大藤峽水利樞紐工程泄洪消能建筑物研究與設計

譚志軍，潘明鴻

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，廣西 南寧 530200)

泄洪建筑物是水利水電樞紐的重要組成部分。其主要作用為泄洪、排沙、施工期導流及初期蓄水時向下游輸水，同時也要兼顧水電站進水口前沖沙、排漂等作用。泄洪消能建筑物設計非常重要，涉及到泄流能力、過流面空化、水流摻氣、泥沙磨蝕及對其下游河床沖刷等問題。三峽工程在校核洪水條件下，需宣泄流量102 500 m3/s，泄洪建筑物采用了深孔與表孔相間布置的型式，重點研究深孔、表孔聯(lián)合泄洪時，大單寬流量的下游消能防沖水力學問題和相應的工程措施[1]，底孔的體型研究主要是比較弧門在壩內(nèi)的短有壓管方案和弧門在壩后的長有壓管方案的可行性，經(jīng)比較選擇底孔長有壓管方案[2]。向家壩校核洪水流量49 800 m3/s，是采用底流消能的高壩工程，泄洪消能設計終采用了多股多層跌坎淹沒射流型式，即把下泄的高速射流利用多股多層水平射流方式進入消力池水體的中部，形成多個三元空間水躍和水平淹沒射流相互作用的水流形態(tài)[3]。本文以大藤峽水利樞紐工程為例，工程具有樞紐布置緊張、右岸邊坡存在順坡向軟弱夾層、泄洪流量大、泄洪時上下游水頭差不大等特點，泄洪消能建筑物設計的水力學問題突出且難度大，詳細分析了地形地質(zhì)條件、洪水特性、下游水位流量關(guān)系，借鑒三峽、向家壩的工程經(jīng)驗，選擇泄洪消能建筑物型式，研究其大泄量、低弗勞德數(shù)條件下建筑物布置。泄水閘主要采用底孔泄洪，弧門總推力巨大，其弧門支撐體結(jié)構(gòu)型式的選擇也是重大的難題。

1 工程簡介

大藤峽水利樞紐工程任務為防洪、航運、發(fā)電、補水壓咸、灌溉等綜合利用。水庫總庫容34.79×108m3，電站總裝機容量1 600 MW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。黔江混凝土主壩主要建筑物級別為1級，次要建筑物級別為3級，設計洪水標準為1 000年一遇，校核洪水標準為5 000年一遇，泄水閘下游消能防沖建筑物洪水標準為100年一遇。擋水建筑物由黔江主壩、黔江副壩、南木江副壩組成。黔江干流布置黔江主壩，其上布置擋水、泄水、發(fā)電、通航、過魚等建筑物(圖1)。黔江攔河主壩壩頂長1 243.06 m，壩頂高程64.00 m，主要由泄水閘、河床式發(fā)電廠房、擋水壩段、船閘壩段及其事故門庫壩段組成[4]。

2 泄洪建筑物設計與研究

工程壩址洪水峰高量大，5 000年一遇校核洪水峰值達66 200 m3/s，1 000年一遇設計洪水峰值達54 600 m2/s，庫區(qū)淹沒控制標準20年一遇洪水洪峰達39 000 m3/s。為減少庫區(qū)淹沒損失，降低水庫淹沒投資，泄水閘規(guī)模主要受20年一遇洪水時泄洪能力控制。受地形條件限制及廠房和船閘布置影響，在滿足泄洪安全的前提下，盡量減少溢流前緣寬度，泄水閘采用了大孔口尺寸的薄壁結(jié)構(gòu)，堰頂高程與河床高程同高，選擇帶胸墻寬頂堰(即低孔)比較合適，同時可以起到排沙的作用。樞紐布置兩岸廠房，考慮排漂和方便調(diào)度等因素，在左、右岸廠房側(cè)各布置1個表孔(高孔)。故工程泄水建筑物采用高、低孔組合的布置方案，即高孔主要滿足排漂和泄洪要求，采用開敞式實用堰；低孔主要滿足泄洪和排沙功能，堰型采用帶胸墻寬頂堰?？紤]到擋水水頭、閘門承受的水推力和樞紐總泄量，經(jīng)綜合比較選擇了2個高孔和24個低孔泄水閘布置方案。為了泄洪水流條件好，將泄水閘布置在主河床偏左岸、碾壓混凝土縱向圍堰壩段兩側(cè)，共設2個高孔和24個低孔，泄水閘溢流前緣總長度為436.70 m。為了降低二期土石圍堰施工難度，盡量多在縱向圍堰左側(cè)布置更多孔泄水閘，兼顧考慮縱向圍堰右側(cè)泄水閘能夠宣泄小流量洪水，具有更高的調(diào)度靈活性，故縱向圍堰右側(cè)布置1個高孔和4個低孔，共5孔，壩段長93.40 m；縱向圍堰左側(cè)布置1個高孔和20個低孔，共21孔，壩段長343.30 m。

2.1 泄水閘低孔結(jié)構(gòu)設計

泄水閘低孔主要任務是泄洪與排沙，采用平底寬頂堰[5]，堰頂高程22.00 m、孔寬9 m、孔高18 m，上游設雙胸墻，胸墻最低處底高程為40.00 m，按此孔口尺寸，泄水閘低孔弧門總推力達到72 576 kN，只能選用預應力閘墩，經(jīng)有限元分析計算主錨索拉錨系數(shù)選用2.2，單根錨索永存噸位為4 600 kN，設計噸位為5 600 kN，超張拉噸位為6 100 kN，無論單根錨索噸位還是弧門總推力均居于國內(nèi)前列。低孔預應力閘墩的主錨索布置采用輻射式平行布置方式。主錨索在閘墩立面上呈輻射狀，共布設5層，長短相間，“上二下三”的布置方式，錨束兩端分別錨固于閘墩中預留平孔及鋼梁上(圖2)。

圖1 黔江主壩平面布置示意(m)

注：除高程、水位外，其余尺寸單位為cm。

預應力閘墩可選用錨塊式支承結(jié)構(gòu)和深梁式支承結(jié)構(gòu)，錨塊式支承結(jié)構(gòu)多為簡單四邊形，結(jié)構(gòu)體型簡單，受力性能好，施工較為方便，多應用于大跨度、多孔口結(jié)構(gòu)。深梁式支承結(jié)構(gòu)多應用于高水頭泄洪孔，其孔口寬度較小、孔口閘墩為縫墩的閘室結(jié)構(gòu)中，它可以改善閘墩受力偏心狀態(tài)，提高閘室剛度，減小變形，并具有抵御高烈度地震或高速水流強烈振動的良好性能[6]。結(jié)合國內(nèi)外已建或在建的同類工程，大藤峽預應力閘墩弧門支承結(jié)構(gòu)分析比較鋼梁方案與混凝土錨塊方案，由于鋼梁方案在接觸面上與閘墩混凝土是脫開的，完全靠預應力錨索將鋼梁與閘墩錨固在一起，不存在閘墩頸部應力問題，整個閘墩處于受壓狀態(tài)，只需滿足鋼梁與閘墩間張開縫不影響第一排錨索，故弧門支撐體選用鋼梁方案。支承鋼梁選用單孔簡支式箱型梁，梁體為焊接結(jié)構(gòu)，材料為Q355B，鋼梁跨度為11.4 m，梁高僅為3.8 m，鋼梁兩端通過預應力錨索固定于閘墩上。經(jīng)采用三維有限元計算分析，正常蓄水位工況(右孔閘室關(guān)門，左孔閘室開門)為控制工況，在弧門推力及錨索預應力作用下，鋼梁結(jié)構(gòu)存在局部的擠壓應力，分別為橫向加勁肋與錨頭相交處、橫向加勁肋及隔板人孔周邊、隔板與弧門支座相交處。大腹板下在弧門支座與閘墩之間附近部位剪應力峰值為112.1 MPa，達容許剪應力值的86.2%；橫向加勁肋人孔周邊及與錨頭連接處Mises應力值較高，其峰值為176.7 MPa，達到容許應力值的80.3%；隔板與弧門支座相交處局部Mises應力值峰值為239.7 MPa，超出容許值的6.5%，但延伸范圍較小(圖3)。在弧門推力作用下，鋼梁與閘墩張開縫峰值各工況最大值出現(xiàn)在邊墩邊緣，數(shù)值達到2.204 mm，第一排毛所處最大張開縫峰值為0.864 mm，但數(shù)值較小。綜上所述，鋼梁支撐體不需要控制閘墩頸部應力，驗算鋼梁本身應力滿足承載力和穩(wěn)定要求，控制鋼梁與閘墩張開縫大小，解決了鋼梁支撐體的設計難題。

圖3 控制工況(正常蓄水位，一孔閘室關(guān)門、一孔閘室開門)鋼梁整體Mises應力

針對水庫水位變幅較大，汛期庫水位在47.6 m，非汛期庫水位61 m，泄水閘低孔在蓄水泄洪和騰空庫容過程中，低孔存在從堰流過渡到孔流，存在氣蝕的可能，參考三峽工程底孔設計經(jīng)驗，選用有壓短洞比較合適，考慮在胸墻部位設置鋼襯。通過水工斷面試驗比較了單胸墻和雙胸墻的泄流情況，進一步驗證了2種胸墻型式的泄流能力，對胸墻在不同水位下脈動壓力進行觀測，通過減壓試驗研究了胸墻是否出現(xiàn)空化現(xiàn)象[7]。按照SL 319—2018《混凝土重力壩設計規(guī)范》附錄A.2壩身泄水孔體型設計[8]，對低孔雙胸墻曲線進行設計，經(jīng)水力學試驗及減壓試驗驗證，低孔采用雙胸墻方案結(jié)構(gòu)整體性，泄流能力相差不大，雙胸墻對進閘水流有較長距離的導流作用，水流和胸墻底緣貼合較好，解決了底緣脫空和負壓存在的問題。

大藤峽壩址處多為那高嶺組泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖互層，考慮到地基的不均勻沉降等因素，低孔采用墩中分縫的結(jié)構(gòu)分縫型式，比較了單孔一連、兩孔一連和三孔一連的結(jié)構(gòu)型式，由于三孔一連壩段長達45.6 m并且對溫控要求過高[8]，單孔一連壩段長17 m，樞紐布置緊張情況下閘墩所占比例過高，故采用兩孔一聯(lián)的結(jié)構(gòu)分縫型式，邊墩厚度4.0 m，中墩厚度5.3 m，壩段長31.3 m。通過FLAC3D無厚度接觸摩擦單元[9]和UDEC6.0軟件離散單元法[10]，對泄水閘壩段基巖內(nèi)的軟弱夾層及斷層邊界進行了模擬，計算泄水閘壩基深層抗滑穩(wěn)定性，計算成果表明：當超載系數(shù)KP=4.0時，壩基巖體內(nèi)開始出現(xiàn)塑性破壞區(qū)；當超載系數(shù)KP=8.0～9.0時，模型內(nèi)的塑性區(qū)貫通，壩基巖體發(fā)生破壞，表明通過泄水閘上、下游齒槽及較大斷層的基礎處理措施，部分泄水閘壩段上游齒槽加深[11]，壩基滿足深層抗滑穩(wěn)定要求。

2.2 泄水閘高孔結(jié)構(gòu)設計

泄水閘高孔主要承擔排漂和泄洪任務，采用開敞式實用堰，受20年一遇洪水和5 000年一遇校核洪水同時控制，堰頂高程36.00 m，堰高14 m，孔寬14 m，高孔弧門總推力標準值達62 000 kN，只能選用預應力閘墩，泄水高孔弧門支承結(jié)構(gòu)采用混凝土錨塊，混凝土錨塊寬6.0 m，高7.0 m，厚6.8 m。經(jīng)有限元分析確定主錨索的永存噸位為4 600 kN，設計噸位為5 600 kN，超張拉噸位為6 100 kN。次錨索永存噸位為2 300 kN，設計噸位為2 800 kN。高孔預應力閘墩的主錨索布置采用輻射式平行布置方式。主錨索在閘墩立面上呈輻射狀，共布設5層，長短相間，“上二下三”的布置方式。在錨塊體內(nèi)沿水平方向垂直于主錨索布置次錨索，水平次錨索共布置3排，每排4根，共計12根。

經(jīng)有限元分析計算沿弧門推力方向的頸部應力運行期工況中頸部區(qū)域拉應力峰值為9.31 MPa，控制工況為正常蓄水位遇地震工況，拉應力沿弧門推力方向約為2.88 m的范圍超過混凝土抗拉強度標準值；上下方向約6.4 m的范圍超過混凝土標準值；超過標準值厚度范圍約為0.45 m[12]，頸部應力超標的影響深度均控制在第一排錨索范圍以外，且超標范圍較小，選用的主、次錨索可解決頸部應力超標的問題。

溢流堰上游面坡度為3∶2，堰頂與上游面采用雙圓弧曲線銜接，堰面采用WES冪曲線[13]，曲線末端下接半徑為46 m的圓弧。高孔采用墩中分縫的結(jié)構(gòu)型式，邊墩厚4 m，閘墩長67 m，壩段長30.3 m。高孔設弧形工作閘門，由液壓啟閉機啟閉，工作閘門上游設平板事故閘門，選用雙向門機操作。

注：除高程、水位外，其余尺寸單位為cm。

3 消能建筑物設計與研究

工程屬中低水頭徑流式水電站，水庫為日調(diào)節(jié)水庫，水庫調(diào)節(jié)能力較小，泄洪機率較高。壩址洪水洪峰流量大，最大單寬流量達到176 m3/(s·m)，弗勞德數(shù)(3.1～4.3)較低。選擇消能方式必須考慮如下因素：設計水頭、設計流量、河床地質(zhì)條件、泄水建筑物布置分區(qū)及運行調(diào)度方式等。工程各個頻率洪水上、下游最大水頭差不超過18 m，不能形成挑流；另外由于河床及兩岸巖石抗沖能力差，水庫上、下游運行水位變幅大，不易滿足形成面流和戽流的水位條件，而且下游有航運要求，不穩(wěn)定的水流流態(tài)將直接影響船舶的航行，故挑流、面流和戽流的消能方式均不能采用，只能采用底流消能。

初設階段結(jié)合大藤峽水利樞紐水工水力學整體模型試驗[14]，進行了消能型式比選試驗，比選了平底消力池方案、逆坡消力池方案、寬尾墩加消力池方案、逆坡消力池加“T”型墩方案和“工”字型差動尾坎[15]方案，通過試驗比較，推薦采用消力池末端設“工”字型差動尾坎?！肮ぁ毙筒顒游部驳奶攸c是在差動的消力池尾坎前放置大頭墩，消能效果較好。

技施階段考慮到本工程左側(cè)部分低孔泄水閘堰頂高程低于灘地高程，汛期低水位運行期間推移質(zhì)和施工圍堰拆除的殘留石渣過閘，可能沖擊和磨蝕消能工，高水位泄洪時消能工附近流速較高、存在空蝕的風險，進一步研究不設輔助消能工的消能布置方案。水工模型試驗在初步設計階段方案的基礎上，研究取消“工”字型差動尾坎的消力池方案。通過試驗分析比選，若采用單級平底消力池，由于取消了輔助消能工容易產(chǎn)生遠驅(qū)水躍，增加消力池尾坎高度(超過堰頂高程22.00 m)，在消力池內(nèi)產(chǎn)生強迫水躍可避免遠驅(qū)水躍的發(fā)生，但同時會影響泄水閘的泄流能力。單級平底消力池方案出口采用差動尾坎消能工時，遠驅(qū)水躍現(xiàn)象更加嚴重，有些工況甚至發(fā)生挑流流態(tài)。因此，若不在消力池內(nèi)設置輔助消能工，只能采用二級消力池方案。消能型式采用二級消力池，消力池總長175.00 m。其中一級消力池池長115.00 m，池深6.00 m，水平段長度為62.65 m，末端尾坎頂高程22.00 m；二級消力池池長60.00 m，池深5 m，水平段長度25.00 m，末端尾坎頂高程20 m，尾坎與下游河床(高程22 m)采用1∶6斜坡相接?？紤]到右區(qū)經(jīng)常宣泄小洪水，消力池容易形成遠驅(qū)水躍，為使消力池中形成臨界水躍流態(tài)，將尾坎高程適當抬高，考慮到過度抬高尾坎會增加淹沒度，從而增加底流水躍躍首拍打胸墻和弧門支鉸的概率，綜合各影響因素將右區(qū)消力池相比左、中區(qū)消力池延長20.00 m，消力池總長為195.00 m，其中一級平底消力池長115.00 m，二級消力池池長為80.00 m，并且將一級消力池尾坎抬高1 m。左、中和右區(qū)消力池下游設20 m長海漫，海漫采用混凝土板結(jié)構(gòu)。

泄水閘孔數(shù)多達26孔，考慮到運行調(diào)度及汛后檢修，消力池以縱向圍堰和消力池內(nèi)隔墻為界劃分3個消能分區(qū)，分別為左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)，左區(qū)消力池對應左岸廠房右側(cè)的1個高孔和8個低孔，中區(qū)消力池對應臨近縱向圍堰左側(cè)的12個低孔，右區(qū)消力池對應縱向圍堰右側(cè)的1個高孔和4個低孔。左區(qū)和中區(qū)采用混凝土擋墻分隔，擋墻頂高程為26.50 m；中區(qū)和右區(qū)利用下游縱向碾壓混凝土圍堰分隔，圍堰頂高程43.68 m。下泄流量小于5 000 m3/s的洪水開啟右區(qū)泄水閘，下泄流量大于5 000 m3/s的洪水進而開啟中區(qū)泄水閘，最后開啟左區(qū)泄水閘。

一級消力池采用抽排方案，能夠有效降低一級消力池護坦揚壓力，在一級消力池四周設縱、橫排水廊道，廊道內(nèi)設防滲帷幕和排水幕，從而形成封閉區(qū)，將一級消力池周圍滲水通過帷幕的阻滲和帷幕后的排水孔降壓來降低消力池護坦揚壓力。二級消力池不設抽排系統(tǒng)，護坦抗浮穩(wěn)定主要受檢修情況控制，利用錨筋樁加固消力池護坦。

4 結(jié)語

大藤峽水利樞紐工程泄洪消能建筑物因其泄洪規(guī)模大、運行調(diào)度復雜、消能弗勞德數(shù)低，采用了底孔泄洪、表孔排漂的泄洪方案，研究了各種輔助消能工的不利因素，化繁為簡地采用了二級消力池，利用消力池分區(qū)應對復雜的泄洪工況。泄水閘因其弧門推力巨大創(chuàng)造性地選擇了鋼梁作為支撐體，解決了錨塊方案的閘墩頸部應力集中問題，將鋼梁和閘墩之間的張開度作為其設計控制標準，具有極強的推廣價值。泄洪消能建筑物因其設計難點多，對同類工程具有較好的借鑒作用。