乐昌峡水利枢纽拦河坝泄流消能防冲设计

李少科

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 工程概况

乐昌峡水利枢纽位于广东韶关乐昌市境内的北江支流武江上，是北江上游及韶关防洪安全不可替代的关键性防洪控制工程，是一座以防洪为主，结合发电，兼顾航运、灌溉等综合利用的水利枢纽工程。坝址以上集雨面积为4 988 km2，防洪库容为2.11亿m3，总库容为3.44亿m3，电站装机容量为132 MW，工程等别为II等，规模为大(2)型，主要建筑物级别为2级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇。

枢纽主要由拦河坝、输水系统、地下厂房等建筑物组成。拦河坝为碾压混凝土重力坝，由溢流坝段和非溢流坝段组成，坝顶高程为164.2 m，最大坝高为84.2 m，坝顶长度为256.0 m，坝顶宽度为7.0 m。溢流坝共5孔，单孔净宽为12m，采用收缩边墩+宽尾中墩+差动式鼻坎挑流消能，拦河坝下游立视如图1所示。输水发电系统布置于大坝左岸山体内，采用1管1机布置，厂内安装3台单机容量为44 MW的水轮发电机组。

图1 拦河坝下游立视示意(单位：高程m,尺寸mm)

枢纽主体工程于2009年6月开工建设，2012年3月下闸蓄水，2013年6月3台机组全部投产发电，目前枢纽已安全运行8 a。

2 地形地质条件

坝址处河面狭窄，枯水期宽为60～70 m，河床高程约为89～93 m。正常蓄水位154.5 m高程对应的河谷宽度为170～220 m。两岸山体雄厚，地形较对称，横剖面上呈较开阔的“V”型，左岸山坡坡度为35°～40°，右岸山坡坡度为40°～45°。

坝址河床岩性以青灰、深灰绿色厚层变质石英砂岩为主，夹浅灰色变质粉细粒石英砂岩和薄层状绢云母板岩，岩层产状总体走向为NW、倾向NE，受断层F1、F6、F7、f5和向斜褶皱影响产状变化较大，岩质坚硬，裂隙较发育，岩体完整性一般～较好，整体呈弱风化状，局部断层及其影响带为强风化岩。左岸岸坡岩性为灰黑、灰绿色中厚层石英砂岩、粉砂岩，岩体整体为弱风化，断层发育部位为强风化状，岩体较完整。右岸岸坡岩性为灰绿、青灰色中厚石英砂岩、粉砂岩，夹薄层状板岩，近坝区以弱风化为主，完整性较好，下游端层理裂隙发育，岩体较破碎，完整性较差，基础均为强风化岩，未能挖至弱风化岩体。

3 溢流坝设计

3.1 设计难点与特点

1) 坝址两岸地形陡峭，地层岩性为砂岩，裂隙构造发育，右岸边坡岩体为顺向坡，地质条件较差，两岸岩体稳定及抗冲能力较弱，需尽量减小冲刷坑范围和深度，且下游河床狭窄，溢流坝宽度受河床宽度的限制。

2) 拦河坝与电站尾水隧洞出水口、厂房交通洞口等相距较近，需严格控制水舌挑距及冲刷坑深度，减少泄流雾化对边坡及厂房运行的影响，以保证拦河坝、下游边坡稳定及电站出水口安全。

3) 大坝下泄流量大，校核流量达8 470 m3/s；在低水位(汛限水位)时仍需下泄流量为3 190 m3/s，导致较低的堰顶高程和较高的孔口高度。

3.2 防洪调度方式

乐昌峡水库与浈江湾头水库联合调度[1]，共同保护下游防洪安全。为了充分利用浈江湾头水库的防洪库容，湾头水库采用凑泄方式，乐昌峡水库采用分级控泄的方式，在汛期4—8月以汛限水位为144.5 m起调。乐昌峡水库调洪原则如下：① 当乐昌峡来水小于3 190 m3/s时，乐昌峡水库按天然来量泄放；② 当乐昌峡来水大于3 190 m3/s，且湾头水库来水小于5 800 m3/s时，乐昌峡水库根据库水位进行分级控泄；③ 当湾头水库来水大于5 800 m3/s时，乐昌峡水库按机组满发流量泄放；当乐昌峡水库水位超过校核水位162 m时，考虑水库安全，按不大于入库洪峰流量泄放。

3.3 堰顶高程及泄流净宽选择

根据水库调洪原则，溢流坝除承担下泄设计、校核流量3 900 m3/s、8 470 m3/s外，还应满足下泄设计以下各级流量和常遇下泄流量的任务，特别是满足汛限水位为144.5 m时下泄3 190 m3/s的要求。

坝址处地形狭窄，选择合理的溢流坝宽度尤为重要。根据枢纽运行调度要求及坝址的地形条件，结合类似工程经验和本工程挡水高度，溢流坝单孔净宽拟定为12 m，选取了4孔、5孔、6孔即对应的过流总净宽和堰顶高程分别为48 m、60 m、72 m和133.3 m、134.8 m、135.9 m 3种方案进行比选，经投资估算，溢流坝孔数越少，工程直接投资越少；溢流坝孔数越多，工程直接投资越多。

5孔溢流坝总长度为78 m，其长度比枯水期河床宽度略宽，考虑溢流坝两侧边墩的收缩，5孔溢流坝渲泄洪水时对下游的影响较小；4孔溢流坝总长度为63 m，小于枯水期河床宽度，渲泄洪水时的单宽流量增加，冲刷坑的影响范围增大直接影响发电尾水出口的安全，导致出水口需适当下移，尾水隧洞增长，既不利于水力过渡过程，又增加工程投资，另外下游两岸边坡防护范围也相应增加；6孔溢流坝总长度为93 m，超出河床宽度较多，即使边墩收缩至河床宽度，其收缩率较大，将影响溢流坝的水流流态，反弧段的紊动加剧，不利于工程安全，同时工程投资增加；综上分析，从节省工程投资、利于下游消能防冲及边坡稳定、奇数孔方便运行调度的角度，选择了5孔每孔净宽为12 m、堰顶高程为134.8 m的溢流坝方案。

3.4 溢流坝体型设计

图2 溢流坝典型剖面示意(单位：高程m，尺寸mm)

3.5 溢流坝布置

溢流坝共布置5孔，每孔净宽为12 m，溢流前沿总净宽为60 m，中墩、边墩厚均为3.0 m，溢流坝段总长度为78.0 m。由于溢流坝堰顶较低，为降低闸门挡水高度，采用双胸墙与弧形闸门共同挡水的形式，鉴于本大坝未设置排漂设施，考虑在汛限水位时由溢流坝排漂，在满足过流能力的情况下，胸墙底部高程比汛限水位高1.0 m，胸墙顶与坝顶齐平，相应孔口高度为10.7 m。闸门挡水最大水头为28.2 m，单孔闸门门叶重约250 t，单孔总水压力达31 000 kN，为省内最大。交通桥位于事故检修门槽的下游侧，桥面净宽为7.0 m。

每孔溢流坝均设弧形工作门1扇，在中墩、边墩下游侧闸墩内布置固定液压式启闭机，操控弧形闸门启闭。在工作弧形门的上游侧设置1道检修门槽，5孔共用事故检修门1扇，由坝顶移动式门机控制启闭。设置1扇排漂闸门方便排漂，与检修闸门共用门槽，并在左边孔设置有排漂闸门门库。

3.6 消能防冲设计

根据工程实际情况及分析研究[9-10]，并结合水工模型试验[6-8]成果，溢流坝采用收缩边墩+宽尾中墩+差动式鼻坎挑流的综合消能工。

溢流坝边墩收缩可减小溢流坝泄流时水流对下游两岸山体的冲刷和近坝区发电尾水出口的影响。边墩分别在坝纵0+017.000、坝纵0+028.000断面收缩，对应收缩角分别为4.677°和8.656°，溢流总宽度由前缘的78.0 m缩小到60.0 m，减小了挑射水舌入水断面的宽度。

溢流坝中墩尾部采用宽尾墩，可使水流呈水冠状，形成高而窄的水舌跃起，往下游挑射，有利于空中碰撞、掺气消能。闸墩在坝纵0-013.100～坝纵0+017.000中墩厚度均为3.0 m；坝纵0+017.000～坝纵0+028.000中墩厚度由3.0 m对称加厚至5.3 m，坝纵0+028.000～坝纵0+028.500中墩厚度为5.3 m。

溢流出口采用高低坎差动式鼻坎体型，让水流尽可能在空中碰撞、掺气消能及下游入水断面的纵向拉开，减小挑射水舌对两岸边坡以及电站尾水的冲刷；经多年运行验证，消能充分效果良好。

3.7 挑流消能水力计算成果及下游岸坡防护

拦河坝下游为裂隙较发育的弱风化石英砂岩，冲刷系数k取1.1。针对校核洪水位和设计洪水位、汛限水位情况下泄流量及各级常遇流量的挑流水舌抛距、最大冲坑深度计算[2-5]可知，溢流坝挑流形成的最大冲刷坑深度为10.5 m，相应水舌抛距为120.9 m。水工模型试验验证在下泄设计流量为6 860 m3/s时，水舌挑距为110 m，冲刷坑深为13 m，较计算值大；河床面为弱风化岩，按1:2.5的边坡考虑，按最不利情况冲刷坑边坡顶部至溢流坝坝趾、发电尾水洞出水口上游边墙的距离均大于20 m，不会危及大坝和发电出水口的安全。

溢流坝和放水底孔泄流时，下泄水流流速、流态及剩余能量，将对河床及两岸岸坡产生冲刷。为保证岸坡稳定不影响上部道路交通和边坡安全，下游两岸岸坡消能防冲设计标准按照50年一遇洪水高程以下采用厚度不小于0.8 m的钢筋混凝土护坡，护脚底部嵌入弱风化岩，对于右岸弱风化埋深较大的特殊地段，采取冲孔灌注桩和预应力锚索加固处理。

3.8 抗冲防裂设计

溢流面最大泄流流速为30 m/s，为提高溢流面耐磨和抗冲刷的能力[12]，减少溢流面表面裂缝，确保溢流面的完整性、耐久性和运行的安全性。溢流面采用C30混凝土混外掺40 kg/m3的钢纤维和0.9 kg/m3的聚丙烯纤维，在满足施工振捣的情况下尽可能降低水灰比等措施。实践证明混掺钢纤维和聚丙烯纤维后，降低了混凝土的干缩性，提高了混凝土抗拉强度和抗裂性能，具有良好的抗碳化性能，减轻了混凝土的碳化深度，从而提高溢流面的抗冲耐磨能力。

3.9 溢流坝消能防冲分析

拦河坝建成运行至今，最大下泄为2 600 m3/s，根据水下测量及扫描成像结果[11](见图3)显示此时冲刷坑位置与计算基本相符，但冲刷坑深度[13]较计算值大，说明冲刷坑位置的岩石冲刷系数较计算取值大，经反演复核，岩石冲刷系数[14]为1.44，属于交易冲的岩石，现场冲刷坑位置与F6、F72条断层位置吻合。当岩石整体冲刷系数为1.44的极端情况下，计算校核洪水位时冲坑底高程为71.2 m，设计洪水位时冲坑底高程为76.38 m。根据监测数据，现场冲刷坑位置河床平均高程约为84.7 m，此时对应综合岩石冲刷系数为1.25，计算校核洪水位时冲坑底高程为77.1 m，设计洪水位时冲坑底高程为80.54 m。在后续大坝泄流次数增加的情况下，下游河床整体下降的幅度不大，不会危及大坝的安全。实践表明，下游岩石冲刷系数的选取需要综合考虑岩石风化程度、裂隙发育情况及断层破碎带的影响后选取，才能实际反映冲刷坑深度。

图3 下游冲坑分布示意

4 结语

乐昌峡水利枢纽工程的泄流消能防冲设计克服了地形地质等客观条件的制约，在满足各工况泄流要求的前提下，重点从技术、经济、安全等角度分析研究消能防冲方案，提出了溢流坝收缩边墩+宽尾中墩+差动式鼻坎挑流的综合消能工。枢纽多年安全运行表明，溢流坝泄流消能充分、安全可靠，冲刷坑位置、深度与计算基本吻合，工程结构整体稳定，验证了消能防冲设计布置的合理性和可靠性。乐昌峡水利枢纽工程消能防冲设计的成功经验，对于峡谷地形条件下的泄流建筑物消能防冲设计具有一定的借鉴意义。