动较大,同时跃尾横断面上水深及流速分布亦不均匀,从偏安全考虑,消力池长度宜较计算值有所加大。从试验流速分布成果分析,消力池末端流速分布为底大面小,计算情况②、④最大底流速尚有8～9 m/s,在海漫末端流速分布已趋均匀；因此,设置40 m长海漫段消能是必要的,综合设计计算和试验成果分析,确定消力池深取7 m,(消力池底高程279.00m),池长取70 m。