水电站泄水建筑物的布置与设计

　　古瓦水电站泄水建筑物设计

　　摘要：古瓦水电站坝址区为高山峡谷区, 泄水建筑物分两岸布置。设计中采用了表层、中表层、中组合的左、右两岸泄洪的布置型式, 并充分利用左岸放空 (导流) 洞, 采用了“三洞合一”布置方案。通过合理的流量分配, 实现了溢洪洞、泄洪洞规模及结构的经济合理。

　　关键词：泄水建筑物; 溢洪洞; 泄洪洞; 三洞合一;

　　作者简介： 詹国强 (1964-) , 男, 四川成都人, 教授级高级工程师, 从事水利水电工程设计和咨询工作;; 杨斌 (1968-) , 男, 四川成都人, 高级工程师, 从事水利水电工程项目管理工作;; 贺开云 (1981-) , 男, 重庆璧山人, 高级工程师, 从事水利水电工程设计和咨询工作;; 谢桃 (1988-) , 女, 四川遂宁人, 工程师, 从事水利水电工程设计和咨询工作.;

　　收稿日期：2019-05-06

　　Design of Discharge Structure of Guwa Hydropower Station

　　ZHAN Guoqiang YANG Bin HE Kaiyun XIE Tao

　　QingYuan Engineering Consultants Co., LTD Xiangcheng Hydropower Development Co., LTD, China Datang

　　Abstract：The dam site of Guwa Hydropower Station is located in alpine and gorge area where the discharge structures are arranged on both sides of the bank. In the design, the layout of flood discharge structures are on both side of banks, which surface layer, middle surface layer and middle layer combination are adopted, and the left bank releasing (diversion) tunnel is fully utilized, and the layout scheme of “three tunnels in one” is adopted. Through reasonable flow distribution, economic rationality of the scale and structure of spillway tunnel and releasing tunnel is achieved.

　　Keyword：discharge structure; spillway tunnel; releasing tunnel; three tunnels in one;

　　Received： 2019-05-06

　　1 电站概况

　　古瓦水电站发电厂房位于四川省甘孜州乡城县境内, 电站涉及乡城、理塘、稻城三县, 是硕曲河干流乡城、得荣段“一库六级”梯级开发方案的“龙头水库”电站, 混合式开发, 水库总库容2.458亿m3, 装机容量201MW+4.4 (2.6) MW (主体电站+生态机组) 。拦河大坝为混凝土面板堆石坝, 最大坝高139 m。泄水建筑物由左岸泄洪洞 (与放空导流洞结合的“三洞合一”的布置型式) 和右岸溢洪洞 (洞式溢洪道) 组成。项目于2017年5月正式开工建设, 计划于2021年4月蓄水发电。

　　2 工程建设条件

　　2.1 径流和洪水

　　硕曲河流域径流主要由降水形成, 其次有少量融雪、融冰和地下水补给。据古瓦坝址1960年6月～2005年5月共45年 (水文年) 径流系列统计, 多年平均流量为43.9 m3/s, 折合年水量为13.84亿m3, 年径流深为450.2 mm。

　　古瓦水电站坝址设计洪水按水文比拟的方法, 由濯桑站推算, 为工程安全起见, 对坝址处的校核洪水、校核洪量加15%的安全值修正, 设计洪水流量737 m3/s (P=0.2%) , 校核洪水流量1 032 m3/s (P=0.02%) 。

　　2.2 地形地貌和基本地质条件

　　坝址区河道总体较顺直, 河谷断面为V型, 河谷结构以纵向谷为主, 左岸低高程为横向谷。枯水期水面高程3 263～3280.3 m, 水面宽15～35 m, 谷底宽30～65 m, 正常蓄水位3 398 m时, 谷宽290～370 m。

　　坝址区为一短轴向斜, 出露地层为三叠系变质砂岩夹板岩, 两岸岩层走向与河谷走向几乎一致, 主要为中等倾角, 为层状顺倾向结构边坡, 层间挤压带发育。岩石风化较微弱, 物理地质作用主要表现为变形体、危岩体、风化卸荷和崩塌等。

　　3 泄洪规模及建筑物布置原则和特点

　　古瓦水电站为大 (Ⅱ) 型电站, 拦河大坝为Ⅰ级建筑物, 泄洪建筑物为2级建筑物, 水库调蓄后, 设计洪水流量737 m3/s (P=0.2%) , 校核洪水流量856 m3/s (P=0.02%) 。

　　坝址位于高山峡谷区, 河谷两岸均为顺向坡, 泄水建筑物的布置、设计有以下一些原则和特点需要遵循和注意:

　　(1) 古瓦水电站是硕曲河流域“一库六级”梯级开发的龙头水库, 流域梯级中部有乡城县城, 泄洪建筑物对古瓦电站本身和对下游梯级电站、城镇的安全至关重要, 故采用表中组合的左、右两岸泄洪的布置型式。

　　(2) 本电站面板堆石坝坝高139 m, 底流消能, 泄洪流速大, 进出流方向应尽量顺应河势。洞室泄水建筑物的洞线应充分考虑地形地质条件、水力条件、枢纽总布置及施工等因素, 力求洞线短, 水流归槽顺畅, 洞线进出口边坡稳定;洞轴线与岩层具有较大的夹角, 洞顶有足够的岩体厚度。

　　(3) 为避开出口影响, 溢洪洞布置于右岸, 导流放空洞布置于左岸。竖井旋流泄洪洞布置于左岸, 下平段与导流放空洞结合以节省工程投资。

　　(4) 大坝下游紧邻坝踵设有生态基流电站, 泄洪及消能建筑物布置应避免对其造成影响。

　　(5) 为防止坝下游右岸岸坡分布的覆盖层受雾化影响和保证基岩顺层边坡稳, 泄洪建筑物宜采用底流消能。

　　(6) 放空洞工作门挡水水头近130 m, 不参与泄洪, 左岸泄洪洞、右岸溢洪洞应合理分配泄量, 确保泄洪安全。

　　4 泄水建筑物布置与设计

　　4.1 左岸放空 (导流) 洞

　　放空洞 (导流) 布置于左岸, 总长约925 m;进口底板高程3 282.00 m, 出口高程为3 267.90 m。放空洞前端设置检修和事故闸门竖井, 桩号0～473 m段平均纵坡为0.3%, 过水断面为圆形, 内径7.2 m, 洞身段全衬砌;中部为弧形工作门, 桩号485～924 m洞段平均纵坡为2.8%, 断面为城门洞型, 隧洞底宽5.5 m, 直墙高5.0 m, 拱高1.50 m, 顶拱中心角114°。出口布置40余m长明渠接消力池。消能后水流平顺入河。

　　4.2 左岸泄洪洞

　　左岸泄洪洞采用竖井消能, 泄洪洞依次由进口、有压隧洞段、弧形工作闸室、无压上平段、涡室、旋流竖井、无压下平段和出口消力池组成。

　　泄洪洞进口位于坝轴线上游130 m, 进口高程3 370.00 m。进口后圆形有压段隧洞长117.5 m, 过水断面直径4.5 m;工作门后上平段长为70.90 m, 纵坡为5%, 断面为城门洞形, 断面尺寸4.5 m×4.5 m;上平段接直径为10 m、高29.4 m的涡室, 涡室下接直径为6.5 m、高78.8 m的竖井, 竖井底部设深10 m的水垫室, 竖井之后接无压下平段长285.85 m, 后与放空洞结合, 利用放空洞段总长340.55 m;出口消力池扩散段长40 m, 池身断面为矩形, 底板高程3 260.00 m, 长40 m, 宽10 m, 深3 m, 消力池后段位于河道中部, 右侧不设边墙, 水流在消力池内消能后泄入硕曲河。

　　4.3 右岸溢洪洞

　　溢洪洞 (洞室溢洪道) 布置于右岸。在低流速引渠段设置弯道, 转弯半径为50 m, 圆心角度70.5度, 后接驼峰堰控制闸及陡槽、下平段和出口消力池, 溢洪洞总长706.50 m, 其中引渠段长130.668 m, 控制闸室段长24 m, 泄槽段长204.05 m, 下平段长233.09 m, 消力池段长114.68 m。

　　引渠段进口位于坝轴线上游约160 m处, 为城门洞型, 底板高程为3 385.00 m, 硐室尺寸9×18.2 m (宽×高) , 纵坡为平坡;驼峰堰堰顶高程3 387.80 m, 设计洪水时堰顶水头10.20 m, 校核洪水时11.36 m。控制闸室内设弧形工作门一道, 闸门尺寸9.0 m×12.0 m (宽×高) , 闸顶高程3 402.00 m, 与大坝顶高程一致。泄槽段坡度45°, 由渐缩弧段、泄槽和反弧段组成。弧段半径40 m, 宽度从9 m缩至6m后接陡槽段。泄槽布置有1#～3#掺气坎, 总落差111.65 m。下平段纵坡为5%, 断面为城门洞型, 宽度6.5 m, 高度7 m。出口消力池总长114.68 m, 消力池进口反弧段长29.68 m, 宽6.5 m;池身段宽度扩大为20 m, 池身长85 m, 深10 m, 水流经消力池消能后汇入硕曲河。

　　5 泄洪流量分配及功能定位

　　水库调蓄后校核洪水流量为865 m3/s。左岸泄洪洞与放空 (导流) 洞采用三洞合一方式结合, 其泄量按照放空 (导流) 洞过流能力并参照国内已建工程经验 (如沙牌、冶勒、斜卡等) , 从安全角度出发确定为275 m3/s;右岸溢洪洞泄量确定为600 m3/s, 左右岸泄水建筑物联合泄洪, 总泄洪流量为875 m3/s, 能满足泄洪流量要求。放空洞仅承担水库死水位下的放空功能及保坝作用, 不参与泄洪。

　　右岸溢洪洞为表孔, 首部枢纽泄洪右岸溢洪洞为主。左岸泄洪洞进口高程为3 370 m, 低于正常蓄水位3 398 m, 当上游来水流量小于2年一遇时, 可根据硐室运行及检修情况选择左岸或右岸泄水建筑物进行泄洪。右岸溢洪洞仅需要出现在大于2年一遇洪水时才开启。这种布置方式运行下, 可根据水情预报、洞室和设备维护、检修等条件灵活选择开启泄洪洞或溢洪洞。

　　表1 泄水建筑物的泄流能力、运用组合表 导出到EXCEL

　

　　图1 古瓦水电站泄水建筑物布置示意图  

　　6 水工模型试验

　　通过1∶40水工模型对溢洪洞、泄洪洞进行水力学试验验证, 有以下主要成果:

　　(1) 泄流能力。联合泄洪工况, 校核水位3 399.16 m, 左岸泄洪洞全开泄流276.75 m3/s, 右岸溢洪洞617.95 m3/s。合计泄洪流量894.7 m3/s。右岸溢洪洞随着水位增加, 泄流量增大, 具有较强的超泄能力。

　　(2) 水流流态。左岸泄洪洞上平段水流顺畅, 涡室内起漩良好且涡腔内侧水流贴壁良好;竖井出口压坡后水流自由面无窜高现象;泄洪洞与原导流洞交汇区设置了35 m长的圆弧形整流结构, 整流结构起点位于放空洞右侧之前4.0 m高位置, 圆弧半径R=1.0 m, 圆心角θ=120.00°;水流实现了较好的衔接, 没有出现水流冲顶的不利现象。校核工况下竖井内水深为25.80 m, 竖井段消能率为73.86%。涡室最大时均压强为11.6×9.81 kPa, 压坡底板脉动压强最大值为6.03×9.81 kPa;消力池3.11×9.81 kPa。

　　

　　图2 古瓦水电站泄水建筑物剖面图  

　　右岸溢洪洞泄槽各段水面沿程波动小, 衔接良好, 且水面横向分布均匀。掺气坎下游无积水, 掺气坎内可以形成有效空腔, 各级流量工况下消力池内水跃形态均较为良好, 出池水流平稳;泄槽内水面基本为降水曲线, 各部位水深均未超过直墙高度;洞顶余幅均在20%以上;水流在经过泄槽陡坡段加速后在反弧段末端达到最大流速分别为41.79 m/s、43.44 m/s和44.05 m/s。水流经过缓坡段和掺气坎消能以及自身的能量损失后, 入池流速大约降低了6 m/s～10 m/s左右, 然后再经过消力池的消能后, 消能率大约为75%。泄槽空化数介于0.15～0.5, 各部位底板压力基本为正, 脉动频率均在10 Hz以内, 脉动压力最大均方根为3.74 m。

　　(3) 消力池和下游河道冲刷。 右岸消力池位于上游, 左岸消力池布置在下游, 水流经过左岸消力池后下游河道最大流速6.94 m/s, 不同工况下游河道冲刷情况无显着差异, 各工况冲刷相对坦化, 最大冲刷点深度4.75 m, 冲刷相对较轻, 消力池消能效果良好。

　　7 结 语

　　古瓦水电站泄洪建筑物采用右岸洞室溢洪道+左岸旋流竖井泄洪洞, 采用了表层、中表层、中组合的左、右两岸泄洪的布置型式, 并充分利用左岸放空 (导流) 洞, 采用了“三洞合一”布置方案;为避免对下游岸坡覆盖层和坝后生态厂房影响采用底流消能方案, 能满足泄洪消能要求, 运行灵活方便;通过合理的流量分配, 实现了溢洪洞、泄洪洞规模及结构的经济合理。