新型宽尾墩联合消能技术在乌弄龙水电站的研究及应用

卞 全，李玉洁，朱展博，陈念水

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

0 前言

宽尾墩型式为中国科技人员首创，始于安康水电站，其后应用于五强溪、岩滩、百色、大朝山、索风营、思林、景洪、阿海、沙陀、马马崖、功果桥和鲁地拉等水电站。

经过30 多年的研究和开发，宽尾墩联合消能工在我国已得到蓬勃发展；宽尾墩型式及其与坝面台阶和挑流、底流、戽流等消能联合运行的工程相继建成，解决了一些大型工程中复杂的地质和水文条件下难以解决的高坝泄洪消能问题，极大减少消能工的造价并缩短了工期，创造了较好的经济和社会效益。

在宽尾墩的发展和应用过程中，一些工程曾出现底板破坏等问题。针对各工程不同的水力特点，宽尾墩的体型也在不断的改进，随着更深入研究，宽尾墩有更加广阔的应用前景。

1 工程概况

乌弄龙水电站[1]位于云南省迪庆州维西县巴迪乡境内的澜沧江干流上，上、下游分别为如美和里底水电站。坝址控制流域面积8.59 万km2，多年平均流量749 m3/s，多年平均径流量234.3 亿m3。乌弄龙水电站以发电为主，水库总库容2.84 亿m3，正常蓄水位1906.00 m，调节库容0.36 亿m3，为日调节水库，电站装机容量990 MW。工程于2009 年11 月开工建设，2014 年11 月成功截流，2019 年7 月最后一台机组投产发电。

枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔、泄洪底孔、右岸引水发电及地下厂房系统等组成。最大坝高130.5 m，坝顶轴线长度247.1 m。

3 孔泄洪表孔布置在主河床，2 孔底孔分别布置在表孔坝段的两侧（左孔为泄洪底孔，右孔为生态放水孔兼泄洪底孔）。表孔的堰顶高程为1885.0 m, 孔口尺寸为15 m×21 m（宽×高），3 孔最大泄量10466 m3/s, 采用宽尾墩+坝面台阶+戽式消力池联合消能。泄洪底孔和生态放水孔进口底板高程均为1835.0 m，工作闸门尺寸均为3.5 m×6 m（宽×高），单孔最大泄量639 m3/s，采用挑流消能。

2 泄洪消能方案

（1）泄水工程特点

乌弄龙水电站与泄水相关的工程特点为：①澜沧江洪峰流量大、洪水历时长；②河谷狭窄、顺直呈“V”型，右岸山坡陡峻，坝址下游岸坡覆盖层较厚、范围较大；③挡水坝采用碾压混凝土重力坝，最大坝高130.5 m；④泄洪单宽流量大，泄洪水头高、尾水相对较浅、洪枯时下游水位变幅大，消能问题很突出。

（2）泄洪建筑物的布置初拟

工程运行条件：电站主要任务是发电，无灌溉和供水要求；入库沙量相对较小，水库泥沙淤积不严重；由于生态保护的需要，本工程需设置生态放水孔。

考虑坝体为碾压混凝土重力坝，从泄洪安全考虑，泄洪建筑物采用典型的布置格局：以坝身表孔为主、底孔为辅的泄洪方式；按照“集中泄洪、分散消能、按需防护”的原则布置消能防冲建筑物。

（3）泄水建筑物方案

由于坝址处河床较窄,底孔及生态放水孔分列表孔两侧,底孔采用长泄水道及挑流消能方式。

表孔[2]拟定了3 种不同的消能方式、5 个方案的对比研究，从消能效果、下游流态、运行安全、工程投资等方面综合考虑,宽尾墩+坝面台阶+戽流消能方案具有水流雾化轻、消力池短,较好适应坝址区的地形地质条件,工程投资较省的特点,优势明显,因此选用表孔宽尾墩+坝面台阶+戽流消能方案。校核洪水位、设计洪水位以及消能防冲标准时对应的淹没度分别为1.20、1.13，1.25，下游水深满足宽尾墩消能的要求。

3 新型宽尾墩组合消能技术

（1）目前宽尾墩不宜单孔全开运行

宽尾墩作为一种消能工，已在许多大中型水利水电工程得到应用。宽尾墩改变了传统二元水跃底流的消能形式，将挑流与底流结合起来，形成空中掺气、池中多轴漩滚的三元水跃，消能率大为提高，消力池长度可大幅缩短，具有显著的经济效益。但工程运行与研究发现，宽尾墩仍存在流量适应性差、底板冲击压强大等问题。

X 型宽尾墩是宽尾墩技术的重要进步，是在宽尾墩底部开口所形成的新型宽尾墩。结合现代RCC 施工技术，X 型宽尾墩＋台阶堰面＋消力池的联合消能技术，实现了宽尾墩与台阶堰面的有机结合；不但充分利用台阶的消能作用，而且避免台阶坝面出现负压[3]。但是，当表孔单孔全开泄洪时，X 型宽尾墩的跌落水舌未经碰撞，消能效果差，消力池底板可能产生一些损坏[4]。因此，目前研究的X 型、Y 型等宽尾墩消力池基本不允许单孔全开运行[5]。

（2）乌弄龙水电站可能单孔全开运行

乌弄龙水电站主要任务是发电，年内径流不均，电站有排漂运行要求。若采用两孔表孔或三孔同步开启泄洪，对调度运行要求较高，运行不灵活；因此，在实际运行中单孔有全开运行工况。为此，应在设计中考虑单孔全开运行工况，并保证单孔全开运行时不出大问题。

在乌弄龙水电站的水工模型试验中，着重研究X 型宽尾墩体型，进行超过20 个方案的体型修改试验[6]，表明X 型、Y 型宽尾墩技术都不能彻底解决单孔全开泄洪时的水力问题，为此需研究新型宽尾墩，通过水工模型试验来研究、解决和验证。

4 调整及成果

4.1 修改和调整

为解决表孔单孔全开的问题，对乌弄龙水电站的表孔进行了以下体型修改和调整：①中间孔采用小挑坎方案；②中间孔采用双窄缝方案；③中间孔采用优化X 型宽尾墩；④宽尾墩流态与底板脉动压强协调；⑤戽池体型与宽尾墩体型协调；⑥宽尾墩位置调整。

但依靠X 型、Y 型宽尾墩技术难以彻底解决问题，特别是单孔全开泄洪时，消力池底板脉动压强大，底板易出现破坏。

4.2 优化后成果

通过不断摸索，大胆试验[7]，针对乌弄龙水电站的实际情况，推荐泄洪表孔[8]的中间孔采用I 型宽尾墩、两边孔采用改进的X 型宽尾墩（见图1～图4）。

5 泄洪表孔的最终布置设计

泄洪建筑物布置在主河道，由3 孔表孔、1 孔底孔、1 孔生态放水兼非常泄洪底孔组成。表孔坝段总宽80 m，堰顶高程1885.00 m，堰面为WES 曲线，中墩厚5 m，边墩厚4 m（见图1 和图2）。经水工模型试验研究确定，最终表孔全部采用宽尾墩，其中两边孔为不对称结构（改进的X 型宽尾墩），从距闸墩末端14 m开始过渡为宽尾墩，宽尾墩的收缩比为0.467；中间孔为对称结构（I 型宽尾墩），从距闸墩末端13 m 开始过渡为宽尾墩，宽尾墩的收缩比为0.413。宽尾墩的下方开口高度为2.4 m（见图2）。

两边孔的外侧尾墩宽度4.55 m，内侧尾墩宽度3.45 m，缩窄后的表孔流道宽度为7 m。中间孔宽尾墩对称布置，尾墩宽度4.40 m，缩窄后的中间孔流道宽度为6.2 m。边表孔和中间孔的宽尾墩尺寸见图3 和图4。

为了方便碾压砼坝体施工和小流量泄流消能，设置了台阶式坝面。为台阶坝面补气，在WES 堰面末端设置一个高2.0 m的掺气挑坎，掺气坎尺寸为2.0 m×0.86 m（高×宽）。台阶为内凹型，共32 级，台阶尺寸为1.2 m×0.864 m（高×宽）。最末一级台阶以下采用1∶0.72 的斜线段与半径为15 m 的反弧相切，反弧终点与消力戽池底板相连。消力戽池的水平段长度41 m，宽度为55 m。戽池末端设墩式连续尾坎，坎高10 m，尾坎下游采用护坦和护岸与原河道衔接（见图2）。

图1 泄洪建筑物平面布置图

图2 泄洪表孔的中间孔纵剖面图

为避免台阶破坏，在首个台阶顶部设置掺气坎、台阶采用高强混凝土、加强台阶细部结构配筋、台阶设置10 cm 的倒角、坝面下部台阶改为光滑坝面等方式处理。

图3 表孔宽尾墩下游立视图

图4 表孔宽尾墩侧视图

6 实际泄洪情况

2018 年11 月初，乌弄龙水电站开始水库蓄水发电。经过近两年的泄洪验证，表孔、底孔及消力池运行总体良好，宽尾墩、堰面、台阶等流道未发现结构损坏情况。下泄较大流量时，表孔的堰面和消力池内水流流态较平稳，对下游河岸冲刷较小。

7 结语

澜沧江乌弄龙水电站的泄洪表孔采用“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”联合消能工技术。泄洪表孔的中间孔采用I 型宽尾墩、两边孔采用改进的X 型宽尾墩，以及坝面台阶、戽式消力池的布置与联合消能技术，解决了宽尾墩不能单孔全开运行、消力池底板脉动压强大、底板及台阶易破坏等问题。经过泄洪过水检验，运行情况良好，可为国内同类工程积累了科研及实践经验，提高此类消能型式的安全可靠性。