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新疆柳树沟水电站工程的泄水建筑物设计

日期：2015-9-21 16:15:09　来源：转载　浏览数：
　

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1 工程简介
    柳树沟水电站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内的开都河中游，距上游已建的察汗乌苏水电站厂房约10 km，距下游已建的大山口水电站的河道距离约10 km。
    工程以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合效益;总库容为7． 71 × 107 m3，装机容量为180 MW。工程于2009 年10 月开工建设， 2011 年5 月河道截流，2013 年7 月机组全部投产发电。
    2 泄洪消能规模及特点
    柳树沟水电站工程［1］由混凝土面板堆石坝、导流兼泄洪洞、溢洪洞、引水发电洞和岸边地面厂房等主要建筑物组成( 枢纽布置见图1) 。

    经上游的察汗乌苏水库调节洪峰后，枢纽工程的正常运用洪水重现期采用100 a 一遇，洪峰流量为1 700 m3 /s; 非常运用洪水重现期采用2 000 a 一遇，洪峰流量为2 230 m3 /s。
    坝址左岸为凸岸，泄水、引水建筑物均布置在左岸，洞线短且顺直; 坝址下游凸岸为Ⅲ级阶地，可布置地面厂房; 引水系统紧邻溢洪洞的外侧布置、厂房布置在泄水建筑物出口的上游，发电洞线短，尾水受泄洪出流影响也较小。
    为了节省工程投资、缩短建设工期，经过详细论证与技术经济比较，适当地抬高了导流洞的进口高程，将临时导流洞与永久泄洪洞完全结合起来，兼顾施工期导流和永久泄洪的任务; 在导流洞一次建成并完成导流任务和水库下闸蓄水后，仅对其工作闸室和挑流鼻坎段进行局部改建。
    3 泄水建筑物的设计原则
    ( 1) 本工程大坝为混凝土面板堆石坝，为提高泄水建筑物的超泄能力并增加运用的灵活性，应布置开敞式溢洪道或溢洪洞。
    ( 2) 泄水建筑物除满足安全泄洪要求，应同时考虑大坝及电站的安全、检修、放空、排污及清淤保库等综合运用要求，采用“表”、“深”结合的布置型式，互为备用。
    ( 3) 导流建筑物尽量与深孔泄洪洞结合，以降低工程投资、缩短工期。
    ( 4) 在深孔泄洪洞的型式、进出口高程及孔口尺寸确定后，按校核洪水标准确定表孔的进口高程及孔口尺寸，并确定“表”、“深”孔各自所承担的泄量。
    ( 5) 泄水建筑物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，力求线路短，建筑物进出口边坡稳定，洞轴线与岩层具有较大的夹角，洞顶及侧壁有足够的岩体厚度。
    ( 6) 工程水头较高，相应流速较大，泄水建筑物明流段以直线为宜，进出流方向应顺应河势。
    ( 7) 由于下游消能区河道狭窄，应选择合适的泄水建筑物消能工，尽量减小单位面积冲刷能量，减小冲刷坑深度，防止出流对河床两岸的淘刷或顶冲。
    4 泄水建筑物布置
    4． 1 地形地质及水文地质条件
    4． 1． 1 地形地质条件
    坝址区为典型的峡谷地形，两岸均为基岩，山势高陡; 选定坝址的左岸有凸出山梁、小弯道。坝址区出露地层为泥盆系中统萨阿尔明组下亚组下段、中段和第四系; 其中，下段为一组火山碎屑岩建造的英安质凝灰岩、凝灰质砾岩、凝灰质粉砂岩及安山质凝灰岩等，为工程主要建基层位。工程场址主要建筑物的设防烈度为8 度。
    4． 1． 2 水文地质条件
    坝址区地下水的类型主要有第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两类。孔隙潜水赋存于谷底透水性强的河床和两岸崩坡积块碎石层孔隙中，水量丰富。而基岩裂隙水赋存运移于基岩断层带及裂隙中，接受大气降水补给; 因区域干旱少雨，地下水不丰富且埋深大。
    库盘基岩主要由千枚岩夹板岩或板岩夹千枚岩及火山碎屑岩类和少量灰岩构成，坝址区浅部岩体基本属弱透水岩体，两岸相对隔水层埋深一般为80 m ～ 130 m。
    4． 2 泄水建筑物的布置型式
    根据工程的运用要求和布置原则，结合具体地形地质特点及施工导流要求等，泄水建筑物由表孔与深孔组成。为减少投资、加快进度，应充分利用导流洞; 为此，初选了与导流洞“完全结合”和导流洞后期改建为“龙抬头”的两种泄洪洞方案，并进行了详细的技术经济比较和论证［1］。
    因“龙抬头”泄洪洞比“完全结合”泄洪洞工程投资多400 余万元，且高水头的“龙抬头”泄洪洞存在较严重的水力学问题，故推荐深孔采用“完全结合”泄洪洞。在“完全结合”泄洪洞方案中，导流洞与泄洪洞完全结合，一次性建成后期局部改建; 泄洪洞能全部利用已有的导流洞断面，体现导流洞改建的经济性和实用性。在导流兼泄洪洞的体型确定后，再进行溢洪洞的设计。
    经过详细设计后，泄水建筑物采用分层布置，以导流兼泄洪洞为主，溢洪洞为辅的布置格局。两条洞线平行布置，两条洞线平面距离约60 m。泄水建筑物的工程特性见表1。

    4． 3 导流兼泄洪洞布置
    导流兼泄洪洞位于左岸，从上游而下，依次由引渠段、进水塔、压力隧洞、工作闸室、无压隧洞、泄槽及挑流鼻坎等部分组成，全长约670 m［2］。泄洪洞的设计泄量为1 292 m3 /s，校核泄量为1 334m3 /s。
    ( 1) 引渠段
    引渠段的断面为矩形，长约40 m，宽度渐缩至进口处，两侧采用混凝土重力式挡墙用以挡渣。
    ( 2) 进水塔
    进水塔采用岸塔式，长度18 m，底宽14 m，底板厚5 m，塔体总高85 m。进口采用三向收缩型，顶唇和两侧均采用椭圆曲线。进水塔内设一道平板检修门，平板门尺寸为7 m × 9 m( 宽× 高) 。塔顶布置启闭机室，由3 跨总长54 m 的交通桥与上坝进厂路相接。
    ( 3) 有压隧洞段
    有压隧洞长423 m，设置了两个弯段，整体纵向底坡为0． 945%，开挖断面为马蹄形。其中，设置了进口渐变段，长20 m，内径由7 m × 9 m( 宽× 高) 的矩形断面渐变为直径8． 5 m( 衬砌后) 的圆形断面。
    出口渐变段与工作闸室连接，长20 m，施工导流期为城门洞形断面; 在水库下闸蓄水后改建导流洞时，由内径8． 5 m 的圆形断面渐变为7． 5 m × 6 m( 宽× 高) 的矩形断面。
    ( 4) 工作闸室
    工作闸室布置于山体内，长25 m，底板厚3 m。
    工作闸室顶拱的横向跨度为13． 5 m，距底板高差为40 m。工作闸室内设置弧形工作门，工作闸门尺寸为7． 5 m × 6 m( 宽× 高) ，由布置在闸门顶的操作室内的液压启闭机启闭，操作室由132 m 长的交通隧洞连接至厂内道路。
    ( 5) 无压隧洞段
    无压隧洞长83 m，纵向底坡为4%; 断面为城门洞型，衬砌后宽7． 5 m，直墙高8 m，拱高2． 5 m。
    ( 6) 泄槽及挑流鼻坎段
    无压隧洞段后接短泄槽及挑流鼻坎段，长约25m。泄槽采用矩形断面，宽7． 5 m，侧墙高8 m。为减少射流对岸坡和河道的不利冲刷，由水工模型试验确定采用收缩窄缝式挑流鼻坎。
    ( 7) 下游护岸
    自溢洪洞上游20 m 到泄洪洞下游110 m 范围内，采用混凝土贴坡防护，底部防护至基岩。
    4． 4 溢洪洞布置
    溢洪洞布置在左岸，依次由引渠段、堰闸段、无压隧洞、泄槽及挑流鼻坎等组成，建筑物全长约440m［2］。溢洪洞的设计泄量为662 m3 /s，校核泄量为907 m3 /s。
    ( 1) 引渠段
    引渠底板高程为1 477． 0 m，断面为梯形渠槽，底宽8 m，总长约40 m。两侧为贴坡混凝土。
    ( 2) 堰闸段
    堰闸段长28 m，溢流宽度8 m，边墩厚度为3． 5m。堰顶高程为1 482． 0 m，堰型采用WES 曲线型实用堰: 上游堰高5 m，上游坡度为3∶ 1，堰面曲线方程y = 0． 0647x1． 836。堰面曲线后接1∶ 1． 5 的斜坡段，斜坡段与下游泄槽底板通过半径20 m、圆心角25． 02°的反弧曲线相接。
    堰闸段设平板检修闸门及弧形工作闸门各一道，闸门的孔口尺寸均为8 m × 12． 5 m( 宽× 高) 。
    ( 3) 无压隧洞段
    无压隧洞段长367 m。洞身段由两段组成，上游段纵向底坡为0． 03，下游段纵向底坡为0． 3，纵向底坡由缓变陡，两段之间通过抛物线连接，抛物线方程为y = 0． 03x + 0． 00596x2。洞身段标准断面为城门洞形断面，底宽8 m，边墙高8 m，顶拱高2 m。
    ( 4) 泄槽段及挑流鼻坎段
    无压隧洞后接短泄槽及挑流鼻坎。泄槽为矩形断面，底宽8 m，侧墙高7 m。因溢洪洞轴线与下游河道夹角较大，而下游河道狭窄，为减少射流对河道和岸坡的不利冲刷，采用收缩窄缝式挑流鼻坎，使出流向两侧扩散。
    5 水工模型试验验证
    经过1∶ 80 比尺的整体水工模型试验模拟，从水力学角度对枢纽布置及泄水建筑物的体型进行了验证和优选，也对建筑物的运行、下游冲淤和防护进行了研究，主要结论［3 － 4］如下:
    ( 1) 各种运行工况下，上游库区无回流。溢洪洞进口流态平稳，出流均匀，流态稳定，水面衔接自然: 泄洪洞水流平顺，进口无旋涡; 枢纽总体布置合理。
    ( 2) 泄水建筑物的泄流能力均大于计算值，满足设计要求，并有一定的富余量，实测值较相应的设计值大2． 3% ～ 3． 6%。
    ( 3) 一般而言，泄水建筑物的压力值均为正压且较大，溢洪洞的渥奇曲面局部出现了低压区( 正压) ，但此范围的水流空穴数大于0． 3，应控制混凝土表面的不平整度。溢洪洞泄槽段局部的水流空穴数较低，最小值为0． 27，此范围应值得注意，流速虽小于35 m/s，应严格控制混凝土表面的不平整度。其余部位的的水流空穴数均大于0． 3，可不设置掺气减蚀设施。
    ( 4) 因下游河道较窄，理想的鼻坎效果是出流落点分散，射流在竖向和纵向都能充分扩散。经比较选用，溢洪洞及泄洪洞均采用窄缝式导向贴角鼻坎，消能效果好。射流的水舌散开，与空气的接触面大、掺气，而且出流归槽好、河道流态较好、冲坑浅、淤积少。
    ( 5) 洪水过后，下游河道的淤积体抬高了电站尾水位，降低出力。为减小电量损失，建议对下游消能区河床中的覆盖层进行预挖。
    6 消能工体型、下游冲刷及防护
    6． 1 消能工体型选择［3 － 4］
    泄水建筑物的出口集中布置于左岸，其轴线均与下游河道有较大夹角; 因出口流速达34 m/s，鼻坎须设置约45°的急转弯，才能使高速水流在短距离内导向河道。
    本工程溢洪洞及泄洪洞泄槽末端水流的佛汝德数分别为6 和4，较适合采用窄缝鼻坎。采用收缩式窄缝挑坎，挑流沿竖向扩散，增大了射流入水面积; 而且水流与空气的接触面积大，扩散更充分，特别适用于河谷狭窄的地形。因此推荐收缩式窄缝鼻坎作为泄水建筑物的消能工。
    经过多个试验方案比较，推荐采用窄缝式导向贴角挑流鼻坎，射流在竖向和纵向都能充分扩散，左岸基本不冲，右岸冲深较小，下游河道淤积亦不大。当射流到达最高点后，空中水舌呈扫帚状且水股四散，入水时形成三个条形，入水面积较大; 与空气的接触面较大，空中消能较充分，下游冲坑较浅。电站厂房远离下游消能区，其雾化水流对厂房影响也较小。
    6． 2 下游冲刷［3］
    为进一步分析比较下游河道情况，对推荐鼻坎方案详细测试了各工况的下游河道流速分布及冲淤地形，各放水组次的下游河道冲淤特征值见表2。

    校核洪水时，溢洪洞及泄洪洞均全开泄流，水舌落点集中落于河道，右岸70m 范围有较弱的回流。因河道较窄，冲刷较严重，下游淤积体范围较大。
    设计洪水时，泄洪洞全开泄流，产生较强的回流; 溢洪洞局开泄流，不能阻挡该回流。下游河道淤积体在左岸，范围不大，河道没有被阻断。
    50 a 一遇洪水时，泄洪洞局开泄流，溢洪洞不过流，水舌落于河道束窄处，在右岸产生较强的回流。
    5 a 一遇洪水时，泄洪洞局开泄流，水舌落点靠左岸，在右岸产生较强的回流。
    6． 3 下游河道疏浚与防护
    由于下游河道狭窄，设计洪水过后，下游冲淤抬升电站尾水位约1． 1 m; 50 a 一遇洪水则影响约0． 4 m。根据水工模型试验结果，在设计洪水过后，将河道中高于平水期水位的淤积体清除，经河道疏浚后，电站尾水位没有抬高。在初期运行时，通过河道预开挖，提高运行效率和发电量。
    根据水工模型试验结果，在消能防冲设计洪水、溢洪洞局开运行或泄洪洞局开运行情况下，以及常遇洪水、溢洪洞全开与泄洪洞局开等泄洪组合情况下，水舌落点在河中，不冲砸右岸; 但考虑泄洪雾化的影响，对右岸泄洪雾化区进行覆盖层清坡处理、对于较厚覆盖层边坡进行浆砌石贴坡防护处理。左岸岸坡在泄洪洞轴线下游有局部冲刷，根据枢纽总布置对溢洪洞上游20 m 到泄洪洞下游110m 范围采用贴坡混凝土防护，防护至河道基岩。