扎拉水電站泄洪消能型式比選研究

陳 興,周 華,王 智 娟,黃 紅 飛,胡 中 平,南 江 濤

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010; 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010; 3.長江科學院 水力學研究所,湖北 武漢 430010; 4.西藏大唐扎拉水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

隨著中國水電資源開發(fā)不斷向西部推進,“十三五”期間及后續(xù)水電開發(fā)主要集中在青藏高原及其邊緣地帶,其中藏東南水電基地是重點之一。藏東南地區(qū)地處高山峽谷高地震烈度區(qū)和生態(tài)脆弱地區(qū),水電工程樞紐布置和泄洪消能設(shè)計在處理復雜工程地質(zhì)條件的同時,通常還面臨排沙和生態(tài)放水等需求,這就對泄洪消能建筑物的布置選型及運行調(diào)度安全提出了更高要求。在具備條件的情況下,混凝土壩宜盡可能在壩身布置泄洪孔口,以滿足泄洪、排沙、放空等多種功能,其中底孔在體型布置、消能效果與運行方式上通常比表孔更為復雜[1]。狹窄河谷地區(qū)混凝土壩的泄洪消能方式主要以挑流消能、空中消能、底流消能為主[2-4]。果多水電站在泄洪壩段設(shè)有3個溢流表孔和1個泄洪沖沙孔,采用“Y型寬尾墩+消力池”的綜合消能方式[5];葉巴灘水電站全壩身布置5個表孔和4個深孔,采用水舌空中無碰撞消能方式[6];卡拉水電站具有狹窄河谷、壩身泄流、邊坡卸荷發(fā)育的特點,結(jié)合水工模型試驗對底流和挑流兩種消能型式進行比選,最終選擇了“寬尾墩-跌坎消力池”的底流消能方案[7]。相比已建工程泄洪消能建筑物通常面臨的地形地質(zhì)、大流量等單一或二元約束,西藏地區(qū)河谷狹窄、地質(zhì)條件復雜、建筑物類型多、生態(tài)環(huán)保要求高等多重約束條件疊加下的泄洪消能設(shè)計研究較少。為此,本文擬依托西藏首座百萬千瓦級水電站——扎拉水電站工程,結(jié)合水力學模型試驗及技術(shù)經(jīng)濟比較等手段,從水力學條件、樞紐布置、泄洪霧化、施工條件、經(jīng)濟性等方面優(yōu)選合適的泄洪消能布置方案,為同類工程設(shè)計和科研提供參考。

1 工程概況

扎拉水電站為玉曲河干流綜合規(guī)劃的下游梯級電站,采用混合式開發(fā),壩址位于西藏自治區(qū)昌都市左貢縣碧土鄉(xiāng)扎郎村附近,廠址位于林芝市察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)珠拉村。水庫正常蓄水位2 815.00 m,校核洪水位2 816.25 m,總庫容914萬m3。電站總裝機容量1 015 MW(含生態(tài)電站15 MW),多年平均發(fā)電量38.41億kW·h(含生態(tài)電站電量0.86億kW·h)。

首部樞紐主要建筑物由擋泄水建筑物、主電站進水口、生態(tài)電站、魚道等組成。擋水建筑物為混凝土重力壩,壩頂高程2 820 m,最大壩高70 m。樞紐擋水、泄水建筑物采用重現(xiàn)期500 a洪水設(shè)計、重現(xiàn)期2 000 a洪水校核,相應(yīng)洪水流量分別為1 430 m3/s和1 840 m3/s;消能防沖建筑物按重現(xiàn)期50 a洪水設(shè)計,相應(yīng)洪峰流量1 140 m3/s。壩址河谷狹窄,兩岸岸坡較陡,河道較順直,壩址基巖主要為砂質(zhì)板巖,無強風化帶,弱風化帶厚5～22 m;臨河巖質(zhì)岸坡表層分布強卸荷帶巖體,厚2 m左右,弱卸荷帶厚2～12 m;左岸為順向坡,右岸為逆向坡。上述條件表明,該工程首部樞紐具有非對稱狹窄河谷、建筑物布置緊湊、地質(zhì)條件復雜、兼顧生態(tài)的特點,泄洪消能設(shè)計是此工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

2 泄洪消能建筑物布置

扎拉水電站為混凝土重力壩,該工程泄洪規(guī)模不大,泄洪設(shè)施全部布置在河床壩段即可滿足工程泄洪需求,且壩身具備布置泄洪孔口條件。水庫總庫容相對較小,調(diào)節(jié)能力有限,泄洪頻繁,需確保泄洪建筑物運行靈活,安全可靠。為盡量減少含沙水流對水輪機的磨損,綜合泄洪、排漂、排冰及排沙要求,結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟比選結(jié)果,選定壩身布置1個表孔+2個底孔的聯(lián)合泄洪方案。

表孔為開敞式溢流堰,跨河床壩段橫縫布置,堰頂高程2 805 m,孔口尺寸7 m×10 m(寬×高),下游堰面采用WES冪曲線。底孔布置在表孔兩側(cè),采用有壓短管型式,由進口段、壓坡段和明流段組成,進口底高程2 770 m,孔口尺寸4.5 m×6.0 m(寬×高)。

泄洪排沙運行方式如下:當洪水來量不超過正常蓄水位相應(yīng)泄量時,按洪水來量控泄以維持壩前水位不變;當洪水來量大于正常蓄水位相應(yīng)泄量時,采用敞泄方式,按相應(yīng)頻率洪水泄流能力下泄,多余洪量存蓄庫中,壩前水位相應(yīng)抬高。汛期6～9月為主要來沙期,庫水位自正常蓄水位降至排沙運行控制水位,采用控泄方式排沙[8]。

3 消能方案擬定

3.1 消能型式擬定

扎拉水電站泄洪建筑物的最大單寬泄量為136.67 m3/s,壩下水墊最深約45 m,具備挑流消能的水力條件。河床基巖為砂質(zhì)板巖,弱風化巖石屬較軟巖,薄層狀結(jié)構(gòu)完整性差,抗沖刷能力較差,微新巖石較完整,具有一定的抗沖刷能力,兩岸邊坡弱風化、卸荷巖體抗沖刷能力較差。受右岸的生態(tài)電站和魚道進魚口、河床左側(cè)生態(tài)放水孔、左岸導流洞出口布置及右岸陡傾順向巖質(zhì)邊坡限制,底流消力池長度須控制在120 m以內(nèi)。

針對以上地形地質(zhì)條件和邊界條件,初擬采用挑流和底流2種消能型式進行比選。該工程河床狹窄,為充分利用水墊厚度和巖石的抗沖能力,在保證大壩和河岸穩(wěn)定的前提下,選取壩后“短護坦+護岸不護底水墊塘”為挑流代表方案;參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗,采用壩后消力池消能作為底流代表方案。

3.2 比選方案設(shè)計

需要說明的是,兩種消能型式在設(shè)計比選過程中都結(jié)合模型試驗成果進行過局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于篇幅限制,本文將優(yōu)化后的最終方案作為兩種消能型式的代表性方案展開介紹。

3.2.1挑流消能方案

表孔末端挑流鼻坎采用燕尾式消能工,挑角20°,底孔末端挑流鼻坎采用貼角方案,挑角15°。生態(tài)放水孔采用有壓短管型式,工作門后為無壓段,下游采用WES冪曲線,末端挑流鼻坎挑角15°。

壩趾下游設(shè)置短護坦,護坦順流向長20 m,厚2 m,采用錨筋樁進行錨固。消能區(qū)采用護岸不護底防護型式,兩岸采用“鋼筋混凝土板+系統(tǒng)錨桿+錨索”進行防護。左岸防護結(jié)合導流洞出口進行,右岸結(jié)合魚道開挖一直防護到挑流沖坑下游拐彎處。兩岸護坡板底部高程伸入最深沖坑以下3 m,護坡齒墻最深底部高程2 733 m,上下游逐漸起坡,如圖1～2所示。

圖1 挑流消能方案平面布置Fig.1 Plane layout of ski-jump energy dissipation scheme

圖2 挑流消能方案典型剖面(尺寸單位:cm)Fig.2 Typical profile of ski-jump energy dissipation scheme

3.2.2底流消能方案

表孔WES冪曲線下接1∶0.75直線段與60 m圓弧,再接1∶2直線段和半徑20 m反弧段,反弧末端高程2 752.50 m,接下游消力池平直段。底孔明流段跌坎高程2 768.80 m,接半徑75m圓弧,后段銜接消力池體型與表孔一致。生態(tài)放水孔無壓段采用臺階消能型式,出壩面后以明渠型式布置于消力池左邊墻頂部,水流排泄至消力池尾坎下游,出口末端左側(cè)小貼角,并設(shè)置挑流鼻坎往河床偏轉(zhuǎn)。下游出口采用挑流消能,挑坎高程2 758.95 m,鼻坎采用左側(cè)貼角方案,挑角15°。

底流消能消力池采用矩形斷面,總長度105 m(含表、底孔壩外下坡段24.89 m)。樁號0+55處消力池寬度31 m,往下游右側(cè)逐漸擴寬,至樁號0+73處(生態(tài)電站廠房起點)消力池寬度34.5 m,樁號0+73～0+160間消力池寬度均為34.5 m。消力池底板厚2 m,底板頂高程2 752 m,消力池池深3.5 m,尾坎頂部平臺寬5 m,消力池尾坎末端樁號0+160。為使推移質(zhì)順利排出消力池,尾坎出口在池內(nèi)采用1∶2.5斜坡與消力池底板銜接(見圖3～4)。

圖3 底流消能方案平面布置Fig.3 Plane layout of hydraulic jump energy dissipation scheme

圖4 底流消能方案典型剖面(尺寸單位:cm)Fig.4 Typical profile of hydraulic jump energy dissipation scheme

消力池左岸高程2 770 m以下邊坡采用“鋼筋混凝土板(邊墻)+錨筋樁+系統(tǒng)錨桿+錨索”的綜合支護方式,高程2 775 m以上邊坡僅進行系統(tǒng)掛網(wǎng)噴錨防護。

4 消能型式比選

泄洪安全影響到首部樞紐建筑物的安全和穩(wěn)定運行,本文采用水工模型試驗對泄洪消能型式進行比選,重點通過分析兩種方案下的水流流態(tài)、壓力特性、流速分布、河床沖刷等水力特征來研究其對下游建筑物結(jié)構(gòu)和運行安全的影響。

4.1 水工模型試驗

4.1.1試驗條件與工況

本文采用1∶30整體模型試驗對消能建筑物布置和體型進行對比研究[9],模型涵蓋壩址上游地形1 000 m,下游地形800 m范圍(見圖5)。整體模型采用正態(tài)比尺,幾何模型比尺Lr=1∶30。試驗工況如表1所列。

圖5 扎拉大壩1∶30水工試驗?zāi)Ｐ虵ig.5 1∶30 hydraulic model for Zhala dam

為了評價工程消能防沖效果,對下游河床進行了動床沖刷試驗,選用天然白礬石散粒體作為動床砂模型材料,根據(jù)設(shè)計方提供的資料,河床微新板巖抗沖流速v=3.5～4.5 m/s,選取模型砂D50=1.1 cm,換算成原型的抗沖流速為4 m/s。挑流方案河床初始鋪沙頂高程2 755 m;底流方案中鋪沙盡量模擬河床地形,消力池下游動床鋪砂范圍0+073～0+213,鋪砂最低點高程2 725 m。

經(jīng)分析,同等流量情況下降低上游水位,或相同上游水位條件下加大和減小流量,下游沖刷強度均比消能防沖控制工況小,因此消能防沖工況為控制工況。

試驗同時布置了壓力監(jiān)測和流速監(jiān)測兩方面的監(jiān)測設(shè)施,具體如下。

(1) 壓力監(jiān)測:挑流方案中,表孔和底孔底板沿程分別布置了14個和8個壓力測點,用于測量時均壓力分布情況;底流方案中,表孔和底孔底板分別布置了14個和10個時均壓力測點,消力池布置了26個脈動壓力測點。

(2) 流速監(jiān)測:挑流消能方案中,下游河床從0+53～0+290樁號共布置了12個監(jiān)測斷面(每隔20 m);底流消能方案中,下游河床從0+70～0+200樁號共布置了12個監(jiān)測斷面(每隔15～20 m)。

圖6和圖7分別為挑流和底流消能方案在不同流量下的下游流態(tài)情況。挑流方案中,表、底孔聯(lián)合泄流時3股水舌平行挑射入下游河道,空中基本相互不影響,表孔水舌落點距壩腳遠,底孔水舌相落點相對近。表孔水舌居中,底孔水舌對稱分布于兩側(cè),右側(cè)落點距離建筑物結(jié)構(gòu)邊墻較近,左側(cè)距離防沖邊墻相對遠一點,約為13 m。底孔和表孔入水角度分別約為25°和32°,如圖6所示。挑坎出口貼角有助于調(diào)整流向,右側(cè)底孔落點位置明顯向河心偏轉(zhuǎn),距離魚道邊壁約為7.5 m。

圖6 不同流量下下游河床流態(tài)情況(挑流消能方案)Fig.6 Flow regime of downstream riverbed under different discharge conditions of ski-jump energy dissipation

底流方案中,水流由泄水孔下泄進入消力池內(nèi),在消力池形成淹沒水躍,躍首位于斜坡上,受紊動和池內(nèi)回流影響,躍首上下竄動不穩(wěn)定。躍尾位置隨流量不同有所變化,流量越大躍尾越靠近下游,詳見表2。水流進入消力池內(nèi)旋滾劇烈,消能比較充分,主流位于中部,在兩側(cè)形成回流。主流出底孔后整體略向右偏。左側(cè)底孔出流貼近生態(tài)孔明渠右側(cè)邊壁沖向下游,并同時沿橫向和垂向擴散,表層回流沿著生態(tài)孔下游明渠向上游至壩腳處進入消力池,如圖7所示。右側(cè)生態(tài)電站尾水出口和魚道整體回流略弱于左側(cè),但波動強于左側(cè),波動幅度基本和流量正相關(guān),工況1時,撞擊的水花偶爾到達生態(tài)電站頂部。

表2 各流量工況下水躍特征值Tab.2 Characteristic value of hydraulic jump under different dischange conditions

4.1.3壓力特性

結(jié)合沿程布置的壓力測點數(shù)據(jù)分析泄洪時結(jié)構(gòu)在動水壓力下的安全性。挑流消能方案中,工況1(校核工況)和工況5(消能防沖工況)的壓力測量數(shù)據(jù)表明,在工況1中表孔堰頂存在-1 m以內(nèi)的負壓,該處負壓值不高,并且適當?shù)奈⑿∝搲河欣谠黾有沽髂芰?。工況5及工況1中其他大部分測點均呈現(xiàn)為正壓,泄洪設(shè)施整體是安全的。

底流消能方案中,各工況表孔和底孔各測點時均壓力基本都為正壓,壓力特性較好,僅表孔堰頂曲線段有輕微負壓,局部最低壓力在0 m附近,屬于正常許可范圍內(nèi)。

消力池各工況各測點脈動壓力基本在3 m以下,最大值略超3 m;各工況脈動壓力最大值均出現(xiàn)在樁號0+80和0+92.75測點,位于水流進入消力池的旋滾劇烈區(qū)域;右側(cè)生態(tài)電站尾水出口壁面測點脈動壓力均在2～3 m之間,為靜壓的25%～27%,影響較小。

4.1.4流速與河床沖刷

三是建立健全農(nóng)村供水項目資金管理制度，提高資金使用效益。建立健全覆蓋項目立項、設(shè)計、實施、驗收、管理等環(huán)節(jié)在內(nèi)的整個資金運行全過程的管理制度體系，確保每項水利資金都有相應(yīng)的資金管理制度，嚴格使用管理。對農(nóng)村飲水安全項目的中央投資和省、市配套資金，在市農(nóng)村飲水安全項目辦公室設(shè)專戶管理，實行市級報賬制；縣級自籌資金在縣農(nóng)村飲水安全項目辦公室設(shè)專戶管理，實行縣級報賬制。對婦基會的專項百事慈善資金加強管理，屬于工程部分全部用于項目，采取水務(wù)局到婦聯(lián)報賬的管理辦法。

挑流消能方案中,各工況下落點兩側(cè)均有明顯回流。流速方面,落點處左側(cè)最大回流流速在6～7 m/s,右側(cè)在3～4 m/s;而在下游河床部位受彎道影響,右側(cè)流速普遍高于左側(cè),流速最大約4 m/s。

工況4(消能防沖工況)的沖坑最具代表性,該工況河道動床沖刷范圍為樁號0+73～0+178.6,動床沖刷坑沿河道中心線左右基本對稱,沿縱向呈“V”形坡,上下游坡度較緩,上游坡比小于下游,最大沖刷深度出現(xiàn)在右岸,沖坑最低點位于樁號0+121處,相應(yīng)高程為2 731.6 m。

底流消能方案中,整體來看水躍區(qū)域左側(cè)表層回流流速大于右側(cè),右側(cè)表層波動和旋滾強于左側(cè)。流速大小基本和流量正相關(guān)。出消力池后主流偏右,各工況底部流速沿程逐漸降低;在工況4(消能防沖工況)下,在尾坎后兩側(cè)出現(xiàn)小范圍的沖坑,最大沖深5.1 m。出消力池后,河床水流流速調(diào)整充分,接近天然河床流速分布規(guī)律,底部流速基本在1 m/s以內(nèi),下游河床沖刷輕微(見圖8)。

圖8 下游河床沖刷形態(tài)(消能防沖工況)Fig 8 Scouring morphology of downstream riverbed (energy dissipation-antiscouring condition)

4.2 泄洪沖刷及霧化影響分析

大壩下游消能區(qū)河床高程2 758 m左右,微新巖石屬中硬巖,裂隙不發(fā)育,較完整,具有一定的抗沖刷能力,且微新巖體板理面閉合,巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造有利于抗沖,能夠滿足挑流和底流消能要求。兩岸邊坡弱風化、卸荷巖體抗沖刷能力較差,通過混凝土板加強支護,可滿足兩種消能方案工程安全的要求。

模型試驗沖刷成果表明,挑流消能在下游形成兩個沖坑,左側(cè)沖坑最深約18.9 m,右側(cè)沖坑最深約17.7 m;消能防沖工況下沖坑長度范圍約117.50 m。底流消能在尾坎后兩側(cè)出現(xiàn)小范圍沖坑,最低處沖坑最深5.1 m,其他部位整體地形沖刷不大。

地形地質(zhì)條件對兩種消能型式均無重大制約,但兩岸邊坡開挖較高,且存在傾倒變形體;挑流消能霧化較底流嚴重,對邊坡穩(wěn)定、生態(tài)電站及魚道機電設(shè)備運行影響相對更大。

4.3 建筑物布置分析

兩種方案中,大壩、生態(tài)電站、魚道及導流洞布置位置與結(jié)構(gòu)型式基本相同,表孔、底孔、生態(tài)放水孔孔口尺寸、進口高程及上游部分結(jié)構(gòu)均相同,僅在下游流道出口型式有變化。兩方案在建筑物布置上沒有制約因素。

消能區(qū)邊坡防護方面,橫河向主要受制于消能區(qū)寬度。挑流方案中,在高程2 760 m處消能區(qū)總寬度為48.75 m,底流方案總寬度則為41.50 m,相較而言挑流消能左岸邊坡開挖較多。順河向受左岸導流洞出口覆蓋層堆積體的影響,兩方案消能區(qū)左岸均防護至導流洞出口。挑流方案下游右岸彎道處(樁號0+228 m)流速約4 m/s,接近基巖的抗沖流速,因此挑流消能右岸防護至河道拐彎部位(樁號0+228)處;底流消能比較充分,出尾坎(樁號0+170)后流速小于2 m/s,右岸防護至尾坎不遠處即可。挑流消能方案中右岸消能區(qū)防護長度比底流消能方案長。

4.4 泄洪對下游建筑物影響分析

4.4.1對生態(tài)電站影響

兩種方案下大壩泄洪時,生態(tài)電站機組均停止運行,且兩方案的水位波動最高點均低于生態(tài)電站尾水平臺及閘門鎖定高程,因此兩方案對生態(tài)電站發(fā)電和尾水檢修閘門的影響均較小。

底流消能方案中,水流在消力池內(nèi)形成淹沒水躍,對該段河床無明顯沖刷,消力池內(nèi)無泥沙堆積。挑流消能方案中,在消能防沖、泄洪沖沙工況下,下游河床均有不同程度的沖刷,河床沖刷深度和位置對生態(tài)電站建筑物的基礎(chǔ)穩(wěn)定有一定影響;另外水舌落點兩側(cè)均有回流產(chǎn)生,右岸生態(tài)電站廠房段回流流速3～4 m/s,尾水出口存在一定程度泥沙淤積?？梢娫趶S房基礎(chǔ)沖刷和尾水淤積方面,底流消能方案優(yōu)于挑流消能方案。

4.4.2對魚道影響

底流消能方案中,下泄水流不直接沖擊魚道進魚口,魚道側(cè)水流平順,流速較小,對進魚口結(jié)構(gòu)安全影響較小。挑流消能方案中,挑流水舌入水河段位于魚道進口段左側(cè),并形成大范圍的沖坑,最大沖坑深度低于魚道結(jié)構(gòu)建基面高程2 750 m約13.5 m;且涌浪紊亂激烈,并直接覆蓋魚道進魚口段側(cè)墻并沖擊啟閉機房等結(jié)構(gòu),對進魚口基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)影響較大,需采取加固措施?？梢娫隰~道進魚口段結(jié)構(gòu)不利影響方面,底流消能方案優(yōu)于挑流消能方案。

4.5 施工條件分析

兩種方案消能區(qū)均有小部分消能設(shè)施位于下游圍堰堰體范圍,均需要布置下游枯水期圍堰。枯水期圍堰布置在導流洞出口上游側(cè),可以滿足兩種方案消能設(shè)施及左岸防護區(qū)干地施工。挑流消能方案右岸防護范圍較大,與枯水期圍堰位置有交叉;底流消能方案右岸防護區(qū)均在枯水期圍堰防護范圍內(nèi)。施工條件方面,底流消能方案消能略優(yōu)于挑流方案。

4.6 經(jīng)濟性比較

挑流消能方案中消力池開挖工程量大,底流消能方案中混凝土工程量大,兩者左岸消力池邊坡開挖支護工程量基本相當?？傮w來看,底流消能方案投資相較于挑流消能方案多389萬元。

經(jīng)綜合比選,最終推薦選擇底流消能方案。

5 結(jié) 論

(1) 挑流消能方案各水力學指標基本能滿足要求,但水舌沖擊生態(tài)電站尾水出口和魚道進口,沖坑對其基礎(chǔ)穩(wěn)定影響較大,且防護難度高;下游沖刷易造成生態(tài)電站尾水出口泥沙淤積,且霧化對邊坡穩(wěn)定、生態(tài)電站及魚道機電設(shè)備運行有不利影響,此方案對該工程適應(yīng)性較差。

(2) 底流消能方案在各工況下水流均可在消力池內(nèi)形成淹沒水躍,水流對生態(tài)電站和魚道結(jié)構(gòu)影響較小,出消力池后與下游銜接平順,底部流速在1.0 m/s左右,表明消力池的型式和尺寸合理,消能效果較為充分。

(3) 從消能區(qū)地形地質(zhì)條件、建筑物布置、結(jié)合模型試驗對建筑物及邊坡的影響、施工條件、工程量及工程投資等方面進行綜合技術(shù)經(jīng)濟比較,盡管底流方案工程投資略高,但對生態(tài)電站、魚道的基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)安全影響較小,運行穩(wěn)定更有保障,推薦采用底流消能方案。