波堆水电站泄洪建筑物布置设计

波堆水电站泄洪建筑物布置设计

汪 振1，沈 顺2，彭 育2，黄 维2

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州 311122；2.中国电建华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

摘 要：波堆水电站具有地质条件差、泄流量相对较大、泄洪频繁、河道狭窄及泄洪消能建筑物布置局促等特点，泄洪消能设计是枢纽布置和水工设计的关键。介绍了波堆电站泄洪建筑物总体布置设计、泄流量分配，结合水工模型试验对泄洪消能建筑物结构体型、河道防护进行研究。

关键词：泄洪洞；洞式溢洪道；消能设计；水力特性；流量分配；波堆水电站

波堆水电站位于西藏林芝地区波得藏布干流上。工程总装机容量为9.6 MW，开发任务为发电。坝址多年平均流量132.0 m3/s。工程枢纽主要由拦河坝、泄洪洞、洞式溢洪道、发电引水洞和电站厂房等建筑物组成，工程按50 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核；消能防冲建筑物按30 a一遇洪水设计。拦河坝为沥青混凝土心墙碎石土坝，最大坝高45.00 m。泄洪建筑物主要有洞式溢洪道和泄洪洞，均布置在左岸。泄洪建筑物是波堆水电站枢纽的重要组成部分，是水库满足调蓄洪水及放空检修等功能的主要通道，关系到工程本身的安全，因此科学合理的泄洪建筑物布置与设计将为本工程安全运行提供保障。

1 泄洪建筑物布置特点

波堆水电站坝址区河谷地形狭窄，河道顺直，枯水期平均水面宽约50.00 m，坝址区出露地层主要有石炭系旁多群灰白色白云岩、砂质板岩和第四纪松散堆积物。坝址河道覆盖层厚约30.00 m，左岸分布着DJ1、DJ2两个规模较大的堆积体，整个右岸为规模巨大的冰水堆积层，河道及岸坡抗冲刷能力差。泄洪消能具有消能防冲地质条件差、泄流量相对较大、泄洪频繁、河道狭窄、泄洪建筑物布置局促等特点：

（1）受右岸冰水堆积层限制，泄洪建筑物及引水发电建筑物均布置于左岸，其中泄洪洞和洞式溢洪道的进口位于崩坡积体下方，位置相对局促，需对进口处的崩坡积体进行处理。

（2）泄洪洞及洞式溢洪道出口下游河道顺直，河床平均宽度50.00 ～ 60.00 m，为冲积漂卵砾石层，厚度15.00 ～30.00 m，抗冲流速1.2 ～ 2.0 m/s。出口下游左岸为崩坡积块碎石土层及冲积漂卵砾石层。右岸岸坡由冰水积漂卵砾石层组成，规模巨大，自然条件处于稳定状态，但在水流淘蚀、浸泡作用下将存在边坡稳定问题。因此需研究泄洪建筑物合理的出口消能方式及水流归槽条件，以确保下游河道边坡的稳定安全。

（3）溢洪道泄槽段边坡表层有深厚覆盖层分布，且边坡陡峻，若采用明挖型式，将形成高边坡，开挖及支护处理工程大，泄槽段需采用隧洞的型式即洞式溢洪道。受地形地质限制，泄槽段需在空间转弯，因此要求进行合理的结构体型设计以满足泄洪要求。

（4）泄洪建筑物采用泄洪洞+洞式溢洪道联合泄洪的型式，需进行合理的泄流量分配，同时考虑到泄洪洞由导流洞改建而成，因此泄洪建筑物规模尺寸需要合理设计，以达到经济实用目的。

2 泄洪建筑物布置与设计

2.1 泄洪建筑物总体布置

2.1.1 泄洪洞布置

根据坝址区地形地质条件，泄洪洞布置在左岸。其进口位于坝轴线上游约180.00 m的DJ1堆积体下方，出口位于坝轴线下游约275.00 m，有基岩出露，出口洞轴线与下游河道夹角约为27.00°。

泄洪洞由进口有压段、事故闸门井段、洞身有压段、工作闸门室段和出口消能工等组成。进口高程2 751.00 m，出口高程2 742.28 m，全长539.76 m。泄洪洞为有压圆形隧洞，洞径10.00 m、洞身长421.76 m，孔口尺寸由直径10.00 m的圆形断面渐变为9.00 m×5.00 m(宽×高)的矩形断面，采用现浇钢筋混凝土衬砌。

2.1 .2 溢洪道布置

洞式溢洪道布置在左岸泄洪洞与引水发电洞之间，并设置平面转弯，转弯半径为R = 60.00 m，转弯角度为27.87°，转弯段后为渥奇曲线及陡槽。进口为侧堰型式，位于引水发电洞进口与左岸坝头之间，溢洪道出口基岩出露，与下游河道夹角约为19.00°，位于泄洪洞与引水发电洞出口之间，距泄洪洞净间距约为18.00 m。

洞式溢洪道由进口侧堰段、调整段、无压洞身段及出口消能工组成，首部槽底高程为2 775.88 m，尾部出口高程2 742.50 m，总长315.02 m。侧堰净宽24.00 m，设4个溢流孔，孔口尺寸6.00 m×4.00 m(宽×高)，泄槽采用隧洞型式，无压洞身段长197.40 m，断面为“城门洞型”，尺寸8.00 m×12.90 m(宽×高)，消力池段总长为61.00 m。泄洪建筑物平面布置见图1。

图1 泄洪建筑物平面布置图

2.2 泄洪流量分配

开敞式溢洪道一般具有较强的超泄能力，能有效保证土石坝在非常运用情况下的运行安全。本工程溢洪道采用侧堰进流，隧洞明流泄洪，其泄流能力受侧堰及隧洞断面尺寸等因素控制。洞式溢洪道在设计工况，泄流能力受侧堰控制。随着水位上升及泄流量的增加，在校核工况，泄流能力受隧洞进口断面尺寸控制，在高水位下侧堰内产生较大的淹没，泄泄能力降低。

考虑到泄洪洞由导流洞改建而成，洞径是按导流要求确定的，最大达1 100.0 m3/s，过多地减少泄洪洞泄量，增加溢洪道泄量是不经济的。因此从工程安全、经济、运行等因素考虑，在适当增加洞式溢洪道断面尺寸，满足校核工况下泄能力的基础上，使泄洪建筑物具有一定的安全超泄储备能力，同时泄洪洞的运行期与导流期泄流能力也基本匹配，满足泄洪及水库运行要求，泄洪建筑物结构经济合理。

拟定泄洪洞与溢洪道之间的流量分配为：设计工况下，溢洪道泄量419.4 m3/s，泄洪洞泄量910.6 m3/s；校核工况下溢洪道泄量700.0 m3/s，泄洪洞泄量980.0 m3/s。

2.3 消能设计

经过水力学模型试验论证，泄洪建筑物消能方式若采用挑流消能，将带来大量的河道防护工程量，需要开挖左岸边坡、拓宽河道、设置岸边防淘设施和护岸设施，涌浪爬高和泄洪雾化也影响右岸进厂公路及边坡的安全。因此挑流消能方式，不适合波堆工程的地形地质条件。

考虑到波堆水电站总水头不高、流量适中、下游河床及岸坡地质条件较差，采用底流消能较为适宜。底流消能主要通过水跃将大部分能量消耗在消力池内，剩余能量对下游河道及岸坡冲刷较弱，减小了河道及岸坡防护的工程量，避免了雾化对右岸进厂公路及边坡的不利影响。因此，消能方式选择底流消能方案。

泄洪洞消力池由泄槽扩散段、池身段及尾坎段组成，总长103.00 m，其中泄槽扩散段长25.00 m，消力池池身长70.00 m，尾坎长8.00 m。消力池尾坎采用差动式高低尾坎：高尾坎宽为2.00 m，高为8.56 m，顶高程为2 750.83 m，低尾坎宽为2.00 m，高为4.28 m，顶高程为2 746.56 m。

洞式溢洪道陡槽坡度为1∶1.5，水流由该坡度进入消力池，末端高程为2 748.47 m。消力池前部为消力池平面扩散段，长21.35 m，陡槽与消力池衔接处两侧为0.50 m突扩，消力池进口宽为9.00 m，扩散段末宽为14.00 m，两侧扩散角为6.68°。消力池宽14.00 m段长39.65 m，消力池末端布置尾坎，消力池总长为61.00 m。消力池尾坎采用连续式，高尾坎净高为6.00 m，坎顶高程为2 748.50 m。

经过水工模型试验论证，洞式溢洪道及泄洪洞泄洪对下游河道、左岸及右岸均存在一定程度冲刷，因此对下游消力池尾坎下游、泄洪洞右边墙外侧、左岸、右岸及河道均进行了防护。主要采取抛填大块石、混凝土护坡及防淘墙防护等措施。

3 水工模型试验成果

3.1 泄流能力

通过1∶50水工模型对泄洪洞及洞式溢洪道泄流能力进行了测试。试验结果表明，泄洪洞各工况下试验值较设计值大5.5%左右；洞式溢洪道在校核洪水情况下试验值较设计值小5.4%；泄洪洞与洞式溢洪道联合泄洪，校核工况试验值1 690.8 m3/s较计算值1 680.0 m3/s大0.6%，设计工况试验值1 407.5 m3/s较计算值1 330.0 m3/s大5.8%，泄流能力满足设计要求。

3.2 泄洪洞水力特性参数

试验观测表明，各工况下泄洪洞进口附近水面均出现间歇性吸气旋涡，但均未能形成贯通型吸气漩涡，洞身内未发现淤气现象。泄洪洞检修门井内水面波动较小，约0.1 m。

校核、设计、设计消能3种典型工况下，泄洪洞出口及其下游特征断面的流速范围在14.5 ～ 23.0 m/s。

3种典型工况下消力池内基本能形成完整水跃，由于消力池出口处水面高于下游河道水位，出池水流有一定跌落。在校核和设计工况下，消力池内水面波动峰值超过墙顶，部分水体间歇性溢过边墙。实测消力池坎顶流速在4.8 ～ 6.3 m/s。

泄洪洞进口以及洞身段压强分布均匀，没有出现异常现象，洞身段洞顶最小压强大于2.0×9.8 kPa，大于规范中规定的最小压强值，出口后抛物线段没有出现负压。

3.3 洞式溢洪道水力特性参数

校核、设计及设计消能工况下，洞式溢洪道进口来流基本平顺，在校核工况下，溢流堰顶处于淹没出流状态，设计和设计消能工况溢流堰上形成自由堰流，进入侧槽的水流在侧槽内形成螺旋流动，水流紊动剧烈，至侧槽出口断面(桩号0 + 022.60 m)左右两侧水面高差不大，最大差0.15 m。

洞式溢洪道第1段泄槽底坡i = 0.01，末端设置1段弯道，泄槽内水流通过弯道时，弯道内水面呈外侧高、内侧低，校核工况弯道内外侧水面高差最大，约2.70 m。

泄槽内水面高程按校核、设计和设计消能工况的顺序逐渐降低，因此泄槽的边墙高度或者洞顶余幅取决于校核工况，在不计掺气水深的情况下，在第1段泄槽内(0 +022.60 ～ 0 + 159.77 m)，过水断面与隧洞断面面积的比值小于85%，满足要求。

洞式溢洪道泄槽内沿程流速逐渐增大，第1段泄槽内流速在5.5 ～ 9.5 m/s，第2段泄槽末端流速范围在19.9 ～24.0 m/s。

校核工况消力池基本能形成完成水跃，消力池尾部及尾坎部位水流波动剧烈，出池存在一定跌落，设计、设计消能工况下消力池内能形成稳定水跃，消能充分，出池水流平顺。实测坎顶垂线平均流速在2.4 ～ 4.2 m/s。

洞式溢洪道的时均动水压强试验结果表明，溢流堰和2段泄槽之间的抛物线连接段均没有出现负压，压强分布未出现异常现象。

由于第2段泄槽坡度为1∶1.5，水流入池时易对底板形成冲击压力。实测校核工况下最大时均压强为24.9 m，该测点处的附加压强约为11.0 m。

校核工况泄水建筑物出口及下游河道水流流态见图2。

图2 校核工况泄水建筑物出口及下游河道水流流态图

3.4 下游河道流速分布及河床冲淤形态

试验量测了校核、设计和设计消能工况下的右岸最大顶冲流速分别为3.6，3.7，4.1 m/s；最大回流流速分别为2.1，2.2，1.7 m/s。

在各种试验工况中，泄洪洞单独泄洪时冲坑深度最大，消力池后冲坑底高程为2 738.00 m，右岸最大冲刷底高程2 742.20 m，主要是因下游水位较低和泄洪洞出口轴线与河道夹角较大所致。

泄水建筑物泄洪后形成淤积堆丘，试验结果表明，在各种工况下，2次测量的电站尾水出口处的水位没有明显变化，泄洪冲淤堆丘对电站尾水的没有明显影响。

4 结 语

波堆水电站受地形、地质条件限制，左岸布置泄洪洞及洞式溢洪道，出口采用底流消能方式，基本上满足工程的泄洪消能要求；通过合理流量分配，达到泄洪洞与洞式溢洪道规模及结构的经济合理；水工模型试验表明，为确保工程安全下游河道及岸坡应进行防冲保护。工程已建成，泄洪消能建筑物自蓄水以来已安全运行2个汛期，目前来看泄洪消能建筑物能满足工程正常运行要求。

参考文献：

[1] 徐建强，吴忠.西藏波堆水电站泄洪消能专题研究报告[R].杭州：华东勘测设计研究院，2012.

[2] 傅宗甫.波堆水电站泄洪建筑物水力学模型试验报告[R].南京：河海大学，2012.

[3]郭子中.消能防冲原理与水力设计[M].北京：科学出版社，1982.

[4]汪振，黄维.云南某水电站泄洪消能设计研究[J].水利与建筑工程学报，2007,5(3)：64 - 67.

（责任编辑 郎忘忧）

中图分类号：TV131.2

文献标识码：B

文章编号：1008 - 701X(2017)05 - 0054 - 03

DOI：10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.05.016

收稿日期：2016-09-09

作者简介：汪 振(1980 - )，男，高级工程师，硕士，主要从事水工建筑物设计及大坝安全管理工作。