扎拉水电站泄洪消能型式比选研究

2024-01-11陈兴,周华,王智娟,黄红飞,胡中平,南江涛

人民长江 2023年12期

陈兴,周华,王智娟,黄红飞,胡中平,南江涛

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010; 2.国家大坝安全工程技术研究中心,湖北武汉 430010; 3.长江科学院水力学研究所,湖北武汉 430010; 4.西藏大唐扎拉水电开发有限公司,四川成都 610000)

0 引言

随着中国水电资源开发不断向西部推进,“十三五”期间及后续水电开发主要集中在青藏高原及其边缘地带,其中藏东南水电基地是重点之一。藏东南地区地处高山峡谷高地震烈度区和生态脆弱地区,水电工程枢纽布置和泄洪消能设计在处理复杂工程地质条件的同时,通常还面临排沙和生态放水等需求,这就对泄洪消能建筑物的布置选型及运行调度安全提出了更高要求。在具备条件的情况下,混凝土坝宜尽可能在坝身布置泄洪孔口,以满足泄洪、排沙、放空等多种功能,其中底孔在体型布置、消能效果与运行方式上通常比表孔更为复杂[1]。狭窄河谷地区混凝土坝的泄洪消能方式主要以挑流消能、空中消能、底流消能为主[2-4]。果多水电站在泄洪坝段设有3个溢流表孔和1个泄洪冲沙孔,采用“Y型宽尾墩+消力池”的综合消能方式[5];叶巴滩水电站全坝身布置5个表孔和4个深孔,采用水舌空中无碰撞消能方式[6];卡拉水电站具有狭窄河谷、坝身泄流、边坡卸荷发育的特点,结合水工模型试验对底流和挑流两种消能型式进行比选,最终选择了“宽尾墩-跌坎消力池”的底流消能方案[7]。相比已建工程泄洪消能建筑物通常面临的地形地质、大流量等单一或二元约束,西藏地区河谷狭窄、地质条件复杂、建筑物类型多、生态环保要求高等多重约束条件叠加下的泄洪消能设计研究较少。为此,本文拟依托西藏首座百万千瓦级水电站——扎拉水电站工程,结合水力学模型试验及技术经济比较等手段,从水力学条件、枢纽布置、泄洪雾化、施工条件、经济性等方面优选合适的泄洪消能布置方案,为同类工程设计和科研提供参考。

1 工程概况

扎拉水电站为玉曲河干流综合规划的下游梯级电站,采用混合式开发,坝址位于西藏自治区昌都市左贡县碧土乡扎郎村附近,厂址位于林芝市察隅县察瓦龙乡珠拉村。水库正常蓄水位2 815.00 m,校核洪水位2 816.25 m,总库容914万m3。电站总装机容量1 015 MW(含生态电站15 MW),多年平均发电量38.41亿kW·h(含生态电站电量0.86亿kW·h)。

首部枢纽主要建筑物由挡泄水建筑物、主电站进水口、生态电站、鱼道等组成。挡水建筑物为混凝土重力坝,坝顶高程2 820 m,最大坝高70 m。枢纽挡水、泄水建筑物采用重现期500 a洪水设计、重现期2 000 a洪水校核,相应洪水流量分别为1 430 m3/s和1 840 m3/s;消能防冲建筑物按重现期50 a洪水设计,相应洪峰流量1 140 m3/s。坝址河谷狭窄,两岸岸坡较陡,河道较顺直,坝址基岩主要为砂质板岩,无强风化带,弱风化带厚5～22 m;临河岩质岸坡表层分布强卸荷带岩体,厚2 m左右,弱卸荷带厚2～12 m;左岸为顺向坡,右岸为逆向坡。上述条件表明,该工程首部枢纽具有非对称狭窄河谷、建筑物布置紧凑、地质条件复杂、兼顾生态的特点,泄洪消能设计是此工程的关键技术问题之一。

2 泄洪消能建筑物布置

扎拉水电站为混凝土重力坝,该工程泄洪规模不大,泄洪设施全部布置在河床坝段即可满足工程泄洪需求,且坝身具备布置泄洪孔口条件。水库总库容相对较小,调节能力有限,泄洪频繁,需确保泄洪建筑物运行灵活,安全可靠。为尽量减少含沙水流对水轮机的磨损,综合泄洪、排漂、排冰及排沙要求,结合技术经济比选结果,选定坝身布置1个表孔+2个底孔的联合泄洪方案。

表孔为开敞式溢流堰,跨河床坝段横缝布置,堰顶高程2 805 m,孔口尺寸7 m×10 m(宽×高),下游堰面采用WES幂曲线。底孔布置在表孔两侧,采用有压短管型式,由进口段、压坡段和明流段组成,进口底高程2 770 m,孔口尺寸4.5 m×6.0 m(宽×高)。

泄洪排沙运行方式如下:当洪水来量不超过正常蓄水位相应泄量时,按洪水来量控泄以维持坝前水位不变;当洪水来量大于正常蓄水位相应泄量时,采用敞泄方式,按相应频率洪水泄流能力下泄,多余洪量存蓄库中,坝前水位相应抬高。汛期6～9月为主要来沙期,库水位自正常蓄水位降至排沙运行控制水位,采用控泄方式排沙[8]。

3 消能方案拟定

3.1 消能型式拟定

扎拉水电站泄洪建筑物的最大单宽泄量为136.67 m3/s,坝下水垫最深约45 m,具备挑流消能的水力条件。河床基岩为砂质板岩,弱风化岩石属较软岩,薄层状结构完整性差,抗冲刷能力较差,微新岩石较完整,具有一定的抗冲刷能力,两岸边坡弱风化、卸荷岩体抗冲刷能力较差。受右岸的生态电站和鱼道进鱼口、河床左侧生态放水孔、左岸导流洞出口布置及右岸陡倾顺向岩质边坡限制,底流消力池长度须控制在120 m以内。

针对以上地形地质条件和边界条件,初拟采用挑流和底流2种消能型式进行比选。该工程河床狭窄,为充分利用水垫厚度和岩石的抗冲能力,在保证大坝和河岸稳定的前提下,选取坝后“短护坦+护岸不护底水垫塘”为挑流代表方案;参考国内类似工程经验,采用坝后消力池消能作为底流代表方案。

3.2 比选方案设计

需要说明的是,两种消能型式在设计比选过程中都结合模型试验成果进行过局部结构优化。鉴于篇幅限制,本文将优化后的最终方案作为两种消能型式的代表性方案展开介绍。

3.2.1挑流消能方案

表孔末端挑流鼻坎采用燕尾式消能工,挑角20°,底孔末端挑流鼻坎采用贴角方案,挑角15°。生态放水孔采用有压短管型式,工作门后为无压段,下游采用WES幂曲线,末端挑流鼻坎挑角15°。

坝趾下游设置短护坦,护坦顺流向长20 m,厚2 m,采用锚筋桩进行锚固。消能区采用护岸不护底防护型式,两岸采用“钢筋混凝土板+系统锚杆+锚索”进行防护。左岸防护结合导流洞出口进行,右岸结合鱼道开挖一直防护到挑流冲坑下游拐弯处。两岸护坡板底部高程伸入最深冲坑以下3 m,护坡齿墙最深底部高程2 733 m,上下游逐渐起坡,如图1～2所示。

图1 挑流消能方案平面布置Fig.1 Plane layout of ski-jump energy dissipation scheme

图2 挑流消能方案典型剖面(尺寸单位:cm)Fig.2 Typical profile of ski-jump energy dissipation scheme

3.2.2底流消能方案

表孔WES幂曲线下接1∶0.75直线段与60 m圆弧,再接1∶2直线段和半径20 m反弧段,反弧末端高程2 752.50 m,接下游消力池平直段。底孔明流段跌坎高程2 768.80 m,接半径75m圆弧,后段衔接消力池体型与表孔一致。生态放水孔无压段采用台阶消能型式,出坝面后以明渠型式布置于消力池左边墙顶部,水流排泄至消力池尾坎下游,出口末端左侧小贴角,并设置挑流鼻坎往河床偏转。下游出口采用挑流消能,挑坎高程2 758.95 m,鼻坎采用左侧贴角方案,挑角15°。

底流消能消力池采用矩形断面,总长度105 m(含表、底孔坝外下坡段24.89 m)。桩号0+55处消力池宽度31 m,往下游右侧逐渐扩宽,至桩号0+73处(生态电站厂房起点)消力池宽度34.5 m,桩号0+73～0+160间消力池宽度均为34.5 m。消力池底板厚2 m,底板顶高程2 752 m,消力池池深3.5 m,尾坎顶部平台宽5 m,消力池尾坎末端桩号0+160。为使推移质顺利排出消力池,尾坎出口在池内采用1∶2.5斜坡与消力池底板衔接(见图3～4)。

图3 底流消能方案平面布置Fig.3 Plane layout of hydraulic jump energy dissipation scheme

图4 底流消能方案典型剖面(尺寸单位:cm)Fig.4 Typical profile of hydraulic jump energy dissipation scheme

消力池左岸高程2 770 m以下边坡采用“钢筋混凝土板(边墙)+锚筋桩+系统锚杆+锚索”的综合支护方式,高程2 775 m以上边坡仅进行系统挂网喷锚防护。

4 消能型式比选

泄洪安全影响到首部枢纽建筑物的安全和稳定运行,本文采用水工模型试验对泄洪消能型式进行比选,重点通过分析两种方案下的水流流态、压力特性、流速分布、河床冲刷等水力特征来研究其对下游建筑物结构和运行安全的影响。

4.1 水工模型试验

4.1.1试验条件与工况

本文采用1∶30整体模型试验对消能建筑物布置和体型进行对比研究[9],模型涵盖坝址上游地形1 000 m,下游地形800 m范围(见图5)。整体模型采用正态比尺,几何模型比尺Lr=1∶30。试验工况如表1所列。

图5 扎拉大坝1∶30水工试验模型Fig.5 1∶30 hydraulic model for Zhala dam

为了评价工程消能防冲效果,对下游河床进行了动床冲刷试验,选用天然白矾石散粒体作为动床砂模型材料,根据设计方提供的资料,河床微新板岩抗冲流速v=3.5～4.5 m/s,选取模型砂D50=1.1 cm,换算成原型的抗冲流速为4 m/s。挑流方案河床初始铺沙顶高程2 755 m;底流方案中铺沙尽量模拟河床地形,消力池下游动床铺砂范围0+073～0+213,铺砂最低点高程2 725 m。

经分析,同等流量情况下降低上游水位,或相同上游水位条件下加大和减小流量,下游冲刷强度均比消能防冲控制工况小,因此消能防冲工况为控制工况。

试验同时布置了压力监测和流速监测两方面的监测设施,具体如下。

(1) 压力监测:挑流方案中,表孔和底孔底板沿程分别布置了14个和8个压力测点,用于测量时均压力分布情况;底流方案中,表孔和底孔底板分别布置了14个和10个时均压力测点,消力池布置了26个脉动压力测点。

(2) 流速监测:挑流消能方案中,下游河床从0+53～0+290桩号共布置了12个监测断面(每隔20 m);底流消能方案中,下游河床从0+70～0+200桩号共布置了12个监测断面(每隔15～20 m)。

图6和图7分别为挑流和底流消能方案在不同流量下的下游流态情况。挑流方案中,表、底孔联合泄流时3股水舌平行挑射入下游河道,空中基本相互不影响,表孔水舌落点距坝脚远,底孔水舌相落点相对近。表孔水舌居中,底孔水舌对称分布于两侧,右侧落点距离建筑物结构边墙较近,左侧距离防冲边墙相对远一点,约为13 m。底孔和表孔入水角度分别约为25°和32°,如图6所示。挑坎出口贴角有助于调整流向,右侧底孔落点位置明显向河心偏转,距离鱼道边壁约为7.5 m。

图6 不同流量下下游河床流态情况(挑流消能方案)Fig.6 Flow regime of downstream riverbed under different discharge conditions of ski-jump energy dissipation

底流方案中,水流由泄水孔下泄进入消力池内,在消力池形成淹没水跃,跃首位于斜坡上,受紊动和池内回流影响,跃首上下窜动不稳定。跃尾位置随流量不同有所变化,流量越大跃尾越靠近下游,详见表2。水流进入消力池内旋滚剧烈,消能比较充分,主流位于中部,在两侧形成回流。主流出底孔后整体略向右偏。左侧底孔出流贴近生态孔明渠右侧边壁冲向下游,并同时沿横向和垂向扩散,表层回流沿着生态孔下游明渠向上游至坝脚处进入消力池,如图7所示。右侧生态电站尾水出口和鱼道整体回流略弱于左侧,但波动强于左侧,波动幅度基本和流量正相关,工况1时,撞击的水花偶尔到达生态电站顶部。

表2 各流量工况下水跃特征值Tab.2 Characteristic value of hydraulic jump under different dischange conditions

4.1.3压力特性

结合沿程布置的压力测点数据分析泄洪时结构在动水压力下的安全性。挑流消能方案中,工况1(校核工况)和工况5(消能防冲工况)的压力测量数据表明,在工况1中表孔堰顶存在-1 m以内的负压,该处负压值不高,并且适当的微小负压有利于增加泄流能力。工况5及工况1中其他大部分测点均呈现为正压,泄洪设施整体是安全的。

底流消能方案中,各工况表孔和底孔各测点时均压力基本都为正压,压力特性较好,仅表孔堰顶曲线段有轻微负压,局部最低压力在0 m附近,属于正常许可范围内。

消力池各工况各测点脉动压力基本在3 m以下,最大值略超3 m;各工况脉动压力最大值均出现在桩号0+80和0+92.75测点,位于水流进入消力池的旋滚剧烈区域;右侧生态电站尾水出口壁面测点脉动压力均在2～3 m之间,为静压的25%～27%,影响较小。

4.1.4流速与河床冲刷

三是建立健全农村供水项目资金管理制度，提高资金使用效益。建立健全覆盖项目立项、设计、实施、验收、管理等环节在内的整个资金运行全过程的管理制度体系，确保每项水利资金都有相应的资金管理制度，严格使用管理。对农村饮水安全项目的中央投资和省、市配套资金，在市农村饮水安全项目办公室设专户管理，实行市级报账制；县级自筹资金在县农村饮水安全项目办公室设专户管理，实行县级报账制。对妇基会的专项百事慈善资金加强管理，属于工程部分全部用于项目，采取水务局到妇联报账的管理办法。

挑流消能方案中,各工况下落点两侧均有明显回流。流速方面,落点处左侧最大回流流速在6～7 m/s,右侧在3～4 m/s;而在下游河床部位受弯道影响,右侧流速普遍高于左侧,流速最大约4 m/s。

工况4(消能防冲工况)的冲坑最具代表性,该工况河道动床冲刷范围为桩号0+73～0+178.6,动床冲刷坑沿河道中心线左右基本对称,沿纵向呈“V”形坡,上下游坡度较缓,上游坡比小于下游,最大冲刷深度出现在右岸,冲坑最低点位于桩号0+121处,相应高程为2 731.6 m。

底流消能方案中,整体来看水跃区域左侧表层回流流速大于右侧,右侧表层波动和旋滚强于左侧。流速大小基本和流量正相关。出消力池后主流偏右,各工况底部流速沿程逐渐降低;在工况4(消能防冲工况)下,在尾坎后两侧出现小范围的冲坑,最大冲深5.1 m。出消力池后,河床水流流速调整充分,接近天然河床流速分布规律,底部流速基本在1 m/s以内,下游河床冲刷轻微(见图8)。

图8 下游河床冲刷形态(消能防冲工况)Fig 8 Scouring morphology of downstream riverbed (energy dissipation-antiscouring condition)

4.2 泄洪冲刷及雾化影响分析

大坝下游消能区河床高程2 758 m左右,微新岩石属中硬岩,裂隙不发育,较完整,具有一定的抗冲刷能力,且微新岩体板理面闭合,岩体结构、构造有利于抗冲,能够满足挑流和底流消能要求。两岸边坡弱风化、卸荷岩体抗冲刷能力较差,通过混凝土板加强支护,可满足两种消能方案工程安全的要求。

模型试验冲刷成果表明,挑流消能在下游形成两个冲坑,左侧冲坑最深约18.9 m,右侧冲坑最深约17.7 m;消能防冲工况下冲坑长度范围约117.50 m。底流消能在尾坎后两侧出现小范围冲坑,最低处冲坑最深5.1 m,其他部位整体地形冲刷不大。

地形地质条件对两种消能型式均无重大制约,但两岸边坡开挖较高,且存在倾倒变形体;挑流消能雾化较底流严重,对边坡稳定、生态电站及鱼道机电设备运行影响相对更大。

4.3 建筑物布置分析

两种方案中,大坝、生态电站、鱼道及导流洞布置位置与结构型式基本相同,表孔、底孔、生态放水孔孔口尺寸、进口高程及上游部分结构均相同,仅在下游流道出口型式有变化。两方案在建筑物布置上没有制约因素。

消能区边坡防护方面,横河向主要受制于消能区宽度。挑流方案中,在高程2 760 m处消能区总宽度为48.75 m,底流方案总宽度则为41.50 m,相较而言挑流消能左岸边坡开挖较多。顺河向受左岸导流洞出口覆盖层堆积体的影响,两方案消能区左岸均防护至导流洞出口。挑流方案下游右岸弯道处(桩号0+228 m)流速约4 m/s,接近基岩的抗冲流速,因此挑流消能右岸防护至河道拐弯部位(桩号0+228)处;底流消能比较充分,出尾坎(桩号0+170)后流速小于2 m/s,右岸防护至尾坎不远处即可。挑流消能方案中右岸消能区防护长度比底流消能方案长。

4.4 泄洪对下游建筑物影响分析

4.4.1对生态电站影响

两种方案下大坝泄洪时,生态电站机组均停止运行,且两方案的水位波动最高点均低于生态电站尾水平台及闸门锁定高程,因此两方案对生态电站发电和尾水检修闸门的影响均较小。

底流消能方案中,水流在消力池内形成淹没水跃,对该段河床无明显冲刷,消力池内无泥沙堆积。挑流消能方案中,在消能防冲、泄洪冲沙工况下,下游河床均有不同程度的冲刷,河床冲刷深度和位置对生态电站建筑物的基础稳定有一定影响;另外水舌落点两侧均有回流产生,右岸生态电站厂房段回流流速3～4 m/s,尾水出口存在一定程度泥沙淤积。可见在厂房基础冲刷和尾水淤积方面,底流消能方案优于挑流消能方案。

4.4.2对鱼道影响

底流消能方案中,下泄水流不直接冲击鱼道进鱼口,鱼道侧水流平顺,流速较小,对进鱼口结构安全影响较小。挑流消能方案中,挑流水舌入水河段位于鱼道进口段左侧,并形成大范围的冲坑,最大冲坑深度低于鱼道结构建基面高程2 750 m约13.5 m;且涌浪紊乱激烈,并直接覆盖鱼道进鱼口段侧墙并冲击启闭机房等结构,对进鱼口基础及结构影响较大,需采取加固措施。可见在鱼道进鱼口段结构不利影响方面,底流消能方案优于挑流消能方案。

4.5 施工条件分析

两种方案消能区均有小部分消能设施位于下游围堰堰体范围,均需要布置下游枯水期围堰。枯水期围堰布置在导流洞出口上游侧,可以满足两种方案消能设施及左岸防护区干地施工。挑流消能方案右岸防护范围较大,与枯水期围堰位置有交叉;底流消能方案右岸防护区均在枯水期围堰防护范围内。施工条件方面,底流消能方案消能略优于挑流方案。