印度某水电站泄洪设计方案优化

2016-09-02姚德生李永胜

水利水电工程设计 2016年2期

关键词：挑流排沙泄洪洞

姚德生李永胜李淼

印度某水电站泄洪设计方案优化

姚德生李永胜李淼

水库泄洪问题关系到水库的安全、工程施工进度以及工程投资，介绍了承担国外工程项目需复核原设计方案的合理性，依据相关规范，通过设计方案优化对比，选择施工简单、安全性好、工程投资小、后期运行管理方便的泄洪方案，为今后类似国外工程项目提供参考。

泄洪合理性优化泄洪方案

水电站位于印度某河流上，工程任务为发电。拦河坝采用黏土心墙堆石坝型，最大坝高112.00 m，水库总库容7.57亿m3，地面式电站总装机容量186 MW。工程规模为大 (2)型。水库正常运行水位为276.00 m，最低运行水位为250.00 m。上游最高洪水位采用PMF洪水，入库洪峰流量8 002 m3/s，相应的库水位为277.45 m，坝下游水位182.11 m。

1 原方案泄洪建筑物设计

根据印度提供的原详细设计报告，洪水标准采用PMF洪水，入库洪峰流量8 002 m3/s，经水库调蓄后最大下泄流量为7 200 m3/s。泄洪建筑物包括左岸溢洪道和右岸泄洪排沙洞，左岸溢洪道为岸边式开敞溢洪道，最大泄流能力按不低于2 000 m3/s设计，右岸泄洪排沙洞泄洪能力按不低于5 200 m3/s设计。

溢洪道采用WES堰型，堰顶高程264.0 m，共4孔，每孔尺寸10 m（宽）×14 m（高），总宽度52 m。泄槽收缩段长60 m，宽度由52 m渐变到40 m，纵坡为1∶7.8；泄槽长度为664 m，纵坡为1∶7.8；消力池长度为105 m，消力池边墙高度为4.0 m。

右岸泄洪洞开挖断面为马蹄形，衬砌后断面为内径11.5 m的圆形，衬砌厚度为600 mm。施工导流洞进口高程172.00 m。改建为泄洪排沙洞后采用 “龙抬头”形式将进口高程抬高至215.00 m，隧洞出口高程为168.00 m。

2 泄洪建筑物优化调整原则及方案

本工程地质条件较差，而泄洪排沙洞洞径较大，考虑到本工程左岸虽然缺少天然垭口，但地势相对低缓，较适宜修建开敞式溢洪道。综合分析左、右岸地形，地质条件和泄洪建筑物规模要求，并对原报告中的溢洪道及泄洪洞工程量及工程造价的分析，初步考虑通过优化导截流建筑物的形式，减小右岸导流洞规模，相应减小泄洪排沙洞工程规模，增加左岸溢洪道的泄流能力。根据上述思路初步拟定两种泄洪建筑物比选方案。

比选方案1：导流洞兼作泄洪洞。导流洞衬砌后内径由11.5 m缩减为10 m。导流洞改建为泄洪排沙洞后，PMF洪水时单洞过流能力由3 272 m3/s减少到2 385 m3/s，考虑到15%的富裕度后按2 000 m3/s计，右岸泄洪排沙洞总过流能力减少为4 000 m3/s。为满足泄洪总量达到7 200 m3/s，左岸溢洪道在PMF洪水时的泄流能力需满足3 200 m3/s，计入15%的富裕度后应满足3 680 m3/s。

比选方案2：鉴于泄洪洞直径11.5 m相对较大，考虑到本工程地质条件较差，隧洞围岩类别中Ⅳ～Ⅴ类围岩比例较大，导流洞不再兼作泄洪洞，则运行期洪水全部由溢洪道下泄。PMF洪水时溢洪道泄流能力按不少于7 200 m3/s设计，考虑10%的富裕度取整后按8 000 m3/s确定左岸溢洪道的规模。

本工程正常蓄水位对应库容为7.57亿m3，多年平均输沙量455.2万m3，库沙比为166<100，按中国规范不属于泥沙严重型水库，电站进水口底板高程233.0 m远高于214.0 m的70年淤沙高程，因此，可不设专门的排沙设施。本工程泥沙沉积率91.24%，排沙比约为8.76%，水库多年平均含沙量1.7 kg/m3，过机多年平均含沙量0.17 kg/m3< 0.27 kg/m3，可不设沉沙池；因此，从排沙运用方面看，本工程不设泄洪排沙洞是可行的。

3 方案比选

3.1 方案1泄洪建筑物设计

右岸泄洪洞洞径由11.50 m减小为10.00 m，工程量及工程投资将大大减少。

3.1.1 溢洪道控制段体型比选

左岸溢洪道控制段可通过降低堰顶高程或增加溢洪道过流宽度的办法，使其泄洪能力由2 000 m3/s增大到3 680 m3/s，为此拟定了4种溢洪道控制段体型的方案，各方案及泄洪能力详见表1所示。

分别计算上述4种方案的工程量，结果表明方案4的工程投资最经济，故方案1控制段体型采用方案4。

3.1.2 泄槽宽度及消能方式比选

左岸溢洪道泄槽段考虑两种方案，分别是保持原宽度40 m，以及将宽度增加到50 m。泄槽末端消能工分别对底流消能工和挑流消能工进行比较。

表1 溢洪道控制段体形方案表

根据《溢洪道设计规范》，通过泄槽水面线计算以及底流消能计算，控制段采用方案4时两种泄槽宽度情况下，泄槽深及消力池计算成果详见表2所示。

表2 不同泄槽宽度时底流消能计算成果表

采用挑流消能方式时，泄槽段长480 m，纵坡为1∶8。挑流控制段长20 m，挑坎顶高程185.07 m，反弧段半径20 m，挑角20°。根据挑流消能计算公式，挑流消能计算成果详见表3所示。

表3 不同泄槽宽度时挑流消能计算成果表 m

通过底流消能及挑流消能方案的工程量对比，结果表明挑流方案工程量较小，投资较少，故此阶段选定挑流消能方案。

泄槽宽度40 m和50 m的单宽流量分别为92 m3/s 和74 m3/s，根据表3可知，两个方案的冲坑深度与挑距比分别为0.25和0.22。由于本阶段地质资料较少，且下游冲坑位于河滩地，泄槽宽度50 m方案单宽流量较小，冲坑较浅偏于安全。

3.1.3 左岸泄洪方案的选择

经比较后，方案1采用的控制段体型为：堰顶高程261.6 m，闸孔宽度10.0 m，闸孔数4孔，总宽度52.0 m；泄槽段宽度为50.0 m，泄槽末端消能方式采用挑流消能的消能方式。

3.2 方案2泄洪建筑物设计

右岸导流洞内径为10 m，进口高程172.0 m，出口高程168.0 m，施工结束时对导流洞进行封堵，不再改建为泄洪洞。

根据左岸溢洪道泄流规模要求，溢洪道位置根据地形及地质条件在原溢洪道下游40 m处。根据方案1的比选成果，溢洪道末端采用挑流消能方式，不再进行挑流及底流消能的比选。参考国内设计规范，溢洪道末端挑流鼻坎设计洪水标准取50年一遇洪水标准，设计泄量为4 260 m3/s，PMF洪水时最大泄流能力满足8 000 m3/s。

方案2溢洪道采用控制段总宽度104.5 m，共6孔，每孔14.5 m （宽）×15 m（高）。溢流堰采用WES堰型，堰顶高程 262.95 m，每孔设一道弧形工作闸门，工作闸门前设一道平板检修闸门槽。泄槽段长480 m，泄槽宽度90.0 m，纵坡为1∶10。泄槽段后布置挑流鼻坎，挑流控制段长20.0 m，反弧半径20.0 m，挑角20°，鼻坎顶高程200.00 m。挑流鼻坎后接15.0 m长钢筋混凝土护底，护底末端设齿槽。

经计算，在下泄50年一遇洪水（Q＝4 260 m3/s）时，单宽流量53.25 m2/s，鼻坎断面平均流速29.93 m/s，挑距127 m，冲坑深29 m，冲坑与挑距比为0.23。在下泄PMF洪水时，单宽流量100 m2/s，挑距148 m，冲坑深40 m，冲坑与挑距比为0.27。

4 方案比选结果

经工程量计算，印度某水电站优化比选各方案投资对比见表4所示。

表4 印度某水电站各方案投资对比表万元

由表4可知，方案2工程投资最省。在满足最大泄流量的前提下，方案1比原方案的导流洞洞径减小，故工程投资减少；方案1中的溢洪道泄流量相较于原方案增加了，但由于降低了溢洪道堰顶高程并减小开孔宽度，故工程投资依旧减少了。方案2比方案1增加了导流洞封堵投资，并且加大了溢洪道规模，导致投资增加，但由于没有了泄洪洞改建投资，故总投资依旧低于方案1。另外，方案2运行期全部洪水从表孔下泄，导流洞封堵后没有高速水流问题，导流洞设计施工简单，降低了施工期地质风险，运行管理期问题较少。

根据本阶段基本资料，经综合比较后本阶段推荐采用方案2。