国内外泄洪消能建筑物设计综述

2020-01-06王康柱

水力发电 2020年9期

王康柱

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

水利水电工程对于安全要求高，泄洪消能建筑物在枢纽布置中占据重要位置，总结国内外泄洪消能建筑物设计可以发现，泄洪消能建筑物损坏率较高，虽然不会造成垮坝等重大事故，但建筑物局部破坏以及泄洪雨雾引起的边坡和河道冲毁，对工程安全也会造成一定威胁。特别是目前国内外很多水利水电工程运行超过数十年，泄洪消能建筑物及闸门出现了不同程度的破坏，有些水头较高的工作闸门开启风险较大，泄洪运行方式发生了变化。因此，及时总结国内外泄洪消能建筑物设计及运行出现的问题，以及泄洪规模分配、泄洪设施选择、工作闸门最大运行水头、生态流量及水库安全放空设施选择、消能防冲设计、泄洪消能建筑物破坏的修复等方面的设计运行经验，可为水利水电工程设计及运行管理提供借鉴。

1 泄洪消能建筑物设计

泄水建筑物应能满足工程安全运行的要求，建筑物运用应灵活可靠，其泄洪能力应满足宣泄设计洪水、校核洪水要求，应满足水库排沙、排污、排冰、生态放水、水库放空等要求。泄水建筑物的布置和结构形式，应根据地形地质条件、泄洪规模、水头大小、防沙、水库放空等综合比较后确定。

一般情况下，土石坝不允许水库水流漫顶翻坝以免造成垮坝等重大事故，而混凝土拱坝或重力坝自身混凝土结构允许水流翻坝，故土石坝和混凝土坝泄水建筑物布置有所不同。土石坝泄水建筑物形式主要有岸边溢洪道(洞)、岸边中孔(深孔)泄洪洞、排沙孔、生态放水孔、放空洞等；混凝土拱坝或重力坝泄水建筑物形式主要有以坝身泄洪为主的表孔溢流坝、中(深或底)孔、排沙孔、生态放水孔、放空洞等，以及除坝身泄洪之外的岸边溢洪道、岸边中孔(深孔)泄洪洞等。

1.1 开敞式溢洪道或溢洪洞

在地形有利的坝址，可采用开敞式岸边溢洪道或溢洪洞，在布置开敞式溢洪道确有困难时，也可采用进口为开敞式，下接明流隧洞(也可称“溢洪洞”)的形式。对于土石坝，泄水建筑物宜布置在岸边岩基上，以岸边开敞式溢洪道或溢洪洞为主，辅助布置泄洪隧洞明流洞或有压洞。

统计国内外岸边大流量泄洪洞相关数据[1]可知，开敞式溢洪道单孔泄量已经达到3 500～4 000 m3/s，堰上水头在20～22 m之间，已建工程单宽最大为积石峡水电站[2](15 m)，在建两河口水电站和双江口水电站单宽为16 m。目前国内外岸边开敞式溢洪道工作闸门孔口尺寸宽度最大达到16 m，高度最大21 m，工作闸门弧门推力很大，预应力闸墩的设计难度大，积石峡溢洪道预应力闸墩单根锚索达到5 000 kN级。

据统计[1]，国内外岸边开敞式溢洪道布置形式多为单孔单槽、二孔二槽、三孔三槽等，为了降低高边坡且减少投资可采用二孔一槽、三孔一槽、四孔一槽、四孔二槽、五孔一槽，但是，水流在闸墩尾部产生菱形波，泄槽内水流流态复杂，闸门运行也复杂。三板溪水电站为三孔一槽，梨园水电站为四孔一槽，天生桥一级水电站为五孔一槽，糯扎渡水电站为2个三孔一槽和中间1个二孔一槽，马来西亚巴贡水电站为四孔二槽或二孔一槽。溢洪道布置形式的选取应根据水工模型试验、泄洪运行方式、工程技术难度和经济性综合确定。

岸边开敞式溢洪道是一个超泄能力强安全度较高的泄洪消能建筑物，实际工程采用较多，需要引起重视的是泄槽底板在高流速脉动压力作用下揭翻底板而破坏。

1.2 坝身泄洪(溢流表孔、中孔或深孔)

对于混凝土重力(拱)坝(包括RCC碾压混凝土坝)而言，泄洪建筑物首先布置在坝身，一般为溢流表孔、中孔或深孔等，消能设施为水垫塘或消力池，目前坝身泄洪最大流量不超过30 000 m3/s控制；其次，布置岸边泄洪建筑物，一般为溢洪道或溢洪洞、泄洪隧洞明流洞或有压隧洞。

对于河谷狭窄的河床式厂房或坝后式厂房，泄水建筑物有时采用厂顶溢流，例如新安江水电站、漫湾水电站；有时布置厂内泄洪，例如黄河炳灵水电站、汉江蜀河水电站等。厂顶溢流的水垫塘和电站尾水结合，水垫塘检修与修复与发电过流矛盾突出；厂内泄洪进口与电站进口重叠，进口水流对拦污珊、检修门等影响较大，泄洪出口与电站尾水结合，消力池紊动水流对厂房尾水影响较大。坝身泄洪与坝后水垫塘结合，单位水体消能率应不大于20 kW/m3，如，白鹤滩水电站[2]拱坝坝后水垫塘单位水体消能率为17.08 kW/m3；水垫塘底板动冲击压强应不大于15×9.8 kPa/m3，白鹤滩、拉西瓦、小湾水电站等工程基本在控制之内。

1.3 岸边泄洪洞

岸边泄洪洞一般对土石坝、混凝土坝都适用。当拱坝或重力坝坝身泄洪无法满足总泄量时，需要布置岸边中孔或深孔泄洪隧洞泄洪。对于高坝，还起到了分层泄洪作用，泄洪运行更灵活方便。岸边泄洪洞布置一般分为有压短管进口接明流洞和有压洞接无压洞两种形式。

根据统计[1]，国内外岸边大流量泄洪洞安全运行多年，单洞泄量已经达到4 000～5 000 m3/s，水头(上、下游水位差)在150～200 m之间。按水库运行要求，泄洪洞闸门工作水头较高，基本在20～80 m之间，工作门孔口尺寸宽度最大到16 m，高度最大19 m，闸门的推力大，成为泄洪洞设计主要控制因素。白鹤滩水电站左岸泄洪洞弧门推力(水平推力)88 000 kN，溪洛渡水电站左岸泄洪洞弧门推力达到90 720 kN，为已建工程最大。为了降低弧门推力，泄洪洞也有采用双孔闸门，但是单洞双门存在中墩和两侧边墙收缩，使水流在墩尾产生菱形波，恶化洞内水流流态。美国胡佛大坝、中国洪家渡水电站、墨西哥奇科森水电站等工程采用单洞多门进水，但进水口流速小，对洞内水流扰动较小。

1.4 泄洪放空洞、放空洞、生态放水洞、施工后期导流底孔(洞)

近年来，国内水利水电工程将安全可靠和生态文明作为工程设计新理念。

土石坝水库要求设置泄洪放空施，混凝土拱坝、混凝土重力坝拦挡的水库也要求一定的放空水深。对于200 m以下的大坝，结合放空水库1/2库容，大坝承受的荷载可减少1倍，同时考虑到闸门运行安全性和泄洪建筑物高流速气蚀破坏等因素，闸门运行设计水头一般控制在90 m之内。青海黄河玛尔挡水电站混凝土面板堆石坝，考虑到坝前铺盖高程上30 m设置泄洪放空洞，考虑到满足潜水员30 m潜水深度、水库放空、参与泄洪等要求，工作闸室闸门设计水头为100 m。

从生态环保角度，施工期和永久运行期都要保持河流不断流，需要设置泄放生态流量要求的生态放水孔或洞。生态放水孔或洞，通常将施工期下闸蓄水不断流的生态放水孔或洞作为临时设施设置，将运行期永久生态放水孔或洞作为永久设施设置，有些工程合二为一，有些还参与水库放空或作为生态电站。根据环保部门要求，生态放水孔或洞仅参与施工期导流和水库放空，不参与水库泄洪。

当大坝超过围堰高程，一般工程在大坝较低位置设置导流底孔或洞[1]，满足工程度汛要求，同时，起到控制下闸闸门挡水水头不超过闸门制作水平和闸门槽支承混凝土结构不被破坏(目前国内下闸闸门挡水水头最高150 m)的作用。对于高坝，控制挡水水头意味着后期导流底孔或洞较长时间泄水，容易引起泄水建筑物空蚀破坏和泄洪雾化对两岸山体及道路的冲刷，所以，必须研究分期发电。鉴于导流洞封堵工期一般达到6个月以上，分期发电机组安装调试工期一定要尽可能缩短，这样才能够减少后期导流底孔(洞)泄水时间，避免泄水建筑物破坏和泄洪雨雾的影响。施工后期导流底孔(洞)施工期封堵，也可以作为放空洞预留。比如拉西瓦水电站，左底孔封堵；右底孔保留作为放空底孔，不参与泄洪，挡水水头132 m，运行水头90 m。小湾放空洞挡水水头达到160 m。

1.5 泄洪设施的泄量分配

泄洪消能方式选择依据水力学分析结果。泄洪消能水力设计分析影响因素较多，包括总水头、总能量、坝型、地形、地质、水库运行方式、应急安全情况、检修维修、河流的生态要求、当前水力学和金属结构闸门技术水平等综合考虑。泄洪设施布置遵循“分散泄洪、分区消能”的原则。

据表统计[1]，土石坝溢洪道和泄洪洞泄量分配，溢洪道泄量占42%～100%，泄洪洞泄量占15%～36%，故主要以溢洪道泄量为主，常遇洪水也是以溢洪道为主。分析原因主要有：一是溢洪道超泄能力强；二是低堰，工作闸门水头较低，弧门开启方便灵活；三是泄槽为明槽，高流速段掺气直接和大气相连接。

混凝土坝(包括RCC碾压混凝土坝)一般布置坝身泄洪为主，流量大的河流满足坝身泄洪的限定泄量，可布置岸边开敞式溢洪道(溢洪洞)，据统计[1]，高拱坝坝身泄洪泄量占比61%～100%，岸边泄洪洞泄洪泄量占比18%～39%。采取坝身泄洪为主的主要原因是，第一混凝土坝坝身泄洪消能区集中坝址下游，距离大坝较近，岩石坚硬完整，消能防冲设施为水垫塘，节省投资；第二超标准洪水翻坝不会造成大坝破坏；第三坝身孔口高流速段掺气直接和大气相连接。根据统计分析，高拱坝坝身泄洪泄量分配，校核洪水工况下，表孔泄量占比45%～64%，中孔泄量占比36%～55%；设计洪水工况下，表孔泄量占比35%～65%，中孔泄量占比37%～65%；表孔泄洪泄量偏大，中孔次之。主要原因是两层泄洪设施让水流纵向拉开，减轻集中冲击底板，底板冲击压力按15 m水柱控制。底孔基本不参与泄洪，主要作用是水库放空、施工期导流。表孔工作水头控制在9～16 m之间；中(深)孔工作水头控制在60～101 m之间；底孔工作水头控制在挡水水头120～160 m、操作水头80～120 m。

根据统计分析[1]，不论是土石坝还是混凝土坝，大部分岸边泄洪洞最大单洞流量为3 500～4 000 m3/s，目前国内外已建工程中，国外最大的是墨西哥奇科森水电站，为5 790 m3/s，国内是中国洪家渡水电站，为4 500 m3/s。上、下游水头差一般在71.6～206 m；工作闸门尺寸4.9 m×4.9 m～16 m×10 m之间，一般为13 m×13 m；工作水头18～75 m，一般为60 m；洞身断面尺寸在7.2 m×11.3 m～15 m×18 m，一般为14 m×18 m；最大流速34～53 m/s，一般为45 m/s。

2 泄洪消能建筑物设计存在的几个问题

2.1 水工隧洞设计存在问题

(1)高流速无压隧洞掺气水深问题。规范要求在掺气水面线以上的空间，宜为横断面面积的15%～25%。实际工程中，为了防止空蚀破坏，高速水流掺气减蚀是一种最有效地方法。但是，高速流掺气后表面形成水汽二相流，判断水面较难。目前，计算掺气水深的公式有断面平均流速公式、霍尔公式、王俊勇公式、王世夏公式等，各种公式都是从原型观测通过量纲分析得出来的，有一定的误差。虽然规范要求高速流做模型试验，但水汽二相流原型和模型无法做到相似，试验很难准确模拟。因此，对高流速无压隧洞进行掺气水深计算分析时，应尽量考虑各种公式适应范围和适用性。

(2)深埋有压或无压隧洞的外压问题[1]。深埋隧洞设计涉及到地下水引起外压的计算问题。例如，锦屏二级水电站引水隧洞洞径10 m，最大山体埋深2 525 m；引汉济渭输水隧洞洞径8 m，最大山体埋深2 000 m，地下水高于洞轴线最大超过1 100 m，平均600 m。根据地下水估算深埋隧洞的外压，出现过因估算值过大，无法进行隧洞衬砌结构设计，或因估算不足而导致衬砌破坏的工程实例。目前，深埋隧洞设计时主要依靠工程措施，以“防、排、截、堵”相结合的治理原则解决外压问题。隧洞围岩的固结灌浆可以减少灌浆圈内围岩渗透性，提高围岩整体性。锦屏二级水电站工程和引汉济渭工程引(输)水隧洞均采用“堵排结合，以排为主”的解决措施。

(3)导流洞改建为自由跌落或涡流式竖井式泄洪洞[1]。一般情况下，国内水利水电工程利用导流洞改建为“龙抬头”泄洪洞较多。国外在20世纪70年代修建了较多的竖井泄洪洞，印度尼西亚的查蒂努赫水电站采用直径90 m的薄壁竖井式泄洪道，水流经高108 m塔顶溢流跌至井底水垫塘，与引水底孔水流冲撞消能，经过水垫塘的璇滚再次消能后，流速降为20 m/s左右，消能效果较好；俄罗斯的卡姆巴金1号水电站有2条泄洪洞采用消力井的竖井内消能工，其消力井直径为10 m、井高48.3 m，总水头为240 m，竖井式消能总消能率可达85%～90%；前苏联查尔瓦克水利枢纽隧洞，其尺寸为10 m×11 m，设计流量超过1 200 m3/s，闸门水头为110 m，闸室外的流速为40 m/s；罗贡水利枢纽闸门水头200 m，流速为60 m/s，泄量2 400 m3/s，旋转水流相互作用，将急流状态转变为缓流状态，而且水深加大，泄水隧洞中流速降低到1/4。近年来，国内许多工程借鉴国外工程经验，利用导流洞改建为自由跌落或涡流式竖井式泄洪洞进行泄洪的工程越来越多。已建的冶勒水电站泄洪洞和放空洞受地形限制无法布置，采用竖井泄洪洞，垂直旋流，泄洪洞尾部与放空洞结合，旋流竖井消能率均在85%左右；已建的公伯峡水电站利用导流洞改建为竖井自由跌落结合水平涡流式旋流泄洪洞，水头为100 m，流量1 060 m3/s，为已建工程之最；已建的溪古水电站利用导流洞改建为竖井旋流泄洪洞，流量216 m3/s；已建的沙牌水电站的竖井旋流式泄洪洞，水头为88 m，最大泄量242 m3/s；在建两河口水电站和双江口水电站利用导流洞改建竖井泄洪洞，最大泄量1 300 m3/s，为在建工程之最；拟建玛尔挡水电站利用原导流洞改建生态放水洞，竖井式垂直旋流泄洪洞，下泄流量145 m3/s。对于高坝，泄洪水头较高，泄洪水流能量巨大，为了减少挑流引起大的泄洪雨雾对道路、厂房、开关站等造成危害，采用消能效果好的竖井泄洪洞是一个比较好的选择。

2.2 高速水流水力设计存在问题

水流流速大于15 m/s后，高速水流本身会出现空穴、掺气、脉动荷载等水力现象[4]，对水工建筑物的正常运行造成很大影响，国内许多泄水建筑物破坏与高速水流水力设计考虑不足有直接的关系。空穴就是高速水流在快速流动中产生负压泡，负压泡出现在水工建筑物表面，随机出现溃灭-产生，瞬态产生水力冲击，引起建筑物表面破坏，即空蚀破坏，其水力设计解决空蚀破坏最有效的措施为人工掺气。自然掺气就是高速水流和大气接触处带动气体混入水体表面形成水气二相流，由于掺气造成水体膨胀，对于开敞式溢洪道可能造成水流翻越边墙，导致无压泄洪洞净空不足，因此水力设计难点就在于确定水面线。对于有压隧洞，气体进入洞内，使得水流中饱含气体，然后在有压隧洞顶部聚集，在一些部位形成气囊，气囊占去隧洞断面的40%，导致该处的流速增大70%，在隧洞逸出时产生水力冲击，这种冲击力非常大，会对隧洞造成巨大破坏，其水力设计重点就是避免空气进入有压水流内部。流速和压力脉动荷载对水工建筑物正常运行影响很大，如果考虑不足，往往导致水工建筑物严重破坏，比如泄槽底板掀起，消力池或水垫塘底板破坏等，其水力设计一定要考虑高速流随时间脉动长期作用引起的结构疲劳破坏。

2.3 消能防冲设计存在问题[1]

泄洪建筑物消能防冲的方式主要有挑流消能、底流消能、面流消能、几种消能组合等。其中，岸边开敞式溢洪道消能防冲的方式主要有挑流消能、消力池消能、泄槽台阶消能等；泄洪洞主要有挑流消能、消力池消能、洞内消能等；坝身泄洪主要有挑流消能、消力池消能、水垫塘消能、坝后台阶消能、宽尾墩与消力池组合消能等。挑流消能优点是利用掺气将水流能量消杀，缺点是泄洪雨雾会影响下游边坡、道路、厂房及开关站安全运行。底流消能优点是避免下游泄洪雨雾，缺点是底流消能结构由于高流速水流的强紊动性，随着时间推移，易造成底板破坏。

泄洪消能建筑物破坏原因大致有：①高流速、含沙水流磨蚀底板混凝土表面留下凹坑，为进一步高速流气蚀提供了条件。②泄槽或消力池底板抗冲耐磨混凝土分层浇筑因浇筑层上下层之间弹模等性能的差异收缩形成层间缝、分缝位置不当、施工缝面形成冷缝、底板混凝土与基岩结合不好等导致水流进入缝面产生脉动压力，引起底板失稳破坏。③消力池水跃前段底板所承受反向动水上举力没有计入，造成基础锚固力不足，泄洪时底板被大面积冲毁，锚筋被拉断。④泄槽或消力池底板在紊动水流强烈作用下，“水流—结构”耦合振动导致结构疲劳破坏。⑤岸边溢洪道水跃常发生在泄槽陡坡上，脉动压力大，抵消了底板自重和抗浮锚杆的稳定效果，对底板稳定不利，设计时应计入脉动引起的动水压力。⑥泄槽或消力池底板的结构缝，施工时混凝土浇筑不密实或架空、止水损坏等引起动水进入底板下部，揭翻底板而造成破坏。⑦泄槽或消力池底板基础不良地质条件(断层、软弱破碎带)没有处理或处理不彻底引起底板破坏。我国的刘家峡、美国的奥罗维尔等溢洪道底板破坏就是典型事例。

泄洪消能建筑物设计和修复应采用新措施和新材料有：①对于较高水头的底流消能宜采用跌坎式消能池，尽量减小入池的流速，改变入池流速的方向达到掺气旋滚消能目的。②结构上对底板上游侧与基础的锚固按水流长时间紊动止水破坏引起倾覆破坏校核，可用预应力锚索(萨扬舒申斯克水电站重力拱坝消力池破坏修复曾采用过)、预应力锚杆(安康水电站重力坝消力池破坏修复采用过)、锚筋桩或锚杆。③对于抗冲耐磨层采用高强混凝土一次浇筑，尽量不分层浇筑，抗冲耐磨混凝土强度不宜超过C40。④结构设计上尽量不要分结构缝，底板混凝土体积较大采取温控措施控制裂缝。⑤消力池运行前检查不允许池内存留石渣、钢筋头等固体物，减少底板在高流速条件下的磨蚀破坏。⑦泄槽和底板严格控制不平整度。⑧泄水建筑物破坏修复时，往常采用的材料存在问题，高强干硬性砂浆、细石混凝土与老混凝土结合不好；硅粉混凝土施工抹面要求高且表面容易出现细丝缝；聚脲涂抹混凝土表面出现过高速流后，结构缝附近局部破坏表现为聚脲和老混凝土一块揭掉。2018年黄河上游梯级电站泄水建筑物修复采用改性环氧类混凝土、砂浆及表层涂抹腻子等新材料，效果较好。