英布魯水電站樞紐泄水建筑物設(shè)計

王景濤 龐書聰 柴玉梅 李東昱

1 泄水建筑物設(shè)計條件

1.1 徑流與洪水特征

英布魯水電站樞紐位于剛果共和國境內(nèi)剛果河支流萊菲尼河下游,距剛果河匯合口14 km。流域植被茂密,泥沙極少；河道徑流來源于降雨,壩址的多年平均流量為484 m3/s；洪水流量年內(nèi)較為均勻,洪水變幅不大,1 000年一遇洪峰流量為962 m3/s,10 000年一遇的洪峰流量為1 070 m3/s。

1.2 工程地質(zhì)條件

泄水壩段位于原河道右岸灘地上,距主河槽約150 m。壩基地層為巨厚的陸相沉積物,自下而上分別為白堊系 (K)、第三系 (E、N)和第四系(Q)地層。白堊系地層由中厚層 (第2層)、薄層膠結(jié)不良的軟弱砂巖 (第 1、3層)組成,成巖作用差,巖石孔隙發(fā)育,透水性強(qiáng)；第三系及第四系松散堆積物以砂壤土為主。工程區(qū)域地震烈度小于6度。

第1、3層薄層軟弱砂巖 (K2i-l/K2i-3)膠結(jié)差,力學(xué)強(qiáng)度低,因此壩基坐落于中厚層軟弱砂巖頂部。

1.3 泄水建筑物運用要求

(1)在正常運行條件下的任何泄洪工況,均假定只有1臺機(jī)組運行參加泄洪,其余洪水應(yīng)全部由泄水建筑物宣泄。

(2)根據(jù)施工導(dǎo)流方案,在土壩施工時,泄水建筑物作為二期導(dǎo)流建筑物,應(yīng)滿足導(dǎo)流要求,宣泄施工期20年一遇洪水,洪峰流量為750 m3/s。

(3)庫區(qū)大部分為森林覆蓋,根據(jù)庫區(qū)清理的要求,只對庫區(qū)的部分森林進(jìn)行砍伐；砍伐后殘留的樹枝樹干,在蓄水后由泄水閘表孔排走。

(4)萊菲尼河雖為清水河,但建庫后仍可能有少量泥沙淤積在廠房前,應(yīng)有可靠的泄水底孔排泄淤積物。

(5)考慮到戰(zhàn)爭因素,水庫有放空要求。泄水建筑物應(yīng)滿足水庫放空要求,以便必要時對擋水建筑物進(jìn)行檢修。

2 泄水建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2001年中方與剛方簽訂合同的 《技術(shù)報告》規(guī)定,英布魯水電樞紐工程水庫總庫容為10×108m3,電站裝機(jī)容量為120 MW,按照中華人民共和國水利部SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定,確定工程等別為一等,大 (Ⅰ)型規(guī)模。永久性主要建筑物按1級建筑物設(shè)計,次要建筑物按3級建筑物設(shè)計。

初設(shè)階段進(jìn)行了庫區(qū)地形測量,按照實測的1∶10 000地形圖進(jìn)行核定,水庫實際庫容僅為5.84×108m3。考慮到庫容的減少并不降低該工程的作用和調(diào)節(jié)性能,因此,本階段未按中國規(guī)范的規(guī)定——按照庫容的減少降低樞紐等別及主要建筑物的級別和洪水標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述,泄水建筑物為1級建筑物,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇,相應(yīng)洪峰流量為962 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000年一遇 (考慮擴(kuò)大20%),相應(yīng)洪峰流量為1 280 m3/s。

3 泄水建筑物的布置與設(shè)計

3.1 泄水建筑物布置

泄水建筑物采用水閘形式,泄水閘左鄰?fù)翂?右接河床電站。由鋪蓋、閘室、消力池、海漫、防沖槽等部分組成,總長201.39 m。泄水閘左側(cè)上、下游以半重力式翼墻與土壩連接,右側(cè)為電站廠房,閘室右側(cè)下游以導(dǎo)墻與廠房尾水渠隔開。

泄水閘高32.5 m,閘室段上、下游方向長35.5 m,沿壩軸線方向頂寬37 m,底寬47.5 m。泄水閘分為2個U形閘室,左閘室由左底孔和邊墻組成,頂寬12 m,底寬25.5 m,設(shè)1個7 m×7 m(寬×高)的底孔。右閘室由表孔和右底孔組成,閘室寬為25m,布置1個表孔和1個底孔,表孔孔口寬10 m,底孔孔口尺寸為7 m×7 m(寬×高)。左右2個泄水閘壩段之間縫墩寬分別為2.5 m和2.0 m。泄水閘與土壩之間采用插入式連接,在壩軸線上游3 m處沿翼墻背坡設(shè)置1道混凝土刺墻,以延長接觸滲徑。刺墻沿壩軸線方向長5.5 m,頂寬1.5 m,左側(cè)坡度為1∶0.27。

3.2 泄水建筑物體形設(shè)計

3.2.1 底孔體形設(shè)計

底孔采用胸墻擋水,孔口尺寸為7 m×7 m,進(jìn)口底板高程為284.00 m。在壩軸線上游3.5 m、高程291.00m以上為厚2.5 m的胸墻,其底緣為曲線型,線型曲線為 (x-17.5)2/17.52+y2/3.52=1,曲線后接1∶3.005斜線。胸墻前設(shè)7 m×9.505 m(寬×高)的事故檢修閘門,胸墻后為7 m×7 m的弧形工作閘門,閘室下游設(shè)7 m×8.7 m(寬×高)的檢修閘門。

3.2.2 表孔體形設(shè)計

表孔為WES實用堰,孔口寬10 m,堰頂高程為301.70 m。溢流堰前沿與閘墩前沿齊平,堰面沿水流方向由進(jìn)口圓弧段、堰頂水平段、堰面曲線段、1∶0.7斜坡連接段、半徑為13m的圓弧反弧段和1∶4的斜坡段組成。堰頂設(shè)10 m×7.3 m的平板檢修閘門和10 m×7.45 m的弧形工作閘門,閘室下游設(shè)10 m×8.7 m(寬×高)的檢修閘門。為便于施工后期導(dǎo)流底孔封堵及運行期間的檢修,表孔與底孔下游均設(shè)置檢修門槽,在必要時利用檢修門對閘室進(jìn)行檢修。

底孔和表孔上游均設(shè)事故檢修門槽,檢修門由壩頂2×630 kN的雙向門機(jī)啟閉。底孔工作弧門采用固定卷揚啟閉機(jī)啟閉,其操作平臺高程為306.80 m,表孔工作弧門采用液壓啟閉機(jī)啟閉,其油泵房布置在縫墩上,高程為309.50 m。油泵房設(shè)有樓梯與下游檢修門高程308.50 m的操作平臺相通。底孔及表孔下游檢修閘門由設(shè)在高程308.50 m,容量為2×250 kN的臺車啟閉機(jī)操作,在操作平臺設(shè)有臺車停放間,并在高程296.50 m設(shè)置檢修平臺。

3.2.3 泄水建筑物細(xì)部設(shè)計

3.2.3.1 清污排漂設(shè)計

本工程庫區(qū)兩岸植被茂密,水庫蓄水后,將有樹枝和樹干等污物漂至壩前。為保護(hù)電站進(jìn)水口,在進(jìn)水口設(shè)主、副攔污柵2道。當(dāng)來污量較少時,利用壩頂清污機(jī)清污,污物由清污抓斗裝入設(shè)置于壩頂?shù)那逦坌≤?沿軌道送至泄水閘上游,通過表孔排至樞紐下游。為配合電站的清污運行,考慮經(jīng)常性的水庫表面排漂的需要和節(jié)約水能,在弧形工作閘門上部設(shè)置舌瓣門,在電站清污時只開啟舌瓣門即可。

3.2.3.2 泄水建筑物防空蝕設(shè)計

英布魯泄水建筑物底孔閘前靜水頭為24.5 m,表孔溢流堰頂與下游檢修閘門處高差達(dá)17.98 m,底孔胸墻下緣、表孔溢流堰頂部和下游檢修門槽下游側(cè)屬高速水流區(qū),須進(jìn)行防空蝕設(shè)計。

經(jīng)計算,底孔段,閘前胸墻內(nèi)埋設(shè)2根 Φ250 mm鋼管以摻氣減蝕。

表孔溢流堰頂部水流空化數(shù)小于初生空化數(shù),不會產(chǎn)生空蝕。

底孔及表孔下游檢修門槽,在門槽寬深比滿足規(guī)范要求的前提下,二期混凝土下游臨水側(cè)埋設(shè)工字鋼,以策安全。

3.3 消能防沖建筑物設(shè)計

根據(jù)消能防沖計算結(jié)果,消力池段長72 m,凈寬24m,由1∶4的斜坡段、平底段組成,平底段末段設(shè)端檻。

消力池斜坡段長16 m,起點高程283.00 m,與閘室出口1∶4斜坡銜接。為改善出閘后下游水流流態(tài),在表孔與底孔出口之間設(shè)中導(dǎo)墻,下延至消力池斜坡段末端。

消力池平底段長54 m,池底高程279.00 m,共分3段,底板厚度分別為2.5,1.7,1.2 m。端檻寬2 m,高2 m,與平底段底板連在一起。

消力池下游設(shè)厚為0.5 m的鋼筋混凝土海漫,以削減泄水的余能。海漫長38 m,平面呈擴(kuò)散形,底寬由29 m漸變至32.8m。海漫右側(cè)為縱向?qū)?與電站尾水渠隔開。

為保護(hù)基礎(chǔ)軟砂巖,于海漫末端設(shè)深4 m、底寬5 m的防沖槽；其底高程為277.00 m,并以1∶1.5坡度與底高程為286.00 m的下游尾水渠相接。防沖槽內(nèi)拋填塊石以保護(hù)基礎(chǔ),防止水流溯源沖刷,危及海漫安全。防沖槽左側(cè)與下游縱向圍堰連接,其邊坡為1∶2.5,并采用鋼筋混凝土護(hù)砌。

3.4 泄水閘防滲排水設(shè)計及修改

泄水閘閘基為白堊系軟砂巖,巖體透水性強(qiáng)。閘室底板以上設(shè)計水頭為24.5 m,閘室長度35.5 m,考慮延長閘室滲徑和滲透穩(wěn)定的要求,閘室上游設(shè)厚0.5 m的鋼筋混凝土鋪蓋,鋪蓋頂高程為284.00 m,上、下游方向長41.89 m,其兩側(cè)分別同上游翼墻及電站鋪蓋相接,在接頭處及澆筑塊之間均設(shè)1道橡膠止水帶及1道銅止水片。

為降低揚壓力,確保閘室抗滑及消力池抗浮穩(wěn)定,初設(shè)和招標(biāo)設(shè)計階段,消力池基礎(chǔ)排水采用排水褥墊與排水管相結(jié)合,在消力池底板下設(shè)兩層反濾層,粒徑分別為0.15～5 mm及5～40 mm,厚度均為40 cm。沿整個消力池底板設(shè)孔徑為10 cm的排水孔,縱、橫向間距均為1.5 m。

施工圖設(shè)計階段,咨詢公司指出消力池底設(shè)置排水孔,高速水流下泄時排水孔部位混凝土存在空蝕問題,建議改為U形排水管,消力池底排水褥墊內(nèi)埋設(shè)部分為打孔花管,在兩側(cè)翼墻 (導(dǎo)墻)287.62 m高程設(shè)出水口,間距2.5 m,共24排。

施工過程中,發(fā)現(xiàn)U形排水管管路堵塞,無法排水；為保證閘室抗滑和消力池抗浮穩(wěn)定,按初步設(shè)計方案,在消力池底板上補(bǔ)打排水孔,修復(fù)基礎(chǔ)排水功能。

4 泄水建筑物水力設(shè)計與模型試驗

根據(jù)泄水建筑物布置形式,分別對底孔和表孔進(jìn)行水力計算,主要計算內(nèi)容包括:泄流能力計算和消能防沖計算。

4.1 泄水建筑物的泄流能力計算及泄洪安全性評價

泄水閘底孔泄流為帶胸墻的平底閘孔出流,表孔采用WES實用堰。分別采用對應(yīng)的水力學(xué)公式進(jìn)行泄流能力計算。

為了驗證泄水建筑物的過水能力、水流流態(tài)和消力池的消能效果,進(jìn)行了表底孔斷面模型試驗和水力學(xué)整體模型試驗。

在正常蓄水位308.50 m時,相應(yīng)不同開度,表、底孔泄流能力計算值和水力學(xué)試驗成果對照見表1、2。

表1 表孔閘門開度與泄量關(guān)系表

表2 底孔閘門開度與泄量關(guān)系表

由表1、2可見,計算值與試驗值兩者基本接近。

應(yīng)剛果方業(yè)主和咨詢公司的要求,本工程進(jìn)行了樞紐泄洪能力及泄洪安全性評價。

根據(jù)泄水閘過流能力計算和水工模型試驗成果,在正常蓄水位308.50 m時,表孔泄量為330 m3/s,底孔泄量為1 560 m3/s,總泄量達(dá)到1 890 m3/s,滿足樞紐的泄流能力需要 (校核洪水流量加大20%時為1 280 m3/s,設(shè)計洪水流量為962 m3/s)。由于泄流底孔的泄流能力受施工導(dǎo)流控制,需要與另一個施工臨時導(dǎo)流底孔共同承擔(dān)導(dǎo)流任務(wù),所以,泄水閘的泄流能力有較大的余量。

根據(jù)水電工程的一般要求,泄水建筑物在每年汛期來臨前,都應(yīng)對表孔和底孔進(jìn)行檢修和試運行,以保證泄水閘在汛期能正常運用,因此,在正常情況下,泄水閘泄洪運行是可靠的。當(dāng)遇到泄水建筑物在運行期出現(xiàn)故障,假定1個表孔或1個底孔不能正常運用時,樞紐過流建筑物的過流安全性評價如下:

(1)若表孔出現(xiàn)問題,采用2個底孔進(jìn)行泄洪,最大泄流能力可達(dá)1 560 m3/s,完全可以滿足樞紐的泄洪要求。

(2)若1個底孔出現(xiàn)問題,表孔閘門全開泄洪時,最大泄流能力為330 m3/s,再考慮開啟另外1個底孔,底孔最大泄流能力為780 m3/s,表孔和1個底孔的泄流總量為1 110 m3/s,滿足10 000年一遇洪峰流量1 070 m3/s的泄洪需要。

(3)若1個底孔出現(xiàn)問題,水庫發(fā)生超標(biāo)洪水,即10 000年一遇洪水加大20%,洪峰流量達(dá)到1 280 m3/s時,這雖然是一種極偶然的情況,但在這種情況下只要開啟1臺機(jī)組發(fā)電,就可滿足樞紐保壩泄洪的需要。

綜上所述,本工程即使在1孔主要泄水孔出現(xiàn)故障,又遇超標(biāo)洪水的極端不利情況,樞紐的其它過流建筑物的過流能力仍能保證洪水順利下泄,因此,樞紐的泄水孔口和泄流能力的確定是合理的,可以保證樞紐安全泄洪。

4.2 泄水建筑物放空計算

本工程水庫有放空要求,因此泄水建筑物應(yīng)具備降低庫水位的能力,以便必要時對擋水建筑物進(jìn)行檢修。放空后的壩前庫水位由泄水建筑物的泄流能力與來水流量確定。

水庫需要放空時,開啟表孔和底孔同時泄水,不考慮電站運行。在庫水位較高時,表孔為敞泄,底孔為孔口出流,從泄流計算結(jié)果可知,此時表孔和底孔的總泄量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多年平均來水流量484 m3/s,水庫水位迅速下降；當(dāng)水位低于表孔堰頂高程時,表孔退出工作,僅由2孔底孔進(jìn)行放空運行；當(dāng)庫水位下降至底孔頂緣時,底孔泄流為淹沒寬頂堰流,只要底孔泄量大于水庫來水量,庫水位仍可繼續(xù)下降,直至來水量與泄水能力達(dá)到平衡為止。

經(jīng)計算,當(dāng)考慮上游來水流量為多年平均流量484 m3/s時,水庫最低降水水位為293.50 m。

4.3 消能防沖計算

4.3.1 計算工況及結(jié)果

根據(jù)泄水閘的布置和運用要求,本工程消能防沖計算考慮以下4種工況。從偏于安全考慮,假設(shè)泄洪過程中只有1臺機(jī)組參與泄洪,各種計算工況條件見表3。

采用規(guī)范規(guī)定的消能防沖計算公式,對各工況進(jìn)行消能計算。

表3 消能水力計算工況表 m3/s

由計算結(jié)果可知,底孔消力池計算最大池深為6.51 m,池長為59.06 m；表孔消力池計算最大池深為3.02 m,池長為45.69 m。

4.3.2 水工模型試驗成果

從水工模型試驗看,由于泄水閘表孔和底孔共用一個消力池,正常情況②由于表孔關(guān)閉,兩側(cè)底孔出流向表孔擴(kuò)散,使表孔消力池水體也產(chǎn)生旋滾與底孔水躍摻混,因此,淹沒度較大,躍首進(jìn)入閘室。泄流時有較大的水躍淹沒度,有利于減少下游側(cè)墻前后及底板上下的水壓差,試驗成果顯示消力池底高程確定為279.00 m是合適的。

考慮到各種泄量下躍尾位置上、下擺動較大,同時躍尾橫斷面上水深及流速分布亦不均勻,從偏安全考慮,消力池長度宜較計算值有所加大。從試驗流速分布成果分析,消力池末端流速分布為底大面小,計算情況②、④最大底流速尚有8～9 m/s,在海漫末端流速分布已趨均勻；因此,設(shè)置40 m長海漫段消能是必要的,綜合設(shè)計計算和試驗成果分析,確定消力池深取7 m,(消力池底高程279.00m),池長取70 m。

5 結(jié) 語

英布魯水電樞紐工程為國際工程,在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選擇,泄水建筑物運行要求等方面與國內(nèi)工程不同。作為巖基水閘,結(jié)合工程自身特點,采用兩底孔加一表孔、表孔段下設(shè)臨時導(dǎo)流底孔的布置方式,結(jié)構(gòu)緊湊、運用靈活方便。工程已于2010年8月開始蓄水發(fā)電,表孔底孔均已投入使用,目前泄水閘運行正常。