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水布垭水电站泄洪消能设计创新与实践

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第41卷第6期 2 0 1 0年3月 文章编号:1001—4179(2010)06—0001—03 人 民 长 江 Yangtze River Vo1.41.No.6 Mar.,2010 水布垭水电站泄洪消能设计创新与实践 杨启贵 ,廖仁强 ,向光红 (1.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010; 2.国家大坝安全工程技术研究中心,湖北武汉430010) 摘要:水布垭水电站消能区岩性软弱破碎,抗冲刷能力低。但岸边溢洪道最大泄量达18 320 m /s,泄洪落差 171 m,最大泄洪功率31 000 MW。致使泄洪消能技术难度居国内外同类工程之首,其具体表现在:①消能区 方案选择难;②消能区防护方案选择难;③冲淤形态控制难;④防淘墙结构设计难;⑤防淘墙施工难。通过 系统的科学试验和技术攻关,首次提出防淘墙防护方案;独创新型消能工布置形式和综合防冲结构措施。工 程建成后,经过了最高运行水位的考验。对同类工程设计具有很好的参考作用。 关键词:泄洪消能;溢洪道;防淘墙;水布垭水电站 文献标志码:A 中图法分类号:TV653 水布垭水电站主体建筑物由混凝土面板堆石坝、 之首,确定合理的泄洪消能方案难度很大 。 左岸溢洪道、右岸地下电站和放空洞等组成。溢洪道 最大泄量18 320 m /s,泄洪水头落差171 m,最大泄洪 功率31 000 MW;消能区河床基岩为写经寺组页岩,岩 性软弱破碎,抗冲刷能力低;消能区左岸有大岩淌滑坡 (580万m ),右岸有马崖高陡边坡(坡高350余米)和 马岩湾滑坡(180万m )等不利的环境地质条件;消能 区紧临大坝下游坡脚,导流洞出口位于消能区的下游, 厂房尾水位于消能区的右岸,消能区的布置型式及安 全运行对各建筑物安全运行影响重大,泄洪消能技术 难度居国内外类似工程之首。水布垭水电站消能区建 筑物布置见图1。 图1水布垭水电站消能区建筑物布置(单位:m) 1设计难点与创新 1.1设计难点 (1)泄洪消能方案选择难。水布垭岸边溢洪道最 (2)消能区防护方案选择难。下游消能区防护可 采用混凝土水垫塘方案和护岸不护底的防淘墙方 大泄洪功率31 000 MW,居国内已建工程第1,世界已 建工程第2;消能区岩性软弱破碎,抗冲刷能力低;消 案 I4 J。混凝土水垫塘方案工程量大,需要安排两个 枯水期施工,且由于导流洞出口位于消能区上游,溢洪 能区左、右岸均有滑坡体,右岸还有高边坡,环境地质 条件复杂;消能区紧临大坝下游坡脚,导流洞出口位于 消能区的下游,厂房尾水位于消能区的右岸。因此,水 道存在跨汛施工带来的风险;防淘墙方案可以克服混 凝土水垫塘方案的缺点,但存在冲刷深度大,电站尾水 出口淤堵等问题。因此,消能区防护型式选择难度很 大。 布垭工程泄洪消能的综合技术难度居国内外同类工程 收稿日期:2010—01—14 作者简介:杨启贵,男,总工程师,教授级高级工程师,主要从事水电工程的勘察设计工作。 2 人 民 长 江 (3)冲淤形态控制难。对于防淘墙方案,为保证 边坡、滑坡稳定及电站运行安全,必须有效控制冲刷深 1.2.2独创新型消能工布置型式 独创性地提出了分区陡槽窄缝挑坎阶梯式出口布 置型式,在左岸1号孑L采用小贴角窄缝鼻坎,右岸5号 度,冲淤形态还需做到左岸高右岸低,并尽量减小电站 尾水处波浪及大坝下游坡脚处回流强度。因此,冲淤 形态控制是本工程消能设计的最大难点。 (4)防淘墙结构设计难。防淘墙最大高度40 m, 冲刷坑形成后,防淘墙承受动水荷载和山岩压力的双 孑L采用非对称斜切导向窄缝鼻坎的新型消能工布置形 式,保证了各级流量下均能形成典型的窄缝水舌形态 且水力特性良好,有效减轻了岸坡淘刷及大坝下游坡 重作用,结构受力复杂 J。因此,防淘墙的结构措施 除需满足自身的稳定安全,起到防冲保护作用外,还要 脚的回流强度,特别是冲淤形态得到有效控制,确保了 电站尾水出口在各种运行工况下皆无砂石淤积且下游 为滑坡和边坡的稳定安全提供有利条件。因此,防淘 墙结构设计是本工程的又一难点。 (5)防淘墙施工难。防淘墙结构复杂,墙体深 40 m,面积近3万m。,墙体下部岩石为软岩,上部为覆 盖层,且位于水下,因此防淘墙施工中的防渗、开挖、混 凝土浇筑、锚索施工等难度很大,针对不同条件选择合 适的施工方法是防淘墙施工研究的重点。 1.2设计创新 1.2.1泄洪消能及防护方案选择 首次在最大泄洪功率为31 000 MW、消能区岩性 软弱且环境条件复杂的水电站泄洪消能设计中提出岸 边溢洪道挑流消能和护岸不护底的防淘墙防护方案, 并在世界最高面板堆石坝泄洪消能建筑物中成功应 用。 (1)泄洪方案。比较了表孔和泄洪洞联合泄洪、 表孑L与深孔联合泄洪和全表孔泄洪3个方案,全表孔 泄洪方案工程量最小,水库放空时问能满足大坝检修 时间要求,综合比较选用全表孔泄洪方案。 (2)消能方案。研究了分区陡槽接连续式挑坎、 台阶式陡槽接差动式挑坎、分区陡槽接窄缝式挑坎、平 底消力池接挑流、逆坡消力池接挑流等5种方案。分 区陡槽接连续式挑坎消能率最低,台阶式陡槽接差动 式挑坎消能率最高,但台阶底坎负压太大,二级消能虽 消能率有所增加,但工程量太大、且水流流态衔接复 杂。综合比较,采用分区陡槽接窄缝式挑坎布置方案, 该方案可将冲刷坑最低高程由155 m抬高至172 IT}以 上[6 3。 (3)消能区防护方案研究。研究了水垫塘方案和 防淘墙方案,两种方案在技术上均是可行的。水垫塘 方案投资大,且要增加1a的直线工期,特别是存在很 大的度汛风险。防淘墙方案的投资与水垫塘方案相 比,可减少1.7亿元,工期安排灵活,不占直线工期,施 工度汛风险小,且通过工程措施能有效控制冲坑深度 和冲坑形态,保证岸坡稳定及电站运行安全。综合比 较,消能区防护推荐防淘墙方案。 右半侧河床基本无淤积 。 (1)窄缝鼻坎布置形式。由于电站尾水紧邻消能 区的下游,泄洪时在尾水出口产生的冲刷淤积和泄洪 涌浪有可能影响机组运行。为此对窄缝鼻坎的布置及 体型进行了深入研究,其目标是在减小冲刷深度的同 时,有效地达到对厂房尾水口门部位削波减淤的目的。 挑流鼻坎布置型式研究了平齐式、左长右短(左低右 高)、右长左短(右低左高)、左右长中问短(左右低中 间高)等多种布置方案。水工模型试验表明,挑流鼻 坎采用左低右高的阶梯式布置,能很好地适应消能区 河湾地形条件和电站尾水布置在右岸的特点,最低冲 坑高程在172 m以上,而且冲坑形态左岸高右岸低,保 证了右岸电站尾水出流顺畅。阶梯式窄缝鼻坎体型图 见图2。 (2)非对称斜切导向窄缝鼻坎。水工模型试验表 明,不同工况尤其是中小流量情况下,5号孔鼻坎体型 对冲淤形态较为敏感,同时存在水舌外缘顶冲马崖高 边坡坡脚现象,为此对5号孔进行了多种鼻坎体型的 试验研究,结果表明,5号孔采用非对称斜切导向窄缝 鼻坎体型,可以降低敏感度,有效减轻马崖山咀处河床 冲刷和左岸河床淘刷,并达到各级流量下尾水口门不 冲不淤。 (3)小贴角窄缝鼻坎。溢洪道左边孔在8 m以下 小开度运行时水舌不稳定,有水翅冲击左岸山坡问题。 经试验研究,采用小贴角窄缝挑坎体型,即在1号泄槽 鼻坎左侧加设小贴角利用冲击波非对称交汇原理使水 翅偏向河心,既可解决小开度时水翅冲击岸坡问题,又 不影响闸门大开度及敞泄时的水舌形态。 (4)最优鼻坎体型组合。挑角一10。一一6。,收缩 比0.25—0.20,1号孔采用小贴角窄缝鼻坎,5号孔采 用非对称斜切导向窄缝鼻坎。 1.2.3 综合防冲结构首次采用 首次采用“防淘墙+预应力锚索+抽排”防冲结 构综合措施,并将“平洞分层+宽竖井分序”组合施工 方法应用于水布垭防淘墙,不仅满足了墙体自身的稳 定安全,而且为滑坡和边坡的安全稳定提供了有利条 第6期 杨启贵,等:水布垭水电站泄洪消能设计创新与实践 3 件,加快了施工进度,保证了施工安全 。 (1)防淘墙方案选择。防淘墙比较了3个方案: 孔,采用抽排方式,不仅降低了山体地下水位,提高了 防淘墙和大岩淌滑坡、马崖高边坡的稳定性,而且节省 了投资。防淘墙剖面见图3。 方案1为人工开挖+预应力锚索方案;方案2为人工 开挖+锚拉洞方案;方案3为机械钻孔+预应力锚索 方案。3种方案投资和工期差别不大,在结构措施和 施工上均是可行的。方案1的防淘墙结构整体性好, 采用预应力锚索结构不但可以加固防淘墙,还可以起 到加固岩体的作用,并可改善防淘墙和墙后岩体的应 (3)防淘墙施工。首次将“平洞分层+宽竖井分 序”组合施工方法应用于水布垭防淘墙。软岩层防淘 墙开挖和混凝土浇筑采用平洞分层法,利用施工竖井 由底部自下而上施工,开挖支护浇筑完一层后再施工 上一层,底部第1层开挖高度5 m,其余层开挖高度3 力状态,减小变形,施工方法为常规方法,经综合比较, 采用方案1的防淘墙结构形式。 ∞ji∞ 图2阶梯式窄缝鼻坎体型(单位:m) (2)防冲结构综合措施。采用“防淘墙+预应力 锚索+抽排”防冲结构综合措施,不仅可以满足墙体 自身的稳定安全,而且为滑坡和边坡的安全稳定提供 了有利条件。利用锚索布置灵活的特点,克服了国内 其他类似工程采用钢筋混凝土锚拉洞受力集中的缺 点,大大均化和降低了防淘墙墙体的应力;采取的对穿 型预应力锚索,不仅减小了消能区软岩对预应力锚索 锚固力的影响,满足了结构要求,而且加快了施工进 度;利用预应力锚索拉锚洞兼作排水洞,洞内布置排水 m,浇筑层高度均为3 m;覆盖层中采用宽竖井分序法 施工,即将墙体划分若干个宽竖井(宽度5~12 m)结 寻 哥 i:}: 一∞ 构分块单元,分3序间隔施工,各序均自上而下分层开 挖支护至底部,然后由底部分层浇筑至墙顶,该组合施 工方法既保证了施工进度和质量,又保证了施工安全。 图3防淘墙剖面(单位:m) 2工程实践 工程建成后,经过了洪峰流量6 800 m /s(3 a一 遇洪水)、最高运行水位397.4 m、最大泄量3 011 m /s 的泄洪考验,历时46 h,泄洪后检查表明,溢洪道泄槽、 掺气坎、窄缝鼻坎消能工等均完好无损,电站尾水出口 无砂石淤积,消能区冲淤地形与水工模型试验成果的 总体规律一致,且冲刷深度略浅、淤积高度略小。安全 监测成果表明,防淘墙、马崖高边坡和大岩淌滑坡均运 行正常。 3结语 水布垭泄洪消能建筑物采用岸边溢洪道分区陡槽 窄缝鼻坎阶梯式出口挑流消能和护岸不护底的防淘墙 防护方案,很好地适应了坝址区地形地质条件和枢纽 建筑物布置特点,解决了消能区为软岩且环境地质条 件复杂的大功率泄洪消能技术难题,可为类似工程借 攀 (下转第7页) 可墨 .r 寸 第6期 吴泽宇,等:长距离输水渠道超高设计研究 7 方法和计算公式,即超高F =max(F。,F。,F,,F )+ F一对公式中每一项的计算方法进行了详细的表述, 可供渠道设计时运用或参考。 参考文献: [1] 邵剑南,吴剑疆.对输水渠道渠岸超高设计的探讨[J].水利规划 与设计.2008,(6):3O一33. [3] 河海大学.长距离调水系统调度控制理论及关键技术研究[R]. 南京:河海大学,2006. [4] MONTANES儿.Hydraulic Canals[M].London:Taylor&Francis, 20o6. [5] 长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期工程可行性研究总 报告[R].武汉:长江勘测规划设计研究院,2005. (编辑:徐诗银) [2] 吴泽宇,周风珍.调水工程渠道系统设计方法与实践[M].武汉: 长江出版社.2007. Research on canal freeboard design of long——distance water diversion project WU Zeyu ,FAN Jie ,TANG Jingyun ,HUANG Huiyong’,Li Jing (1.Design Institute,Changiang Watfer Resources Commission,Wuhan 430010,China;2.Construction and Administration Bu— Feal ̄ofMiddle Route ofSouth—to—North Water Diversion Project,Beijing 100038,China) Abstract:The current codes on canal ̄eeboard do not suit the canal ̄eeboard design of long—distance water diversion project in China.The check gate control method is used in modern canal design,arising water level fluctuation in flow control,however, the transient flow wave has not been considered in the canal design before.Based on unsteady flow simulation method,we analyze and calculate the main influencing factors of canal freeboard and present the formula and methods of canal freeboard design in long—distance water diversion project,which can provide a reference for canal design. Key words: canal freeboard;flow capacity;method of operation;unsteady flow simulation (上接第3页) 参考文献: [1] 杨启贵,廖仁强,陈代华,等.水布垭水利枢纽设计创新与实践 [J],人民长江,2007,38(7):16一l8. [2] 长江勘测规划设计研究院.湖北清江水布垭水利枢纽可行性研究 报告[R].武汉:长江勘测规划设计研究院,1998. [3] 长江科学院.水布垭水利枢纽消能防冲及电站尾水防淤积优化试 验研究报告[R].武汉:长江科学院,2005. [4] 长江科学院.水布垭水利枢纽泄洪消能防冲水工模型试验研究综 合报告[R].武汉:长江科学院,2000. l5 J 张建辉,彭圣华.水布垭水利枢纽防淘墙设计与施工方案研究 [J],人民长江,2007,37(7):28—3O. J],人民长江, 【6 J 廖仁强,向光红.水布垭水利枢纽岸边溢洪道设计[2007.37(7)26—27,73. L J 黄国兵,王才欢,王春龙,等.水布垭水利枢纽泄水建筑物主要水 力学问题研究[J],人民长江,2007,37(7):99—102,113. (编辑:徐诗银) Design innovation and practice for flood discharge and energy dissipation structure of Shuibuya Hydropower Station YANG Qigui ,LIAO Renqiang ,XIANG Guanghong (1.Design Istnitute of Chang3iang Water Resources Commission,Wuhan 430010,China;2.Natoinal Research Centerfor Dam Safety Engineering Technology,Wuhan 430010,Chia)n Abstract:The rock mass in the energy dissipation area of Shuibuya hydropower station is soft and fractured,and easy to be scoured,however,the maximum flood discharge of spillway on bank is 18 320 m3/s with water fall of 171 m and flood discharge power of 3 1 000 MW,which makes it the most diicfult in energy dissipation design orf hydropower projects in the world.The dif- ifcuhies are as follows:(1)selection for enery digssipation area;(2)selection for enery digssipation protection scheme;(3) control for scouring and siltation morphology;(4)structure design of anti—scouring wall;(5)anti—scouring wall construction. Through research and test,we put forward the protection scheme for anti—scouring wall,new layout of energy dissipation stnc— rture and comprehensive anti—scouring stucrture.After completion of the project,the anti—scouting structure withstood the high— est operation level test.The design experience can provide reference for similar projects. Key words: flood discharge and energy dissipation;spillway;scouring—anti wall;Shuibuya Hydropower Station 

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