泄洪建筑物工程设计方案与计算

　　摘    要：　江坪河水电站泄洪建筑物布置充分考虑地形地质条件、枢纽总体布置协调、运行安全可靠等因素，通过水力学模型试验、模型优化试验及结构计算分析，最终选择了右岸布置2条洞式溢洪道和1条泄洪放空洞的设计方案。

　　关键词：　泄洪建筑物; 溢洪道; 泄洪放空洞; 江坪河水电站;

　　Abstract：　The layout of Jiangpinghe Hydropower Station's flood discharge structures fully considers the factors such as the topography and geological conditions, the coordination of overall structure layout, and the safe and reliable operation. Through hydraulic model test, model optimization test and structural calculation and analysis, the design scheme of arranging two spillway tunnels and one flood discharge tunnel on the right bank is finally selected.

　　Keyword：　flood discharge structure; spillway; flood discharge tunnel; Jiangpinghe Hydropower Station;

　　1. 工程概况

　　江坪河水电站工程(以下简称“江坪河工程”)为一等大(1)型工程，主要由混凝土面板堆石坝、右岸泄洪建筑物、左岸输水系统及岸边地面厂房等建筑物组成。挡水建筑物、泄洪建筑物等主要永久建筑物为1级建筑物;输水发电系统中发电进水口、主厂房、副厂房、开关站出线场等主要永久建筑物为2级建筑物;其余建筑物为3级建筑物。泄洪建筑物包括2孔隧洞式溢洪道和1孔泄洪放空洞，集中布置于右岸;按1 000年一遇洪水设计，洪峰流量9 370 m3/s;PMF洪水校核，洪峰流量11 600 m3/s;消能防冲按100年一遇洪水设计。

　　江坪河水电站坝址位于长约600 m的峡谷河段内，河流流向自西向东，河谷呈“V”形，两岸地形陡峻，无天然地形垭口，不具备明挖溢洪道地形条件。右坝肩上游侧有一冲沟，且右岸山体雄厚，可布置隧洞式溢洪道。

　　泄洪建筑物布置于右岸，见图1。溢洪道控制段底板位于∈2K1-3～∈2K1-4层上，进口边坡位于8号冲沟下游的∈2K1-3～∈2K1-5地层，洞脸坡为斜交顺向坡，侧坡为近正交坡。
 

　　溢洪道通过的地层主要以Ⅲ类围岩为主，少量地段围岩为Ⅳ类;部分地段穿越溶蚀堆积物和垮塌拉裂岩体，围岩类型为Ⅴ类。溢洪道出口位于∈1L1-2地层，为灰绿色薄层钙质粉砂岩、板岩，其上部是自然坡度达75°的陡崖。第一组陡倾角的F11、F41断层在出口边坡上部陡崖中发育，走向与出口边坡方向基本一致，中陡倾角的第三组F53、F183断层以较大交角在边坡中下部发育。

　　泄洪放空洞洞室围岩除进口有压段及工作闸门竖井中部为Ⅳ～Ⅴ类围岩外;其余洞段为Ⅲ～Ⅱ类围岩，洞室围岩地质条件及成洞条件中等～较好。

　　经初步分析，泄洪建筑物的布置主要受部分Ⅳ～Ⅴ类围岩地形地质条件影响;出口布置需考虑下泄水流对岸坡、河床的冲刷和泄洪雾化对岸坡稳定的影响。

　　图1 泄洪建筑物平面布置示意

　　2. 泄洪建筑物工程设计方案

　　江坪河工程河谷狭窄，岸坡陡峻，泄洪雾化及冲刷问题较为复杂，其泄洪消能和岸坡保护问题是泄洪建筑物设计的重点;电站泄水建筑物校核洪水标准(PMF)洪峰流量大，最大泄洪水头约105.14m，溢洪道运行期最大泄水流速约45.975 m/s，泄洪放空洞运行期最大流速为34.75 m/s，高速水流空化空蚀问题及预防措施是泄洪建筑物设计的另一重点[1,2]。综合来看，江坪河工程泄洪具有“水头高、泄量大、流速高”的特点。因此，其泄洪建筑物设计方案充分考虑了各常规泄洪设施能够互为备用、流道抗冲耐磨和防空化空蚀、重视泄洪雾化区内的建筑物和岸坡的保护等措施[3]。

　　2.1. 溢洪道设计方案

　　溢洪道由进水渠段、控制段、泄槽段及挑流鼻坎组成。其轴线方向为N84.60°E，为2条平行布置的隧洞式溢洪道，洞轴线间距35 m，洞间壁厚21m,2条溢洪孔口及隧洞断面尺寸相同，引水渠共用。控制堰采用开敞式孔口。由于受地形条件限制，泄槽采用无压隧洞形式，下游采用挑流消能。

　　(1)进水渠段。引水渠底板高程438.50 m，堰前直线段长度约180 m。476.00 m高程以下进水渠边坡开挖坡比1∶0.5，以上1∶0.25;高差20 m左右设置一级宽3 m马道。高程476.00 m马道宽7.0 m，兼作连接泄洪放空洞进水塔的交通公路。进水渠边坡水位频繁变动区坡面采用钢筋混凝土面板防护，厚1.0 m。

　　(2)控制段。控制段采用开敞式孔口，堰顶高程448.00 m，单孔孔口宽14 m，溢流堰采用WES实用堰，堰面曲线方程为y=0.037x1.85，其原点高程为448.00 m，桩号为溢0+004.660，上游接椭圆曲线，下游与坡比为1∶0.8的泄槽陡坡段相接。控制段闸墩顶部高程为476.00 m，两孔口中心线间距为35 m。(1)1号溢洪道左闸墩兼作大坝右坝肩趾墙，墩顶厚3.0 m，迎水面为垂直面，背水面为1∶0.35的斜坡;进口左导墙向上游引水渠延伸，使绕流位置上移，以改善进口水流状态。(2)中墩为“U”形结构，顶厚3.0 m，迎水面为垂直面，背水面为1∶0.1的斜坡。(3)2号溢洪道右闸墩桩号溢0+030.975上游顶厚9.5 m，迎水面与背水面均为垂直面，其中桩号溢0+008.000上游右闸墩与右岸边坡之间采用C20贴坡混凝土回填;桩号溢0+030.975往下游顶厚3.0 m，迎水面为垂直面，背水面为1∶0.2的斜坡。

　　(3)泄槽段。隧洞进口段为地质条件较差的∈2K1-2～∈2K1-3地层，为改善隧洞成洞条件，采用了“龙抬头”布置形式。两条溢洪道泄槽段均由底坡1∶0.8的陡坡段、半径为90.0 m的反弧连接段及缓坡段组成;陡坡段和反弧连接段是基本相同的，陡坡段断面采用城门洞形，宽为14.0 m，侧直墙高度高于最高水面线1 m，由18.0 m渐变至12.0 m，顶拱中心角105°;两条溢洪道缓坡段断面相同，也采用城门洞形，宽为14.0 m，侧直墙高约12 m，顶拱中心角105°，但底坡和长度不一样;采用钢筋混凝土衬砌，底板及边墙采用C45抗冲耐磨混凝土，顶拱采用C30混凝土，衬砌厚度为1.0～1.5 m。1号、2号溢洪道泄槽段各设置5道掺气槽。其中，1号溢洪道掺气槽桩号依次为溢0+043.890、溢0+131.000、溢0+261.000、溢0+401.000、溢0+501.000;2号溢洪道掺气槽桩号依次为溢0+043.890、溢0+131.000、溢0+261.000、溢0+401.000、溢0+551.000;1号、2号溢洪道分别在桩号溢0+131.000、溢0+261.000、溢0+401.000各设置了3道掺气洞，每条掺气洞穿过溢洪道顶部，为2条溢洪道共用。掺气洞宽2.5 m，高3.25 m，为城门洞形，顶拱半径1.25 m。

　　(4)挑流鼻坎。根据出口地形条件，2条溢洪道出口均采用下游挑流消能方式:1号溢洪道出口采用异形斜鼻坎，左边墙桩号为溢0+558.000～溢0+573.180，右边墙桩号为溢0+579.500～溢0+599.590，左导墙扩散半径45 m，扩散角18°。挑坎反弧采用椭圆弧，长轴半径53.209 m，短轴半径50m，挑角7°7'～33°7'，挑坎高程为337.759～344.656 m。2号溢洪道出口采用斜切式鼻坎，左边墙桩号为溢0+638.606～溢0+667.775，右边墙桩号为溢0+656.320～溢0+708.949，左导墙扩散半径59.431 m，扩散角17°8'，右导墙扩散半径689.965 m，扩散角4°53'。挑坎反弧半径90 m，挑角5°～33°，挑坎高程为316.595～330.772 m。1号溢洪道及2号溢洪道挑坎左边墙迎水面1.5 m厚、右边墙采用抗冲耐磨混凝土，混凝土强度等级为C45，挑坎底板迎水面设置成台阶状，1号溢洪道最小厚度1.78 m,2号溢洪道最小厚度1.75 m;底板其余部位采用C35混凝土。

　　2.2 .泄洪放空洞设计方案

　　泄洪放空洞采用有压接无压洞的布置形式，由进水塔、有压洞段、工作闸门竖井、无压洞段及挑流鼻坎等组成，工作闸门竖井布置于有压洞之后。

　　(1)进水塔。进水塔基础高程354.00 m，底坎高程370.00 m，塔顶高程476.00 m，与坝顶高程相同。顺水流向长22.0 m，宽15.0 m，高122 m。进水塔进口为有压短管式，进口顶曲线为椭圆曲线。进口设倒钩式平面滑动检修门，事故门设置在塔内，均为平板门。塔顶设有7 m宽交通桥，与进水渠侧面坡高程476.00 m、宽7 m的山体公路相接。

　　(2)有压洞段。有压洞段由直段和平面弯段组成，总长227.239 m，纵坡水平。有压洞断面为内径8.5 m的圆形断面，采用C30钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为1.0 m。桩号泄0+074.487～0+099.309之间设有一平面转弯段，转弯半径60 m，转角23.703°。有压洞前后各一段渐变段，上游段长为22m，下游段长为20 m。弯段后直洞长约132 m，泄0+203.239～0+249.239位内衬钢衬段，外包混凝土;末端为圆变方压坡连接段，长度为20.0 m，将直径8.5 m的圆形洞渐变至6.0 m×6.56 m(宽×高)，后接工作闸门竖井。

　　(3)工作闸门竖井。该竖井为井筒式结构，位于右坝肩防渗帷幕线下游，为地下洞室结构，紧接有压洞段末端，底板高程366.00 m，顶部高程476.00 m。竖井开挖高度87.726 m，衬砌厚度1.0～2.0 m，左侧上游处设交通洞与大坝下游高程383 m马道相连。工作闸门控制室底板高程398 m，布置有弧形工作闸门启闭设备，弧形工作闸门的支铰固定于闸门室后壁山体上的支铰大梁上。

　　(4)无压洞段。无压洞段始于工作闸门竖井后，前段为i=0.1385的斜坡，其后接底坡i=0.089 4的缓坡。采用城门洞形断面，顶拱中心角为90°，宽7.0 m，直墙高约9.5 m;采用钢筋混凝土衬砌，底板及边墙为C45抗冲耐磨混凝土，顶拱为C30混凝土，厚度0.7～1.0 m。分别在桩号泄0+371.000、泄0+491.000和泄0+611.000各布置一道掺气坎，分别为1号掺气坎、2号掺气坎和3号掺气坎，掺气坎通气至无压隧洞水面线以上。其中，1号掺气坎坎高为1.7 m，水平方向长8.046 m，两侧侧向通气孔的断面尺寸为，1.5 m×2 m，通气竖井断面尺寸为1.5 m×2 m;2号掺气坎坎高1.5 m，水平方向长8.046 m，两侧侧向通气孔的断面尺寸为，1.5 m×2 m，通气竖井断面尺寸为1.5 m×2 m;3号掺气坎坎高1.5 m，水平方向长8.046 m，两侧侧向通气孔的断面尺寸为，1.5 m×2 m，通气竖井断面尺寸为1.5 m×2 m。

　　(5)挑流鼻坎。根据出口地形条件，出口采用下游挑流消能方式，其结构形式为左导墙扩散斜鼻坎。左导墙扩散半径44.87 m，扩散角18°25'。挑坎反弧半径80 m，挑角12°23'～23°47'，挑坎高程为330.701～335.635 m。挑坎建基面高程为326.00 m。挑坎左边墙采用重力式边墙，右边墙贴岩面浇筑，边墙迎水面1.5 m采用C45抗冲耐磨混凝土，底板采用C45抗冲耐磨混凝土，抗冲耐磨最薄处厚度1.335 m，台阶状布置，其余部位采用C35混凝土。

　　3 .模型试验及结构计算分析

　　为验证泄洪建筑物布置设计方案合理性，进行了大量的水力学试验及结构计算分析，评价及建议如下。

　　3.1 .溢洪道

　　(1)江坪河工程溢洪道的布置方式，满足枢纽整体布置方案要求。根据水力学计算，并经过水工模型试验验证，溢洪道的泄流能力满足设计泄流量要求。

　　(2)溢洪道引渠段、溢流堰体、泄槽段掺气形式以及出口结构布置经过水工模型试验验证是可行的。

　　(3)溢洪道引渠段结构设计、控制闸室结构设计、隧洞衬砌结构设计及泄槽段、出口段结构设计及配筋满足现行相关规范要求;无压洞段洞顶余幅经水力学计算和水力学模型试验验证可满足规范要求。进口导墙、控制闸、泄槽边墙和出口挑坎整体稳定性满足规范要求，进口、出口挑坎地基岩体采用固结灌浆和锚索支护处理，地基承载力可满足要求。

　　(4)2条溢洪道泄槽段各设置了5道挑跌坎式底部掺气减蚀设施，经水力学模型试验验证，掺气效果可满足规范要求。

　　(5)抗冲耐磨混凝土根据水流含沙量、水力学参数和相关试验成果确定，并经专家咨询，满足规范要求。

　　(6)溢洪道泄流量大，流速高，应加强原型观测，过流后应进行检查和维护，保证溢洪道各个部位均能安全运行。

　　3.2 .泄洪放空洞

　　(1)结合江坪河水电站整体枢纽布置，并经枢纽整体、泄洪放空洞单体水力学模型试验验证，泄洪放空洞采用有压接无压的布置形式是合适的。

　　(2)根据水力学计算，并经过水工模型试验验证，江坪河水电站泄洪放空洞泄流能力满足设计泄流量要求。

　　(3)经模型试验验证，在各工况下水流流态平顺，过流断面满足设计要求，泄洪放空洞洞身体型是可行的。

　　(4)泄洪放空洞出口挑流消能形式，经过水工模型试验验证是可行的，满足泄洪消能要求。下游河道防护可满足泄水建筑物泄洪消能要求。

　　(6)泄洪放空洞工作闸井后无压洞段设置了3道挑跌坎式底部掺气减蚀设施，经水力学模型试验验证，掺气效果可满足规范要求。

　　(7)抗冲耐磨混凝土根据水流含沙量、水力学参数和相关试验成果确定，并经专家咨询，满足规范要求;设计提出的过流表面混凝土的不平整度满足规范要求。

　　(8)泄洪放空洞泄流量大，流速高，应加强原型观测，过流后应进行检查和维护，保证泄洪放空洞各个部位均能安全运行。

　　4. 结语

　　监测成果表明，江坪河水电站溢洪道及泄洪放空洞洞身段围岩变形和应力、围岩与衬砌接缝处以及衬砌内环向钢筋应力都在正常合理范围内变化，目前洞周未见明显的水头作用，溢洪道及泄洪放空洞洞身段目前处于稳定状态，衬砌结构运行良好[4]。

　　根据江坪河工程下闸蓄水后向下游生态供水需求及剩余项目施工要求，泄洪放空洞已在低水头、小流量工况下运行约6个月，目前泄洪放空洞出口下游出流较为顺畅，水舌扩散和归槽较好。经检查，流道混凝土表面均未发现明显空蚀现象，且下游河道护岸结构整体良好。由于上游库水位尚未蓄至水库死水位，泄洪建筑物有待通过实体泄洪试验进一步检验。

　　(5)泄洪放空洞进口结构设计、闸室结构设计、隧洞衬砌结构设计及出口明渠、挑坎结构设计及配筋满足现行相关规范要求，无压洞段洞顶余幅经水力学计算和水力学模型试验验证可满足规范要求。进口和出口挑坎整体稳定性满足规范要求，进口、出口挑坎地基岩体采用固结灌浆和锚索支护处理，地基承载力可满足要求。

　　参考文献

　　[1] 孟凡理，窦向贤．猴子岩水电站泄水建筑物布置及体形设计[J]．水力发电，2018,44(11):67-70,124．
　　[2] 益波，任苇，高月仙，等．积石峡水电站泄水建筑物设计[J]．水力发电，2011,37(11):33-35,56．
　　[3] 中国水电顾问集团公司中南勘测设计研究院．湖北省溇水江坪河水电站可行性研究设计报告(审定版)[M]．长沙:中国水电顾问集团公司中南勘测设计研究院，2005．
　　[4] 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司．湖北溇水江坪河水电站蓄水阶段验收报告(第二册设计报告)[M]．长沙:中国水电顾问集团公司中南勘测设计研究院，2019.