糯扎渡水电站溢洪道深化设计

2012-07-26杨再宏顾亚敏刘兴宁孙怀昆

水力发电 2012年9期

杨再宏，顾亚敏，刘兴宁，孙怀昆

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明 650051）

1 糯扎渡水电站溢洪道布置及特点

糯扎渡水电站溢洪道最大泄量31 318 m3/s，泄洪水头182 m，泄洪功率55 860 MW，其规模为目前国内最大，名列世界前茅。溢洪道泄槽最大流速达52 m/s，泄洪消能及高流速泄槽掺气减蚀成为关键技术问题。

为解决溢洪道泄洪消能问题，在可研阶段对泄洪建筑物布置进行了多方案比选、研究，并分别进行了水力学计算及工程量对比。根据地形地质条件，对溢洪道轴线、控制段位置、形式、闸孔数、泄槽底坡进行了多方案研究。比较了挑流、底流、面流、消能戽、五级消能、三级消能及二级消能等消能方式。优选出溢洪道挑流消能及三级消能两个代表性方案平行开展设计科研工作，从工程布置、水力条件、施工设计、工程量、投资、管理等方面进行综合比较后得出，挑流消能方案比三级消能方案优越，因此，推荐溢洪道挑流消能方案。

溢洪道布置于坝址左岸，由进水渠段、闸室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段组成。进口处位于勘界河左岸，为一宽缓平台，沿线经过糯扎支沟、糯扎沟，消力塘出口位于5号冲沟处。溢洪道所处地层分布有砂岩、粉砂质泥岩、角砾岩和花岗岩，以弱风化、微风化为主。引渠段左侧边坡及中轴线左侧部分为H1滑坡体；闸室段地基弱风化下部砂岩、粉砂岩完整性好，不存在明显的层间软弱夹层，不存在深层抗滑稳定问题；泄槽段中部分布有Ⅱ级结构面F1、F35和F3断层，断层附近节理很发育，岩体破碎；消力塘底板有Ⅲ级结构面F44、F45断层，节理裂隙较发育。

溢洪道水平总长1 445 m，泄槽宽151.5 m。进水渠段长172.5～250 m，进口底板高程775 m；闸室控制段共设8个 15 m×20 m （宽×高）表孔，每孔均设检修门槽和弧形工作闸门，溢流堰顶高程792 m，堰高17 m，最大泄流量31 318 m3/s；泄槽段为矩形断面，缓槽段底板纵坡坡度1.332%，陡槽段坡度23%。为布置掺气设施及方便运行管理、检修，采用两道中隔墙将泄槽分为左、中、右三槽；泄槽边墙高度为14～12 m，中隔墙高度为12～10 m，沿程设5道掺气槽。挑流鼻坎采用正向连续鼻坎，为适应地形、地质条件，左、中、右三槽挑流鼻坎在平面布置上相互错开10 m。因溢洪道泄洪功率巨大，天然河床狭窄，挑流鼻坎下部开挖消力塘消能，消力塘处岩石较好，是堆石坝主要料源。消力塘底宽 151.5～178.622 m，长 310～330 m；消力塘末端608 m高程设置2 m高拦沙坎，坎顶高程高于电站满负荷运行时正常尾水位，既可拦沙又可在不影响发电的情况下，确保枯水期能够对消力塘进行抽水检修。

2 溢洪道水力设计

溢洪道为1级建筑物，按1 000年一遇洪水设计，最大可能洪水（PMF）校核。为了解决高水头、大泄量、高流速溢洪道水力设计问题，除了进行常规计算外，还开展了大量的水工模型试验研究。先后由中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院科研分院、天津大学、中国水利水电科学研究院开展了枢纽整体水工模型、单体水工模型、溢洪道消力塘护岸不护底、溢洪道泄槽掺气减蚀、减压模型、泄洪雾化等试验研究。

2.1 引渠

水工模型试验表明，渲泄各频率洪水时，引渠段来流平顺，主河道与勘界河交汇区流态正常，无回流和漩流。溢洪道进口右侧电站进水口区域流态在各试验工况下平稳正常，未受溢洪道泄流影响。

2.2 控制段

控制段溢流堰按低堰WES型实用堰设计，堰面曲线为Y=0.07X1.7；堰顶上游堰头采用三圆弧曲线。堰顶高程792.0 m，进水渠底板高程775.0 m，堰高17 m，定型设计水头19 m。

溢洪道泄流能力模型试验实测值在设计洪水位810.92 m （P=0.1%）和校核洪水位（PMF）下均大于设计值2%以上，可满足设计要求。

溢洪道堰面最大压力出现在3号表孔反弧段的15号测点，值为253.02 kPa。在宣泄校核洪水时，3号表孔堰面出现负压，最大负压值-4.88 kPa，小于-60 kPa，其余工况均未出现负压，满足溢洪道设计规范要求，过流面流速不大，不会发生空蚀现象。

2.3 泄槽

糯扎渡水电站泄洪水头高，溢洪道泄槽最大流速达52 m/s，增加了泄槽掺气减蚀的设计难度，为此，进行了专项水工模型试验研究。研究泄槽高速水流在不同泄流条件下掺气坎槽的结构形式、空腔长度、掺气效果、掺气浓度的变化、掺气设施的保护长度等，提出合理的掺气减蚀措施。通过模型试验研究，推荐方案泄槽掺气坎位置及结构尺寸见表1。

表1 泄槽掺气坎参数

2.4 挑流鼻坎、消力塘

对挑流鼻坎挑角、鼻坎位置、消力塘尺寸进行水工模型试验研究，以寻找最佳挑角、鼻坎位置及消力塘尺寸，使在各种运行工况下，能充分利用消力塘消能，使水舌落点位置适中、对消力塘底板冲击压力控制在合理范围，且消能率高，出塘流速低，工程量小。通过模型试验研究，推荐挑流鼻坎采用正向连续鼻坎，左、中、右三槽挑流鼻坎在平面布置上相互错开10 m，鼻坎段长21.821 m，反弧半径46.9 m，起挑角25°，左、中、右槽坎顶高程分别为645.042、645.303、645.562 m。出口消力塘平面及纵剖面均为梯形断面，底板高程575.00 m，该高程消力塘宽176.5～191 m，长310～330 m，左槽挑流鼻坎末端至消力塘末端长400 m。

各试验工况下，推荐方案溢洪道三槽挑流水舌对称平顺，在平面上略有扩散，受两边墙及中隔墙摩阻的影响，边部流速降低，局部壅高，并向内翻卷，使挑流鼻坎水舌中间高，两边低，挑流水舌边缘无砸击消力塘边坡的现象；水舌下缘两边挑距较小，水舌沿消力塘纵向分布较宽；受急流冲击波的影响，挑流水舌形态似几个单孔水舌交汇而成，水舌在空中紊动较大。消力塘出口处及下游河道岸边流速均不大，基本呈左岸大、右岸小的分布，100年一遇以下洪水，下游河床水流平顺，流速较低，水面波动较小；100年一遇以上洪水，下游河床水流流速及水面波动有所增加，距消力塘出口600 m处，左、右两岸岸边流速已在6 m/s以下。

溢洪道全开运行时，消力塘底板脉动压力右侧大于左侧。最大脉动压力均方差在设计洪水位时为19.4 kPa，校核洪水位时为44.6 kPa。消力塘左右两侧边坡上脉动压力比底板小，最大为18.85 kPa。

设计洪水及校核洪水情况下，消力塘单位水体消能率分别为8.7、12.6 kW/m3，与小湾水电站相当（8.2、 12.3 kW/m3），比二滩水电站小（11.5、 13.5 kW/m3），说明消力塘规模适中，设置消力塘后，有效解决了消能问题。

3 溢洪道结构设计

3.1 引渠

3.2 闸室控制段

闸室控制段共设8个15 m×20 m （宽×高）表孔，中墩厚4.5 m，总静水压力为38 216 kN，工作门启门力为25 584 kN，设计采用新型预应力混凝土结构。预应力总吨位与弧门推力之比为1.82。

溢流堰每孔净宽15 m，每孔溢流堰中部设置纵向伸缩缝一道。中墩厚4.5 m，与两侧7.5 m宽的堰体连成一体，形成分离式的 “⊥”形结构；边墩厚4 m，与一侧7.5 m宽的堰体连成一体，形成 “L”形结构。伸缩缝为铅直缝，缝间不设弹性充填物，仅设铜片止水。

交通桥为叠合板式桥，桥面宽6.25 m，跨度15 m，桥面高程与坝顶高程相同。上游侧布置5根预制梁，断面尺寸为0.5 m×2.0 m （宽×高），净间距为0.6 m。下游侧布置3根预制梁，断面尺寸为0.5 m（0.4 m） ×2.0 m （宽×高），净间距为 0.7 m （0.8 m）。单根梁下挂8 mm厚钢板作模板，待单根梁吊装就位后，浇筑混凝土形成整体板式桥。

3.3 泄槽段

根据泄槽左、右两侧地形及地质条件，边墙采用混凝土贴坡衬砌式、混凝土衡重式及重力式三种形式。

在地面线高出边墙、地质条件较好地段，开挖成垂直边坡，采用系统锚杆支护，并设置两排预应力锚索或锚筋桩。贴坡直边墙的结构分缝位置与泄槽底板相同，缝间设铜片止水。

泄槽左、右边墙在穿越F1、F35断层，且糯扎支沟处地质条件较差，故采用衡重式混凝土挡墙；右侧边墙在过糯扎沟处地面线低于边墙顶，采用重力式混凝土挡墙。每10～15 m设一条伸缩缝，缝间设铜片止水。

为保证泄槽底板的稳定，降低底板的扬压力，底板基础设置排水系统和锚筋系统。对断层破碎带及影响带范围内的泄槽底板基础采取深挖回填混凝土并采用固结灌浆的处理措施。溢洪道设置5道掺气坎槽，在掺气槽后的起始位置设横向伸缩缝，使挑坎形成的有效空腔跨越横缝，避免横缝遭受高速水流冲击，陡槽段横缝间距为65～128 m。纵横伸缩缝均为平缝，缝间设有铜片止水。

3.4 挑流鼻坎段

为保证挑流鼻坎在较大的动水荷载作用下稳定，在挑流鼻坎底下设齿槽，以增强其抗滑稳定性。挑流鼻坎过水面在反弧最低点处厚度最薄，为3 m。底板沿纵向每15 m设一条纵缝，垂直水流向不分缝，均为施工缝，施工缝设键槽。纵向伸缩缝为铅直缝，缝间设铜片止水，不设充填料。挑流鼻坎与消力塘间平台宽40～50 m，采用2 m厚钢筋混凝土衬护，并在基础设置锚筋桩锚固。对右槽附近岩体破碎部位进行固结灌浆处理。