额勒赛下游水电站上电站溢洪道设计研究

刘 文 胜

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京　100024)



额勒赛下游水电站上电站溢洪道设计研究

刘 文 胜

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

摘要：额勒赛上电站溢洪道落差大，流速高，泄洪消能问题突出。为此在可研阶段对溢洪道布置进行了深入研究，结合水工模型试验报告对消能防冲和各级洪水泄洪建筑物的运行方式进行了多方案比较，设计了适合该工程的分槽泄洪，中孔和右孔用连续斜鼻坎，左孔消能工应使水舌尽量向左扩散，避免水舌中右侧与左孔水舌叠加，有效地解决了消能问题。

关键词：溢洪道布置；溢洪道水力设计；溢洪道水工模型试验；分槽设计

1工程概况

额勒赛下游水电站(Lower Stung Russei Chrum Hydro- electric Power Project)位于柬埔寨首都金边以西180 km，戈公省会戈公市以北20 km的额勒赛河下游。该电站由相距8 km的上下两个电站组成，分别称为额勒赛下游水电站上电站和额勒赛下游水电站下电站。额勒赛下游水电站总装机338 MW，是目前柬埔寨已投产的最大的水电项目。

上电站正常蓄水位为260 m，装机容量为206 MW。电站采用混合式开发，主要建筑物均由拦河坝、进水口、压力引水道、调压井、压力管道、地面厂房和开关站等组成。

2额勒赛上电站泄水建筑物布置及特点

额勒赛上电站工程等别为二等大(2)型工程，泄水消能建筑物为2级建筑物。设计洪水标准为500年一遇洪水，相应洪峰流量为7 020 m3/s；校核洪水标准为5 000年一遇洪水，相应洪峰流量为9 450 m3/s。消能防冲建筑物洪水标准：采用50年一遇洪水，相应洪峰流量为3 930 m3/s。

本工程挡水建筑物为面板堆石坝，经泄水建筑物布置方案比较论证，采用国内同类工程中常用的表孔溢洪道+深孔泄洪洞联合泄洪的方式，表孔溢洪道具有较强的超泄能力，深孔泄洪洞可兼起水库放空作用，溢洪道和泄洪洞既可单独泄洪，又可联合运用，调度灵活、方便。根据工程实际地质、地形条件，将泄水消能建筑物布置在右案。

为确保泄洪安全，开敞式溢洪道承担主要泄洪任务，发生常遇洪水时，采用溢洪道宣泄；泄洪放空洞，施工期兼顾导流洞的作用，运行期一般在发生设计洪水及其以上标准洪水时，和溢洪道一起承担泄洪任务，其最大泄量为1 400 m3/s，其余泄量由溢洪道承担。在非常情况下，泄洪放空洞承担降低水位、放空水库的作用。泄水建筑物调洪演算成果见表1。

表1　调洪演算成果表

3溢洪道布置

根据地形地质条件，右岸岸边开敞式溢洪道布置于右坝肩内侧，与右坝头相接，由引水渠、控制段、泄槽和出口消能工组成。

额勒赛溢洪道布置区域地层岩性较单一，岩层近水平，岩性主要为侏罗系中统石英砂岩、紫红色泥岩、泥质砂岩等。以砂岩为主的砂岩岩组与以泥岩为主的泥岩岩组相间分布，层位相对较稳定，相邻岩层均为渐变过渡。250～243 m高程段岩体为弱风化砂岩，岩石饱和抗压强度30～60 MPa，属坚硬岩，岩体中厚层状，岩体较完整，边坡岩体Ⅲ2类为主。234～243 m高程为J29层微风化石英砂岩，岩石饱和抗压强度60～80 MPa，属坚硬岩，岩体中厚层状，岩体较完整，岩体为Ⅲ1类。216～234 m高程地基岩石主要为J28层弱～强风化泥岩，岩石饱和抗压强度5～15 MPa，为软岩，岩体中厚层状，岩体宜崩解。182～216 m高程地基岩石主要为J27弱风化灰白色石英砂岩夹少量灰黑色泥岩条带。

图1　额勒赛下游水电站上电站溢洪道平面布置

3.1引渠段

根据地形地质条件，引水渠靠右岸一侧顺直布置；靠坝体一侧设置直线段和圆弧段，直线段长40 m，圆弧段半径110 m，圆弧段与直线段平顺连接。引渠段开挖长约140 m，桩号0-002.00～桩号0-040.00范围内设置重力式挡墙，挡墙与开挖边坡平顺连接。引渠段开挖底高程为240 m，240～255 m高程开挖坡比1∶0.5，在255 m高程设置3 m宽马道，255 m高程以上开挖坡比1∶1.5。

3.2闸室控制段

溢洪道闸室控制段溢流堰分3孔，闸墩厚度4 m，控制段长为40 m。闸门尺寸为14×18 m，为WES实用堰，堰顶高程245 m，堰高5 m，堰上游面坡度3∶1，原点上游采用双圆弧曲线。每孔设弧形工作门，溢流前沿净宽50 m，接坝边墩采用重力式，顶宽4m，坡率为1∶0.3。

3.3泄槽段

泄槽段分为缓坡段、抛物线连接段和陡槽段。缓坡段长度76 m，坡率1∶15；抛物线连接段长度65.68 m；陡槽段长度74.32 m，坡率1∶1.801。泄槽底板厚度为0.5 m～1 m。

3.4出口消能工段

溢洪道出口消能初步设计时采用等宽连续挑坎，挑坎段长度30 m左右，挑流鼻坎反弧半径30 m，鼻坎出口高程约178.00 m。

4溢洪道水力设计

4.1泄流能力计算

开敞式溢洪道采用WES型实用堰，按《溢洪道设计规范》(DL/T5166-2002)规定泄水能力计算公式为：

式中Q为流量，m3/s；B为溢流堰总净宽，m；H0为堰上水头，m；m为流量系数；溢洪道泄流能力计算成果见表2。

表2　溢洪道泄流能力曲线

4.2溢洪道泄槽水面线计算

选取校核洪水位工况时，溢洪道下泄流量7 457 m3/s进行泄槽水面线推求，水面线推求分为泄槽段水面线推求、消能段水面线推求两部分。水面线推求公式：

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水面线考虑波动及掺气影响，掺气水深按以下公式计算：

式中h为未计入波动及掺气的水深，m；hb为计入波动及掺气的水深，m；v为未计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；ξ为修正系数，计算中按不同流速截面取1.15～1.4s/m。

溢洪道水面线计算成果见表3。

表3　溢洪道水面线计算成果

泄槽起始段计算临界水深6.937 m；临界流速21.499 m/s。

4.3消能计算

出口采用挑流消能，挑坎顶高程为178 m，初拟挑角在18.79～30°范围内取值。进行挑距近似计算和冲坑深度估算。

挑距计算公式：

L=

式中L为水舌抛距，m，如有水流向心集中者,则抛距还应乘以0.90～0.95的折减系数；v1为坎顶水面流速，m/s,v为坎顶平均流速，m/s；H0为水库水位至坎顶的落差，m；θ为鼻坎挑角；h1为坎顶垂直方向水深，m；h为坎顶平均水深，m；h2为坎顶至下游河床高差，m，如形成冲坑，可算至坑底 。

最大冲坑处水垫厚度计算公式：

tk=α1q0.5H0.25

式中tk为最大冲坑水垫厚度，m，q为泄水建筑物出口断面的单宽流量，m3/(sm)；H为上、下游水位差，m；α1为基岩特征影响系数，采用1.2。挑流消能计算结果见表4。

表4　挑流消能计算结果

当冲刷坑后坡i

5溢洪道水工模型试验

额勒赛上电站水工模型试验首先率定了溢洪道的泄流能力。试验率定各特征水位泄量均与设计计算值基本吻合，整体泄流能力满足设计要求。设计和校核洪水位，溢洪道进口引渠右侧水流平顺，左侧导墙曲线段内侧由于绕流作用水面凹陷。堰上流态正常，泄槽缓坡段两侧水深沿程逐渐减小，两中墩后水流交汇形成“水翅”。渥奇段和陡坡段和挑流鼻坎内水流平顺。挑射水流最大挑距超过130 m，入水偏于左岸并顶冲左岸。

各部位压力分布正常。溢洪道中线堰顶3#测点(溢0+008.95 m)处压力最小，校核洪水始其值为-1.65×9.81 kPa，设计洪水时其值为-1.16×9.81 kPa。《溢洪道设计规范》规定：对于设计洪水闸门全开情况，堰顶附近负压值不得大于0.03 MPa(约为3×9.81 kPa)；对于核核洪水闸门全开情况，堰顶附近负压值不得大于0.06 MPa(约为6×9.81 kPa)。

溢洪道需要经常开起宣泄不同的洪水流量，无论从泄洪消能还是从运行角度考虑，对溢洪道进行分槽泄洪是十分必要的。溢洪道经模型试验比较后推荐采用左孔单独成一槽，中孔和右孔成一槽的分槽方案；推荐在中孔和右孔隔墩末设稳流墩。左孔单独两槽方案在溢洪道左孔右侧设1 m厚的隔墙与其它两孔隔开，左孔泄槽净宽17 m。该方案中孔和右孔用连续斜鼻坎，左孔消能工应使水舌尽量向左扩散，避免水舌中右侧与左孔水舌左侧叠加。在设计洪水冲刷情况下，冲坑最深点冲刷到122.0 m高程，深23 m；左岸最深点冲刷到127.0 m，冲深18.0 m；右岸最深冲刷到127.8 m高程，冲深17.2 m。50年一遇洪峰流量，可通过三孔均局开8 m泄放。最深点冲刷到129.0 m高程，深16.0 m；左岸最深点冲刷到138.0 m，冲深7.0 m；右岸最深冲刷到130.3 m高程，冲深14.7 m。

推荐方案没有改变泄洪放空底孔的出口体型和溢洪道的堰面体型，溢洪道进口引渠的修改对流量的影响很小，可以忽略不计。因此推荐方案泄水建筑物的的泄流能力与原方案相同。

本工程设计的泄水建筑物运行方式为：来水量为常遇洪水洪峰流量时采用溢洪道泄洪；来水量大于200年一遇洪水洪峰流量时，同时开启泄洪洞和溢洪道联合泄洪。溢洪道需下泄的流量变化幅度较大各频率的洪水，而三孔溢洪道闸后只用一道隔墙分成两槽，运行灵活性较小，有必要对泄洪运行方式进行研究。

泄洪运行方式的选择应遵循以下几个原则：(1)流态良好，避免出现可能危及建筑物安全的不良流态。(2)下游冲刷较浅，不危及挑流鼻坎的安全。(3)操作简单。试验优选的各级洪水泄水建筑物运行方式见表5。表中开度为弧门下缘与堰顶的高程差。试验研究表明，溢洪道各孔局开4 m时，两泄槽的水流基本能够挑离本岸，开度小于4 m时水舌砸岸，因此，应避免各孔开度小于4 m。开度过大时，闸前壅水波动较大，漩涡较强，可能危及闸门安全。设计洪水位溢洪道全开时，堰顶处水深约16 m，经试验研究认为，闸门局开开度应小于12 m。2#孔和3#孔公用一个泄槽，两孔开度应尽量保持相同，2#孔开度可大于3#孔，但当2#孔开度小于3#孔时，水舌绝大部分砸在本岸。

表5　试验优选的各级洪水泄洪建筑物运行方式

水工模型试验证明溢洪道总体布置是合理的。泄流能力满足设计要求。推荐的左孔单独成槽两槽方案，可满足泄放各频率洪水的要求。各

级洪水对下游河道的冲刷不会危及泄水建筑物的安全。

6结语

额勒赛上电站溢洪道落差大，流速高，泄洪消能问题突出。为此在可研阶段对溢洪道布置进行了深入研究，结合水工模型试验报告对消能防冲和各级洪水泄洪建筑物的运行方式进行了多方案比较，设计了适合该工程的分槽泄洪，中孔和右孔用连续斜鼻坎，左孔消能工应使水舌尽量向左扩散，避免水舌中右侧与左孔水舌左侧叠加，有效地解决了消能问题。

(责任编辑：卓政昌)

刘文胜(1986-)，男，湖南衡阳人，毕业于中国农业大学农业水利工程专业 ，工程师，现于中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司从事水利水电工程坝工专业设计工作.

作者简介:

文章编号:1001-2184(2016)02-0098-04

文献标识码:B

中图分类号:TV7；TV651.1；TG802

收稿日期:2016-02-18