天花板水电站泄洪消能建筑物设计

林健勇，王毅鸣，李贺林

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站拦河坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高107 m。拦河坝及泄洪消能建筑物为3级建筑物，设计洪水标准为50年一遇洪水，相应入库洪峰流量为3 530 m3/s；校核洪水标准为500年一遇洪水，相应入库洪峰流量为5 650 m3/s；消能防冲建筑物设计标准采用30年一遇洪水，相应入库洪峰流量为3 090 m3/s。

电站位于牛栏江中下游流域，汛期来沙量占全年来沙量的90%以上，输沙率年际间分配不均，多年平均年输沙量为1 403万t，推移质占悬移质的15%，约为211万t。坝址悬移质含沙量为3.11 kg/m3。

坝址处河床较狭窄、泄洪功率较大，河水来沙量大。根据工程地质、地形、洪水、泥沙等情况，如何确定经济、合理的泄水建筑物布置方案，是天花板水电站泄洪消能建筑物布置时需研究的重要技术问题。

2 泄洪排沙及消能建筑物布置

2.1 泄洪消能建筑物布置原则

天花板水电站枢纽泄洪消能建筑物布置有以下特点：①坝址处河床宽度约为30～40 m，正常蓄水位的河谷宽约120 m，属于典型的窄狭谷，泄流量大，水库调蓄后最大下泄流量5 046 m3/s，泄洪最大水头69.57 m，相应下泄功率约3 500 MW。②牛栏江来水含沙量较高，为保持长期有效库容和电站进水口的 “门前清”，需考虑排沙措施。③河道下游水深较大，河床覆盖层厚度较大。

根据上述特点，确定泄洪消能建筑物布置的主要原则如下：

（1）满足枢纽正常泄洪和水库排沙需要，并有一定的超、预泄能力。

（2）泄洪建筑物正常运行时，必须确保大坝及主要建筑物运行安全，并将雾化程度减到最低。

（3）根据地形、地质条件，按照 “水舌平面分散、纵向分层拉开、总体入水归槽”的设计原则，合理选择水舌入水宽度，最大限度地分散水舌；使水舌沿纵向拉开，以减小消能区单位面积的消能功率及下游冲坑深度；使下泄水流与下游河道的天然流态良好衔接，以减少下游河道和岸坡防护的工程量。

（4）确保消能建筑物运行安全可靠且管理方便。

（5）泄洪建筑物的布置应综合考虑河道泄洪宽度，结合水力消能，尽可能方便大坝碾压混凝土施工。

2.2 泄洪排沙及消能建筑物布置

根据上述布置原则，结合坝址处水文、地质、地形条件及拱坝泄洪特点，按照施工导流度汛及水库运行、泄洪冲沙等要求，通过水力学计算和水工模型试验，以及对坝体孔口尺寸对坝体应力及削弱程度和工程量的影响等进行综合比较，确定了泄洪建筑物采用坝身泄洪的布置方式，坝身设集中布置的大孔口，即正对主河床的3个表孔和2个中孔，表、中孔间隔布置，溢流前沿总宽度为67.5 m。表孔采用挑、跌流结合的方式消能，中孔采用窄缝式消能，表孔、中孔泄流水舌纵向拉开，无叠加和碰撞。

此外，为保证电站进水口 “门前清”，还在坝身设置了冲沙孔及延伸至进水口前的冲沙廊道。受地质地形条件所限，拱坝为不对称体形。泄洪中心线走向与河道走向一致，与拱坝中心线存在4.3°夹角。

2.2.1 泄洪表孔的布置

表孔堰面曲线采用开敞式WES堰，堰顶高程1 062.50 m，上游面为铅直面。堰顶上游面采用1/4椭圆曲线，下接WES堰面曲线，WES堰下接反弧段。考虑消能布置需要，表孔出口分别布置小角度挑角或俯角鼻坎，使水舌纵向拉开，以减轻下泄水流对下游河床的冲刷。经水工模型试验分析论证确定，1、3号表孔挑角为10°，鼻坎高程为1 050.636 m，下接的反弧段半径为12.7 m；2号表孔俯角为9°，鼻坎高程为1 046.364 m，下接的反弧段半径为15.1 m。表孔均设一道弧形工作门。

2.2.2 泄洪中孔的布置

中孔采用有压长管式布置。进口底板高程1 020.00 m，进口段为喇叭口式，其顶部及两侧为椭圆曲线，底缘进口为圆弧。有压段洞身尺寸为5 m×8 m （宽×高），出口设5.45 m压坡段，出口断面尺寸为5 m×6.5 m （宽×高）。受拱坝体形影响，2个中孔洞身有压段尺寸有所差异。

为使体形简单同时减小挑距，中孔出口挑角均采用平底式，即挑角为0°。由于中孔沿泄洪轴线径向布置，孔口中心线与泄洪中心线存在夹角，使水流产生向心集中现象。为尽量避免中孔水舌向心集中，同时使水舌纵向拉开，减小入水单宽流量，尾坎采用窄缝式异型鼻坎。

中孔进口段设一道事故门，出口设一道弧形工作门。

2.2.3 排沙建筑物的布置

牛栏江汛期来水含沙量较大，而天花板工程库容有限，枢纽布置应考虑满足进水口 “门前清”的要求，使进水口尽量靠近坝体及泄洪排沙中孔，进水口布置在距坝体约35 m处，同时，为确保电站进水口 “门前清”的可靠性，还设置了坝体排沙孔及排沙廊道，排沙廊道伸至进水口前，定期冲沙，确保排沙效果和引水质量。

排沙孔进口高程1 025.00 m，坝身内孔口尺寸为 2 m×4 m （宽×高）， 下游出口尺寸为 2 m×3 m（宽×高）。进口段设一道事故门，出口设一道弧形工作门。

排沙廊道设在进水口前缘，与排沙孔高程相同，廊道孔口尺寸为3 m×4 m （宽×高）。为增加进口面积以利冲沙，在进水口前廊道段顺水流方向设有7个3.5 m×2 m （宽×高）的侧向进流孔。

2.2.4 下游消能防冲系统设计

天花板下游消能防护措施采用的原则是 “护坡不护底”，在不影响坝基稳定和两侧边坡稳定的前提下，充分利用下游水深较大、覆盖层较厚的特点，消能设施简单，未设置水垫塘及二道坝，为确保小流量时坝趾安全，在坝体下游紧接大坝坝体后设置了顺河向长40 m，厚3 m的混凝土护坦进行基础防护，两侧与左右护岸贴坡式挡墙相接。

3 水工模型试验验证

通过水力学计算及水工整体模型试验，验证了表、中孔泄洪能力及下游消能布置的合理性，试验表明：①泄流能力满足设计要求；②表、中孔体形设计满足下游泄洪消能的需要，冲坑较浅，下游消能效果好，雾化程度较低，不需要修建二道坝，冲坑不影响拱坝和下游边坡安全；③冲沙廊道冲沙效果较好，能进一步满足电站进水口门前清的要求。

4 结语

天花板拱坝下游消能区河谷较窄，水舌不宜横向扩散，泄洪消能建筑物设计时充分考虑了泄流水舌落点与下游河道方向的一致性，并充分利用了河床的有效宽度。

表孔采用小挑角及跌流组合的布置方式，水舌落点纵向拉开，可降低下泄能量，并减小对岸坡的雾化作用；中孔正对主河床中部，鼻坎为窄缝式挑流布置，充分利用空间，水舌沿横向、纵向、铅直向扩散，消能充分。此种布置方式消能工布置简单，仅需设置短护坦，可充分利用下游水深较大、覆盖层较厚的特点，冲坑深度浅，雾化程度相对较低，两岸防护工程量小。由于不必设置水垫塘及二道坝，在节省较多工程投资的同时，也缩短了工期。

正对主河床设置的中孔，除满足运行期泄洪要求外，同时也参与施工期大坝的导流度汛。此外，因河水含沙量较大，库容较小，泄洪中孔对排沙保库也起到重要作用。

天花板水电站工程实践表明，对于河谷狭窄、泄洪功率适中的水电工程，通过合理分配泄洪表中孔泄量、调整优化鼻坎体形，可以实现较好的消能效果，取得较好的经济效益。天花板水电站泄洪消能建筑物的设计方案，对规模和条件类似的工程泄洪消能建筑物的设计具有一定的借鉴意义。