安哥拉某水电站溢洪道设计

2017-06-21

河南水利与南水北调 2017年5期

（黄河勘测规划设计有限公司）

安哥拉某水电站溢洪道设计

□萧燕子朱天平许昌陈丽刚

（黄河勘测规划设计有限公司）

某水电站位于安哥拉Queve河中游，为河流水电规划梯级开发的第三级水电站，是Queve河的控制性调节水库，其主要开发任务为发电。工程由面板堆石坝、溢洪道、放空洞及引水发电系统组成。溢洪道位于右岸天然垭口处，由引渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口水垫塘组成。通过溢洪道的设计，利用地形，减少了开挖量、降低了开挖边坡，节约了工程投资，解决了工程布置问题。

：溢洪道；混凝土面板堆石坝；安哥拉

1 工程概况

1.1 工程背景

安哥拉某水电站位于Queve河中游，是一座控制性调节水库，为河流梯级开发的第三级，主要任务为发电。电站总库容2.88×109m3，装机规模900 MW。

枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、左岸放空洞及生态基流电站、右岸引水发电洞及地下厂房，以及右岸溢洪道等建筑物组成。溢洪道属于一级建筑物，由引渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段、出口水垫塘5部分组成。

1.2 地形地质条件

坝址主河道一般直接出露灰白色中细粒花岗岩，多呈弱风化，岩体呈块状～整体结构，未发现缓倾角软弱夹层。坝址左、右两岸岸坡基本对称，岸坡坡度一般为20°～35°，多直接出露灰白色中细粒花岗岩，一般呈弱风化～强风化，岩体呈块状、整体结构，局部堆积少量崩坡积物，稳定性总体较好。

1.3 洪水条件

电站设计标准为10 000 a一遇洪水（P=0.01%），相应上游库水位为1 205 m，下泄流量3 480 m3/s；消能防冲设施设计洪水标准为100 a一遇洪水（P=1%），相应下泄流量为1 580 m3/s。

2 布置原则

2.1 溢洪道位置选择

坝址处河谷为V型谷，河道顺直，河谷切割较深，岸坡陡峻，右岸有天然垭口存在；此外如将开敞式溢洪道建筑物和放空泄洪洞等建筑物集中河床左岸一侧布置，将使建筑物布置复杂，干扰大，进出口位置协调困难，水流衔接条件差。

通过对建筑物布置条件的分析比较，初步确定将溢洪道建筑物布置在河床右岸天然垭口处，进出口利用大坝上下游右岸冲沟布置，末端与挑流鼻坎衔接，将水流挑入河道。

2.2 堰型及堰顶高程确定

溢洪道型式包括明渠泄槽溢洪道和堰型溢洪道等，明渠泄槽溢洪道多用于小型工程和非常溢洪道，不适用于该电站。堰型溢洪道分为宽顶堰、实用堰和驼峰堰等，宽顶堰过流能力较低，因此初步选择采用过流能力较高的开敞式WES型实用堰。

水电站正常蓄水位1 205 m，根据溢洪道泄洪规模要求及运用条件，同时考虑闸门及启闭设备能力，初步拟定溢洪道堰顶高程1 189 m。

2.3 闸孔数选择

通过溢洪道水力学计算，初步确定溢洪道闸孔总净宽。为使溢洪道设计方案经济合理，设计对不同闸孔数和单孔净宽的2 m×13 m、3 m×10 m两种布置方案初步比选。经技术经济分析，溢洪道初步选择采用2孔布置、单孔净宽13 m方案。

3 溢洪道结构设计

3.1 引渠段

进水渠位于右岸天然垭口处，距坝体较远，为取得良好的进水流条件，进水渠口顺直布置，底板高程1 175 m，进水渠全段等宽设置，底宽为30 m。

3.2 控制段

控制闸设2孔开敞式闸室，按一孔一联布置，控制段闸顶高程1 210 m，闸室长60 m，宽36 m，高44 m，单孔净宽13 m，缝墩宽为4 m，边墩宽为3 m；溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程1 189 m，堰高14 m。闸室设检修叠梁门一道，由闸顶门机启闭，弧形工作门一道，由液压启闭机启闭。经泄流能力复核计算知，孔口尺寸可满足泄量要求。

3.3 泄槽段

泄槽轴线与坝轴线夹角36.41°，采用直线布置。泄槽为矩形断面，宽度30 m，底板采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度根据泄流情况、地质条件和其它工程经验确定，初拟底板厚度1 m。泄槽纵向底坡根据水流控制要求和地形地质条件确定，设计选用首段泄槽底坡i=0.03，长678.30 m，末端采用i=0.18坡段与挑流鼻坎衔接，泄槽长588.70 m，泄槽缓坡与陡坡段间采用抛物曲线过渡连接，抛物线方程为Y=0.032X+X2/200。

泄槽开挖断面为矩形，底板及边墙采用钢筋混凝土衬护，底板厚1 m，边墙厚2 m。泄槽底板基础布置纵横向网状暗排水系统。

3.4 挑流鼻坎段

挑流鼻坎反弧半径40 m，挑射角28.50°，鼻坎顶高程1 048.20 m。鼻坎上游齿墙深入基岩3 m。边墙与底板采用整体式结构，边墙直立，底板厚4 m～7.10 m。鼻坎下接流道，使水流平顺流入库沃河中。

3.5 出口水垫塘

出口水垫塘采用挖深式布置，底板高程965 m，长310 m，上游及两侧边坡均为1：1，下游边坡1：1.50，池底衬护厚度3 m，池坡衬护厚度为2 m。水垫塘末端设防冲护坦和深齿墙。

4 水力设计

4.1 泄流能力

溢洪道泄流能力按校核洪水标准10 000 a一遇进行设计，相应流量为3 480 m3/s。

溢洪道为2孔布置，单孔净宽13 m，堰型采用WES实用堰，泄流能力采用规范规定的计算公式：

式中：B——溢流堰总净宽，m；

H0——计入流速水头的堰上总水头，m；

m——流量系数；

c——上游堰坡影响系数（当上游堰面为铅直时，c=1.00）；

ε——闸墩侧收缩系数。

经水力学计算，在正常蓄水位1 205 m时，溢洪道泄流量为3 524.40 m3/s，满足泄洪要求。

4.2 水面线计算和边墙高度计算

4.21 水面线计算

水面线采用分段求和法公式计算，泄槽陡坡曲线段近似按直线考虑。

4.22 边墙高度设计

边墙高度按宣泄校核洪水要求确定，同时满足水流掺气和安全超高要求。水流掺气后水深据公式计算：

安全超高根据规范确定，设计取1.50 m。

4.3 消能防冲设计

该水电站溢洪道的特点是高水头、高流速、大流量。为消除下泄水流的能量，保护建筑物下游不被淘刷，防止河床揭底联片冲刷，危及岸坡安全，采用挑流消能，水流挑入下游水垫塘。溢洪道最大泄量为3 480 m3/s，出口处水流流速高达41 m/s左右，水流携带巨大能量跃入水垫塘，将会对下游河床和岸坡产生严重的冲刷。参考已建工程设计，出于安全考虑，挑流消能设计采用钢筋混凝土人工衬护水垫塘防护。水垫塘按100 a一遇洪水标准设计。

溢洪道采用挑流消能型式，挑距L包括空中射程L1（挑流水舌外缘自鼻坎到下游水面的水平距离）、水下射程L2（水舌外缘与下游水面交点到冲坑最深点的水平距离）以及考虑一定水流漩滚长度L3三部分，总挑距L=L1+L2+L3。隧洞出口挑流消能水垫塘布置示意见图1。

图1 挑流消能水垫塘布置示意图

溢洪道挑流消能计算成果见表1。

表1 溢洪道挑流消能水垫塘计算成果表

从计算结果可以看出，跃后水深小于下游水深，水流能够在水垫塘内形成淹没水跃，末端不需要进行二次消能。

根据消能计算结果，水垫塘池底高程确定为965 m，上游边坡1：1，下游边坡1：1.50，两侧边坡1：1，池底钢筋混凝土底板厚度3 m。边坡995 m高程以下钢筋混凝土衬护厚度2 m。上游边坡995 m高程以上防护厚度1 m。水垫塘末端设防冲护坦，护坦长度50 m，衬护厚度1 m，末端设深齿防冲墙。水垫塘所有衬护系统均采用C25混凝土。水垫塘底板设有长锚杆与基岩连接，保证抗浮、抗滑稳定。水垫塘底板锚杆Φ32，L=7 m，间距2 m×2 m。