化冲力于绵绵消雨雾以安民——解读向家坝水电站泄洪消能工程

王波

(中国三峡集团公司建设管理局，四川成都610041)

对于水电站的泄洪消能，向家坝工程设计总工程师潘江洋这样解释——“泄洪”:在水头高、泄量大、泄洪功率大的情况下，合理地布置、设计泄洪方案，减少洪水对大坝的不利影响，保证大坝的安全和稳定，同时，满足水库泥沙设计和降低水库水位的需要。“消能”:相当于一个武功高强的大师，将泄洪产生的巨大冲击力巧妙地一一化解掉，避免泄洪冲击对河床和河岸的“伤害”，同时重视泄洪雾化的影响，减少或消除泄洪产生的雾化，保护邻近生产、生活区及建筑物的环境。

底流消能

“底流消能”相对的是“挑流消能”、“平流消能”，它们都是专业术语。修建水电站的目的，是在江河中修建起大坝，利用大坝拦蓄江(河)水，用于防洪、发电、灌溉、改善航运等。水是宝贵的，不应该轻易放弃，但汛期洪水滚滚而来，就不能一味地拦蓄，只拦不泄，洪水会漫坝。“开闸泄洪”就是把水库多余的水排掉。

由于大坝上下游的高落差，大坝拦蓄的江(河)水蕴藏巨大的能量:通过引水压力钢管进入蜗壳，转动巨型水轮机组，产生惊人的电力;“开闸泄洪”时如不想办法消减其能量，则可能对下游基岩、河床造成严重破坏。

泄洪消能主要有挑流消能、平流消能和底流消能3种方式。目睹过三峡大坝开闸泄洪的人，都难以忘记那气势磅礴、惊心动魄的一幕:巨大的水流以排山倒海之势从泄洪孔中喷涌而出，冲向江面，激起滔天浊浪，雾气弥漫，轰鸣声不绝于耳——那情景已经成为雄伟、壮观的三峡工程象征性画面!

中南院向家坝工程设计总工程师潘江洋介绍，三峡工程的泄洪消能为“挑流”方式，泄洪水流被高高挑起再落到水面，利用水在空中与空气的摩擦和入江后水与水的混动将能量削减。由于挑流的特点，水流挑起后落入水面的初始能量惊人，对大坝下游基岩的强度要求很高。三峡工程下游基岩是完整的花岗岩，足够抵抗泄洪时巨大水流的冲击。然而，向家坝水电站却没有这样坚实的“底子”，主要为砂岩夹泥岩的向家坝基岩甚至有深层滑动的地质背景。如果向家坝泄洪也采用“挑流”方式，泄洪巨大的能量就有可能严重破坏下游基岩，进而威胁大坝的安全稳定。

另一方面，水富县城与云南天然气化工厂离大坝泄洪消力池末端仅500多米，可谓“近在咫尺”。倘若用“挑流”泄洪消能方式，泄洪时浪击的轰鸣、漫天的雾气也会让这里的人们无法消受。

“挑流”不可取，“平流”亦不可取。“平流”泄洪消能方式，顾名思义，就是泄洪“随波逐流”，水流几乎平行于水面宣泄。但如果是大功率的泄洪，强大的水流势必引起江水剧烈波动，严重影响到下游航运安全。向家坝既有大功率泄洪，又有航运的要求，“平流”方式也被排除了。

剩下的只有底流消能方式。充分考虑了大功率泄洪、消能、排沙、保护环境等要求，设计者聪明地设计了一种“高低坎”的底流泄洪消能方式。利用在大坝下游修建的一个大型“水池”(消力池)，承接泄洪水流;泄洪中孔和表孔溢流面一直延伸到消力池中，同时又形成高于消力池底板的高低两个“坎”。这样，开闸泄洪时，从中孔和表孔泄下来的两股高速水流所带的能量在消力池中既互相抵消，又受到消力池中江水的消化，真正达到泄洪、消能、排沙和保护环境的目的。在与水富县城和云天化方面解释沟通，消除其对泄洪雾化疑虑时，时任中南院总工程师胡斌形象地比喻:好比将十几根水管子插到一个大水池里出水，不会出现雾气弥漫的现象——这就是向家坝泄洪的方式:“底流消能”。

设计之路

参与向家坝泄洪消能设计的中南院向家坝副设总师张永涛告诉记者，向家坝泄洪消能设计经历了预可行性研究、可行性研究、招标设计和细部深化研究等4个阶段。

“就像十月怀胎，向家坝泄洪消能设计经历漫长、艰难的过程。”张永涛说。开始阶段，“底流”消能方式便在设计者的设计思想中明确了。因为当时坝址已经确定，云天化工厂就在坝址下游不远处，通过调查，发现云天化的生产本身对空气有特殊的要求，空气湿度太大会影响该公司化肥生产的质量，为此，易产生雾化的“挑流”消能方式被否定了，“平流”方式也因下游航运的要求被否定，只有“底流”方式供设计者选择。

“但那时只考虑常规的底流消能。因为中南院在湖南搞过一个湾塘水电站，也是采用底流消能方式。因有经验在先，做坝工设计者显得信心十足。”张永涛说。那时候，向家坝泄洪消能问题不是特别引人关注，预可行性研究报告也只提了寥寥几句话:“本工程泥沙问题较为突出……应进一步研究泄洪、排沙的流量分配和运用原则。”

但是到了可行性研究阶段，向家坝泄洪消能必须关注多方面的问题。设计者发现，他们面对的向家坝水电站远非湾塘水电站可比。向家坝水电站有几大特点:流量大、泥沙多、高水头，另外，作为超级水电站，向家坝电站所处河谷显得有些狭窄，当把发电、防洪、航运、灌溉等各种功能性建筑物布置完之后，泄洪消能建筑物的布置空间已经很局促。因为在相对狭小的空间布置泄洪建筑物，向家坝电站泄洪坝段的单宽流量惊人，达到49800米/秒，泄洪功率达4000万千瓦/秒，消力池入池流速达35米/秒，这都是世界坝工史上罕见的。因要兼顾考虑到排沙、减小雾化、下游通航和护岸要求及深层抗滑稳定等要求，向家坝泄洪消能问题绝非常规底流消能所能解决。

中南院原向家坝设总曾雄辉说，他们做过计算，采用传统的“平底消力池”时，泄洪时挟裹着泥沙的金沙江水通过消力池底板的速度可达45米/秒，即以162公里的时速冲刷底板，产生的破坏力可想而知。为此，首先要解决大流量、高流速水流对消力池底板的冲击破坏，而处在大坝下游的消力池底板是关系大坝稳定的“抗力体”，是无论如何不能被破坏的。最直接的思路是降低“临底流速”(即接近底板的水流流速)。在大伙一块儿讨论如何降低“临底流速”时，有同志灵机一动:为什么不考虑将泄洪水流抬高于消力池底板进行宣泄——只需将消力池设置一跌坎，消力池整体“跌落”在泄洪流道下方，这样水流便不会挨着消力池底板冲刷，“临底流速”自然降低了!

在确定带跌坎思路后，设计者对不同跌坎类型的消能方式进行了研究，包括连续跌坎、差动坎和高低坎等方案。参与研究、试验的科研院所有中南院科研所、水科院、四川大学、南京水科院等多家单位。经过多次整体模型试验研究，发现采用将中表孔隔墙延伸至跌坎末端的“优化差动坎”方案(即高低坎方案)，消力池内的流态稳定性最优。2004年11月在北京召开的向家坝水电站可行性研究报告(枢纽工程)审查会议上，会议同意采用高低坎跌坎底流消能方式。

在招标设计阶段，设计人员进一步对高低坎方案进行了优化，包括在泄洪中孔、表孔单独和联合运行时加大泄洪调度灵活性、关注整个消力池及上下游水力学指标的深化研究等。

向家坝泄洪消能研究工作步步求证，终于得到比较理想的泄洪消能体型。张永涛告诉记者，尽管模型试验等研究工作表明设计的消能方式是安全可靠的，但深知责任重大，他们把消力池的设计标准提高到大坝同一等级，即500年一遇设计标准、5000年一遇校核标准。这是当今世界坝工设计的最高等级!

一流标准

最大泄洪流量为48660立方米/秒、最大下泄总功率约4000万千瓦、消力池内最大单宽流量为225立方米/米、消力池入池流速达42米/秒……这些一般人看来并不起眼的数据，对于水电业界而言却是令人震惊的，因为这样的数据在国内外水电建设史上十分罕见。

我国水利水电科技泰斗、中国科学院和中国工程院资深院士潘家铮曾多次参与向家坝水电站设计审查，对向家坝泄洪消能的情况十分清楚，他曾给中国三峡集团董事长曹广晶和总经理陈飞写信:“向家坝泄洪消能难度空前，或可列全球坝工之冠，而且每年汛期都要大流量泄洪，与一些设计泄量虽大但泄洪概率极低的工程性质完全不同。”

为此，潘家铮建议中国三峡集团公司“将向家坝泄洪消能问题列为重大问题，予以高度重视。在建设期狠抓质量，务求消除所有缺陷，达一流标准”。

潘家铮院士的意见和建议，集团公司领导层高度重视，曹广晶和陈飞都指示，要求向家坝参建单位不管是施工还是运行，都要科学认真对待，解决问题。

在当前工程建设阶段，当然首先要确保泄洪消能建筑物的施工质量。向家坝工程建设部主任彭冈对此有清醒的认识。“管理从严、工艺从细、不留隐患!”对于泄洪消能施工，他斩钉截铁地说。参建单位达成共识，从各环节入手确保消能建筑物施工质量。设计单位中南院按规程规范的最高上限对消能建筑物进行设计。从2010年底浇筑消力池底板混凝土开始，向家坝水电站参建单位通过组织和制度保证，采取优化抗冲耐磨混凝土配合比、优化仓面施工工艺、强化后期维护等一系列工程措施，确保泄洪消能建筑物施工质量和今后安全稳定运行。

仓面施工工艺设计和优化是施工过程中混凝土质量控制的重要环节。向家坝泄洪建筑物部位设计钢筋密集，为方便混凝土浇筑和振捣密实，参建各方通过“钢筋网并束”方式预留下料口，并采用漏斗进行辅助下料。泄洪消能的特点决定了中孔过流面必须一次浇筑成型，参建单位为此探索、优化了翻模、拉模等浇筑形式。同时深入开展复振试验，通过复振消除混凝土表面气泡，做到过流面抹面光滑。

对混凝土浇筑后期的维护，参建各方也倾入了大量心血。建设者像对待自己孩子那样对泄洪消能建筑混凝土呵护备至:混凝土浇筑后的保温工作中，进行分时、分区域、分流量和分温度的个性化通水冷却。此外，“夏天怕晒着，冬天怕冻着”，夏季挂棉织物，冬季喷涂聚氨酯发泡材料，日常养护时做到了常湿、不泡水。同时，对每一块混凝土都进行遮盖保温，做到保温全覆盖、无盲区。为杜绝过流面出现人为损伤，采用了竹跳板进行保护。建设者的精心呵护，确保了泄洪消能建筑物混凝土质量满足设计要求。

2012年10月11日下午7点，随着向家坝电站左岸最后一个导流底孔关闭，10个泄洪中孔正式开启过流，向家坝电站泄流方式实现重大转换，永久泄洪建筑物正式投入运行。金沙江水经人们调控，从向家坝泄洪中孔宣泄，巨大水流急速从流道冲下，在消力池中翻滚激荡，流向远方。记者从向家坝工程建设部了解，至11月底，包括泄洪中孔、消力池等永久泄洪建筑物平稳、安全运行，初步经受了考验。