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蟠龙抽水蓄能电站下水库溢洪道技术特点与设计

2025-04-13 90 上传者：管理员

摘要：蟠龙抽水蓄能电站下水库溢洪道左边墩及泄槽段左挡墙均直接与大坝堆石区相接，下游出口河道狭窄，水流归槽条件差。通过选择合适的挡墙结构体型，并结合水工模型试验，对溢洪道出口及下游库岸防护进行优化设计，最终选用不等宽斜挑坎、拓宽及挖深下游河道等综合措施，较好解决了溢洪道下游的消能防冲问题，为工程顺利实施奠定了基础。

关键词：
挡墙
泄水建筑物
消能防冲
溢洪道
蟠龙抽水蓄能电站
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溢洪道作为表孔泄洪设施,因超泄能力较大,常配合布置为土石坝工程泄水建筑物｡溢洪道设计和布置合理与否,直接影响到工程运行安全｡从已建成的溢洪道运行情况来看,部分工程出现了不同程度的水力冲刷破坏,破坏部位主要集中在泄水陡槽､底流消能设施､挑流消能的下游岸坡等部位[1]｡蟠龙抽水蓄能电站下水库溢洪道紧邻大坝布置,由于出口河道狭窄,下泄洪水归槽条件差,存在直接冲刷对岸山体可能｡旨在通过理论分析及试验研究,解决本工程溢洪道下游的消能防冲问题｡

1、工程概况

重庆蟠龙抽水蓄能电站位于重庆市綦江区中峰镇境内,距重庆市渝中区直线距离约80km,距綦江城区约50km｡电站总装机容量1200MW(4×300MW),为一等大(1)型工程｡坝址区枢纽建筑物主要由上水库､下水库､输水系统及地下发电厂房等四部分组成｡下水库坝址集水面积100.56km2,正常蓄水位549.00m,设计洪水位550.73m,校核洪水位551.77m,死水位533.00m,主要建筑物由混凝土面板堆石坝､泄洪洞和右岸开敞式溢洪道组成,其中,泄洪洞结合导流洞布置于左岸坝肩｡工程防洪标准按200年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核｡200年一遇设计洪峰流量1089m3/s,1000年一遇校核洪峰流量1390m3/s[2]｡

2、溢洪道主要技术特点

2.1工程地质条件

溢洪道布置区地表主要为残坡积粉质黏土,地基岩性以砂岩为主,夹泥质粉砂岩与粉砂质泥岩､泥岩,呈弱风化状｡沿线地质构造简单,未发现断层通过｡由于河谷深切,岸坡发育2组延伸长且近直立陡倾(70°~85°)的卸荷裂隙,走向分别为320°､30°,水平发育深度约35m,垂直发育深度可达河床基岩面｡岩体全､强风化岩体下限埋深分别为0~7m､5~16m｡溢洪道布置区以岩体风化为主,无不良物理地质体分布,岩层向北东(山里)微倾,无构成边坡大范围失稳的结构面组合,自然边坡稳定｡由于岸坡的卸荷裂隙走向与溢洪道轴线夹角小于40°,卸荷裂隙与平缓层面组合,对溢洪道开挖边坡稳定有不利影响[3]｡

2.2溢洪道主要技术特点

2.2.1出口河道狭窄,水流归槽条件差

溢洪道出口河道狭窄,轴线与下游河道平面交角较大,泄洪水流直冲对岸,并对下游河床形成冲刷和大面积回流,对两岸边坡形成淘刷｡此外,泄洪洞出口与溢洪道出口分别布置于左右岸,且相距较近,出口水流存在空中交叉接触消能现象｡因此,溢洪道出口消能防冲问题是下水库泄水建筑物设计的主要技术问题｡

2.2.2全开泄洪时,进口存在绕流

水工模型试验初步成果显示,溢洪道闸门局部开启运行时,进水渠流态平稳,进口无不利流态产生｡闸门全开泄洪时,水流在进水渠左侧导墙上游段形成绕流,且在桩号溢0-008.000处导墙两侧存在较大水位差,对挡墙结构设计不利｡

2.2.3左边墩兼作大坝趾墙,泄槽左挡墙为挡坝高挡墙,设计难度大

溢洪道轴线与大坝轴线斜交夹角75.102°,紧邻大坝布置,进水渠导墙及左边墩兼为大坝上游趾墙,连接结构型式复杂｡泄槽段左挡墙沿线紧贴大坝下游堆石区布置,挡墙高度随堆石区相应变化,承受堆石压力大,结构设计难度大｡

3、下水库泄水建筑物及孔口尺寸选择

3.1下水库泄水建筑物选择

根据抽水蓄能电站运行特点,洪水期天然洪水侵占调节库容,发电流量与天然洪峰流量叠加可能导致下泄流量大于天然洪峰流量,致使下游产生人为洪水｡因此,下水库需设置泄洪底孔,使水库具备一定预泄能力｡同时,下水库大坝坝型为面板堆石坝,宜设置能降低库水位的放空设施｡考虑下水库洪峰流量较大,需配合布置泄洪表孔以渲泄大流量洪水,下水库泄水建筑物采用“泄洪洞+岸坡溢洪道”联合泄洪｡

因下水库集水面积及洪峰流量均较大,溢洪道采用有闸控制,并选用泄流能力相对较大的WES实用堰堰型,以降低水库洪水位及大坝高度｡

3.2溢洪道孔口尺寸选择

根据下水库洪水调度原则,当站址区遭遇超过5年一遇但小于20年一遇洪水时,单独开启溢洪道泄洪;大于20年一遇洪水时,开启泄洪洞和溢洪道联合泄洪｡泄洪洞与导流洞结合布置,其最大下泄流量419.977m3/s,联合泄洪时按总下泄流量小于校核洪峰流量控制;同时,下水库20年一遇天然洪峰流量662m3/s,溢洪道孔口最大下泄流量按两者取大值设计｡

孔口分别拟定1孔×10.0m×10.0m､2孔×9.0m×7.0m､2孔×8.0m×8.0m三个尺寸方案进行比选｡各方案比选布置原则及结构设计均一致,仅溢洪道堰顶高程及孔数存在差别｡经对各方案进行技术经济比较,最终选定孔口尺寸为1孔×10.0m×10.0m(宽×高),校核洪水位时溢洪道最大下泄流量887.09m3/s,满足泄洪要求｡

4、溢洪道设计

4.1结构设计

溢洪道泄槽平面上呈直线布置,由进水渠段､闸室段､泄槽段和下游消能设施4部分组成｡溢洪道水平投影总长249.981m,堰型为WES实用堰,堰顶高程539.00m｡泄槽净宽10m,底坡1∶1.4,出口采用挑流消能｡

4.1.1进水渠

进水渠底板高程533.00m,渠底左侧向外扩散,扩散角约为25°｡进水渠轴线总长128.878m,其中桩号溢0-018.998—溢0-363.473为圆弧段,圆弧半径75m｡根据地形地质及水流条件,右岸边坡25m范围采用贴坡混凝土直线型导墙,左侧采用重力式混凝土导墙,平面布置呈圆弧型,墙顶宽为2.50m｡进水渠底板基础大部分位于弱风化岩体内,渠底与左挡墙平齐范围采用0.5m厚钢筋混凝土衬砌｡

4.1.2闸室段

闸室段顶部高程553.00m,设有1个表孔,孔口净宽10m,事故检修闸门和工作闸门均采用平板闸门,工作闸门孔口尺寸10.00m×10.00m(宽×高)｡溢流堰采用WES实用堰,堰顶高程539.00m｡溢流堰堰体上游面铅直,堰顶上游采用三段圆弧曲线,堰面曲线方程为y=0.070627x1.85｡堰面曲线下游接直线段斜坡,直线段坡比1∶2｡直线段下游接反弧段,反弧半径18m,圆心角12.529°,反弧段下游与泄槽底板相连｡

4.1.3泄槽段

泄槽段水平投影总长147.80m,过流净宽10m,横断面为矩形,泄槽底坡1∶4｡根据水力学计算成果和水工模型试验成果确定挡墙高度,然后根据地形地质条件和枢纽布置拟定挡墙结构型式｡左挡墙墙背需承受大坝堆石压力,右挡墙需承受岸坡侧土压力,均采用半重力式挡墙｡右挡墙高度随堆石区相应变化,最大高度23.91m,最小高度9.56m,墙顶宽度由3.00m渐变至1.50m,内侧面铅直,外侧面坡度1∶0.35,底部内侧设1m宽趾墙｡左挡墙采用等高截面,墙顶宽1.0m,内侧面铅直,外侧面坡比1∶0.3,底部设0.8m宽趾墙｡泄槽底板法向厚度1.0m,底板与挡墙间设纵缝,挡墙顺水流方向间距15.0m布置1道横缝｡

4.1.4挑流鼻坎段

溢洪道出口除左岸局部基础置于强风化层外,基本都置于弱风化岩体上｡为增加下泄水流水舌入水长度,经水工模型试验论证,溢洪道出口采用不等高斜鼻坎挑流消能｡挑流鼻坎段轴线水平投影总长约44.00m,鼻坎反弧半径25m,挑坎左边墙末端挑射角26.05°,右边墙末端挑射角31.28°｡挑坎末端底部设齿墙,以保证其稳定和抗冲刷｡底板厚2.00m,采用C35抗冲耐磨混凝土｡左､右岸均采用混凝土重力式挡墙,挑坎下游采用1m厚钢筋混凝土护坦对其基础进行保护,并与下游河道防护相接｡溢洪道纵向典型剖面如图1所示｡

4.2下游消能防冲设计

溢洪道出口河道狭窄,离左岸山体较近｡为增大挑流水舌入水区的水面宽度,并结合大坝填筑料源需求,对左岸山体进行开挖,开挖有用料直接用于大坝填筑｡同时,为确保两岸边坡不因下泄水流淘刷失稳,对消能区采用“护岸不护底”的防护方案[4],在两岸开挖边坡底部均沿线布置混凝土齿墙,左岸齿墙下部布置防淘墙,齿墙下部和两侧均采用锚筋束进行锚固｡对齿墙上部边坡进行系统锚喷支护,河床消能区底部不做防护｡

4.3边坡支护及基础处理设计

溢洪道地基岩性以砂岩为主,夹泥质粉砂岩与粉砂质泥岩､泥岩｡溢洪道底板基础置于弱风化岩体上,右岸边坡按坡高15.0m开挖一级,并进行系统锚喷支护｡由于泥岩遇水极易软化与崩解,地基及边坡开挖后需立即喷混凝土覆盖,以避免浸水和长时间暴露｡

控制段基础设置帷幕灌浆,孔距2m,与大坝防渗帷幕和右岸山体帷幕形成封闭的防渗系统｡为增强地基基础的完整性,对溢洪道闸室段､挑流鼻坎段､挡墙基础等部位进行固结灌浆,灌浆孔孔深8m,排距3m,梅花型布置｡

4.4排水设计

由于溢洪道紧邻大坝布置,左闸墩及泄槽左岸挡墙均与大坝堆石区相接,排水设计需同时考虑大坝和溢洪道自身排水需求｡为降低溢洪道堰基及泄槽底板扬压力,排水设计遵循“前堵后排”原则,在闸室上游侧布置防渗帷幕,与大坝帷幕衔接形成完整的防渗系统｡在溢洪道泄槽与消能段底板及边墙分别布置排水设施,形成完整的排水系统｡

(1)底板排水设计｡在泄槽及挑流消能段底板布置相互贯通的纵横向排水管,排水管内径200mm,采用无砂混凝土预制｡其中,在左侧纵缝布置纵向排水廊道,尺寸为500mm×1000mm(宽×高)｡挑流消能段出口埋设钢管,渗漏水先通过横向排水管收集,再分别排至纵向排水廊道和排水管,最后通过出口埋设钢管排至下游｡

(2)挡墙排水设计｡左挡墙与大坝堆石区相接处设置接坡料,水平宽度2m｡左挡墙回填石渣区在石渣底部预埋ϕ500塑料盲沟,并在周边包裹0.5m厚反滤料,以防石渣中细小颗粒堵塞塑料盲沟导致排水失效,盲沟收集渗漏水直接引排至下游｡

4.5水工模型试验成果

结合下水库泄水建筑物调度要求,对溢洪道各种运行工况进行水工模型试验｡试验成果表明,当溢洪道全开运行时,各工况进水口和泄槽内流态均较好,无明显不利流态出现｡出口挑流水舌落点位于河道中间,不会冲击本岸,但会在河道左右岸形成较大回流区,冲坑最深点位于河道中间偏右岸处,需注意库岸防护｡

图1溢洪道纵向典型剖面图

溢洪道与泄洪洞联合泄洪时,在正常蓄水位549.00m下闸门局部开启运行时,进水口水面平稳,无绕流及漩涡出现｡在设计工况P=0.5%和校核工况P=0.1%时,进水口出现轻微绕流,但无不利流态出现,进口流速分布较为均匀｡出口挑流水舌与泄洪洞挑流水舌落点基本一致,且两者水舌并未完全叠加,对下游冲刷有利｡冲坑最深点基本位于河道中心线上,不会危及挑坎基础的稳定[5]｡

5、结语

针对溢洪道存在的进口绕流､出口狭窄且水流直冲对岸､左挡墙为挡坝高挡墙等设计难题,结合水工模型试验,通过采取进口左导墙布置为圆弧型､出口为不等宽斜挑坎､消能防冲区“护岸不护底”的防淘墙防护方案等一系列工程措施,基本解决了溢洪道下游的消能防冲问题,为狭窄河谷地区类似工程设计提供了新的思路,有一定的借鉴和参考价值｡

参考文献:

[1]包中进,陆芳春,屠兴刚,等.浙江省水库泄水建筑物水力冲刷破坏成因分析与对策探讨[J].浙江水利科技,2006,143(1):14-16.

[2]刘纯,鲁慧宇.蟠龙抽水蓄能电站下水库泄洪洞设计[J].低碳世界,2015(8):73-74.

[3]罗建平.重庆蟠龙抽水蓄能电站可行性研究报告-工程地质[R].长沙:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,2013.

[4]廖仁强,向光红.水布垭水利枢纽岸边溢洪道设计[J].人民长江,2007,38(7):22-23,69.

[5]李天玉,周琦.重庆蟠龙抽水蓄能电站下水库泄水建筑物补充水工模型试验报告[R].长沙:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,2017.

文章来源:刘纯,鲁慧宇.蟠龙抽水蓄能电站下水库溢洪道技术特点与设计[J].水利技术监督,2025,(05):254-257.