杨房沟水电站泄洪消能设计

于 青，王建新，何明杰，殷 亮，黄熠辉

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概况

杨房沟水电站为雅砻江中游河段一库6级开发的第5级，工程的开发任务为发电。水库总库容为5.125亿m3，电站装机容量为1 500 MW，多年平均发电量68.74亿kW·h，保证出力524 MW。枢纽建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高155 m。工程为一等工程，工程规模为大（1）型。其泄洪建筑物为1级，按500年一遇洪水设计、5 000年一遇洪水校核，相应的洪峰流量分别为9 320，11 200 m3/s。消能防冲建筑物按100年一遇洪水设计，相应的洪峰流量为7 930 m3/s。

2 泄洪消能方案选定

杨房沟水电站坝址区河谷总体呈由宽～窄～宽形态。两岸地形陡峻，地形坡度50°～60°，局部达70°，左岸2 300 m高程以上地形较缓，坡度30°～40°。枯水期河面宽56～102 m，水位高程1 983～1 985 m，水深1.5～6.0 m不等。枯水期水流稍平缓，雨季水流湍急。河床表层为混合土卵石覆盖，主要由卵石、漂石及块石、局部夹砂层及砾石层等组成，厚18.7～32.1 m。下伏基岩为花岗闪长岩，岩质坚硬，呈弱～微风化状。河床无断层分布，但下伏基岩节理较发育，表层岩体以Ⅲ1类岩体为主，一般厚1.0～7.5 m，局部达12.6 m，其下以Ⅱ类岩体为主，抗冲刷能力较强。

拱坝泄洪设施采用坝身孔口泄洪或坝身孔口＋坝外泄洪两大类。坝身孔口＋坝外泄洪多用于工程规模巨大、泄洪量大等工程，如二滩、小湾、溪洛渡、构皮滩等工程。杨房沟坝址两岸地形高陡，临江边坡顶高程为2 500 m，没有条件布置岸边开敞式溢洪道。同时由于左岸布置地下引水发电系统，没有条件布置泄洪洞。如果泄洪洞布置于右岸，则泄洪洞进口和部分洞身段将位于变质粉砂岩内，使得进口边坡和隧洞地质条件较差，出口位于杨房沟下游的右岸陡壁处，总体布置条件较差。泄洪洞方案洞长约740 m，即使利用导流洞改建，增设泄洪洞的代价也较大。考虑到杨房沟拱坝最大坝高155 m，最大泄量为11 200 m3/s，坝身泄洪功率为10 960 MW。工程规模和泄洪量均处于中等水平。参考国内已建同等规模工程，如白山、江口等，都全部采用坝身承担泄洪任务，综合分析，杨房沟泄洪建筑物不需在坝外设置泄洪设施。

坝身孔口泄洪具有水流归槽平顺、枢纽布置紧凑等优势而成为常用的、经济的泄洪方式。对于河谷狭窄、水头高、泄量大的水力枢纽泄洪消能问题，“消能防冲”往往是控制条件。杨房沟最大泄洪功率约为10 960 MW，水垫塘内单位水体消能功率为11.5 kW/m3，同时坝下消能区河床基岩为花岗闪长岩，岩体的抗冲刷能力较强，消能条件较好。水工整体模型试验表明，底板最大冲击压强为14.10×9.81 kPa，与类似工程相当。

根据国内工程经验，结合该工程泄洪布置条件，杨房沟水电站设置坝外泄洪设施必要性小且条件差，全部通过坝身宣泄11 200 m3/s洪水是可行的。因此，杨房沟水电站泄洪消能采用“坝身3个表、4个中孔泄洪＋坝下水垫塘”布置型式。

3 泄洪消能建筑物设计

3.1 设计原则及布置

1）结合杨房沟工程水库特性，水库调节库容小等特点，应采取灵活、可靠的泄洪方式，具有一定的超泄能力，确保洪水安全下泄。

2）尽量充分利用混凝土坝和尾水较高的有利条件，采用坝身泄洪、坝下消能的布置格局。

3）应充分利用坝身布置分层孔口出流，控制坝下分区消能，减少对消能区建筑物冲击压力。

4）坝后消能区布置以尽量减少对两岸边坡开挖为宜，并考虑入水水舌在近岸处要有足够水深，避免干砸岸坡。

5）控制雾化影响范围，减少泄洪雾化对两岸边坡的影响。

6）应协调好坝后消能与枢纽建筑物之间关系，避免对尾水出流造成明显影响，并避开杨房沟对枢纽建筑物的影响。

根据上述设计原则，表、中孔采用空中少碰撞的布置型式，即表孔出口采用收缩型式、中孔出口采用收缩型式的宽尾墩+坝下水垫塘、二道坝。

我们对脑电生物反馈治疗方式的效果和安全性进行了研究,脑电生物反馈治疗时物理治疗,效果好,安全性高,对焦虑、抑郁等障碍有很好的治疗效果。治疗的时候,操作人员接收患者的脑电信号,通过及技术来进行处理,通过音乐和游戏等反馈到大脑,让患者有意识的进行机体活动调整,改善自身的情绪状态。

3.2 泄洪表孔体型设计

坝顶3个开敞式溢流表孔布置在9～12号坝段，跨横缝布置。表孔堰顶控制线采用圆弧形，圆心半径为210 m。2号泄洪表孔中心线与拱坝中心线呈2°交角，其余孔口对称于2号泄洪表孔中心线径向布置，2号表孔中心线与1号、3号表孔中心线夹角为6.546°。3个泄洪表孔平面呈上游等宽、下游收缩型，其中堰顶控制线下游3.5 m以上的表孔为12 m等宽布置，堰顶控制线下游3.5 m以下的表孔由12 m收缩到8.7 m和10 m，收缩角分别为5.27°、4.4°和 2.94°。表孔出口采用 30°俯角。

溢流表孔在设计洪水位2 096.27 m和校核洪水位2 099.91 m时泄量分别为4 575 m3/s和6 322 m3/s，下泄水流落差大，单宽流量大，为减少表孔泄洪对水垫塘及两岸的冲击动水压力，3个表孔均采用跌流形式，俯角为30°，出口底高程2 069.23 m。

3.3 泄洪中孔体型设计

由于泄洪中孔水头高，断面尺寸大，孔内最大流速约35 m/s，中孔事故检修门槽、孔身弯道段及出口处易遭空蚀破坏。且中孔位于拱坝中部高度，一旦遭到空蚀破坏，检修困难并会危及到坝体安全。因此为防止高速水流的冲刷造成中孔孔道空蚀磨损破坏，为确保大坝运行安全，中孔全孔道采用钢板衬护，钢板厚度取24 mm，并在整个孔道钢板上每50 cm设置一道环向加劲肋。

为尽量避免中孔水舌向心集中，同时使水舌纵向拉开，减少入水单宽流量，提高消能效果，孔口出口设置对称的宽尾墩，出口宽度由5.5 m收缩到3.3 m，收缩比为0.60，宽尾墩收缩段长为7 m。

3.4 坝下消能建筑物设计

根据杨房沟工程泄洪建筑物的特点，为防止泄洪消能区河床及两岸边坡受泄洪水流的冲刷破坏，确保大坝及抗力体的安全，坝后消能建筑物采用水垫塘和二道坝结合的方式。

3.4.1 水垫塘布置

水垫塘紧邻拱坝下游布置，位于1 953 m高程以下河床部位。在坝0+214.10 m桩号前，水垫塘中心线与拱坝泄洪中心线重合。在坝0+214.10 m桩号后，为有利于水垫塘末端和二道坝下游水流归槽，水垫塘中心线向右岸偏转10°，方位角为N18°W。

水垫塘自拱坝坝趾到二道坝前总长约199.62 m，相应的桩号为坝0+14.48 m～坝214.10 m。其断面形式采用混凝土衬砌的复式梯形断面，底板采用平底设计，厚度为3 m，底板顶面高程根据底板建基条件分别确定，水垫塘上游侧采用1 953.00 m、中部为1 949.00 m、下游侧为1 952.00 m。根据坝后地形、地质条件及抗力体稳定要求，自上游向下游方向水垫塘底宽为75～45～67 m不等。水垫塘两岸边墙每隔20 m左右设一级马道，马道宽约3 m，其中2 002 m高程为满足检修等要求马道宽为5 m。边坡坡度均为1∶0.3。水垫塘两岸边坡采用钢筋混凝土砌护：1 988.5 m高程以下混凝土厚度为3 m；2 002～1 988.5 m高程混凝土厚度为2 m；2 002～2 020 m高程混凝土为1 m；2 020 m高程以上混凝土为0.5 m。

3.4.2 二道坝布置

二道坝轴线位于坝下0+225.55 m桩号，垂直于水垫塘末端中心线布置，坝轴线长108.35 m，坝轴线方位为NE72°。坝顶高程1 988.50 m，坝顶宽为6.0 m，建基面高程1 950 m，最大坝高38.50 m。坝体剖面采用上游坝坡为1∶0.3，下游坝坡为1∶0.5的实体溢流式重力坝。二道坝坝基部位布置灌浆排水廊道和排水廊道，廊道断面尺寸为2.5 m×3.5 m(宽×高)，并与上游水垫塘底板周边的主排水廊道衔接。灌浆排水廊道内设置排水孔幕和灌浆帷幕。

3.4.3 水垫塘抽排水系统布置

水垫塘底板下部设置有主、副排水廊道相结合的封闭式抽排水系统，并在廊道内设置排水孔幕，以充分降低底板扬压力。其中，水垫塘底板近两岸坡脚部位顺水流方向为主排水廊道，断面尺寸为2.5 m×3.0 m（宽×高），向上游延至坝趾处，下游与二道坝灌浆排水廊道衔接形成封闭回路。在坝0＋64.00 m、坝0＋116.00 m及坝0＋172.00 m桩号处分别设置3条横河向副排水廊道，断面尺寸为2.0 m×2.5 m（宽×高），均与两侧主排水廊道衔接。

互为连通并封闭的主、副排水廊道在左岸主排水廊道坝0＋172.00 m桩号通过水垫塘主排水洞与左岸抽水竖井（集水井）连通，由布置在2 002 m高程坝肩排水洞内的抽水泵房将主、副排水廊道内的地下水和渗漏积水抽排至二道坝坝后河道。

4 水工模型试验

根据上述泄洪消能建筑物布置进行整体水工模型试验，主要结论如下：

1）泄洪消能建筑物布置总体布局合理，方案可行。

2）泄洪表孔和中孔试验泄流能力比计算结果稍大，满足枢纽泄洪要求。

3）各试验工况下，库区来流平顺，水面平稳，泄洪表孔闸门局部开启有阵发性微凹漩涡，泄洪中孔无吸气漩涡。

4）表、中孔水面线高度均满足闸门结构布置要求，中孔出口由于宽尾墩消能工对水舌的影响，局部水面线束窄抬高，但不影响闸门启闭运行。

5）泄流水舌消能设计工况水舌没有碰撞现象，设计工况偶有擦碰现象，校核工况各相邻水舌间有间断性擦碰现象。

6）水垫塘底板冲击压强在校核工况联合泄洪时达最大值，最大值为14.10×9.8 kPa，小于设计允许值15×9.8 kPa，水垫塘底板最大冲击压强主要由表孔泄流水舌控制。

7）水流出二道坝后受河道地形以及电站出水渠隔墙的影响，主流偏右岸。由于流速偏大，下游河道建议采取护坡处理。

5 泄洪雾化预测及边坡防护

1）泄洪雾化预测。杨房沟水电站位于“V”型河谷，最大坝高155 m，最大泄量达11 200 m3/s，最大泄洪功率10 960 MW。其泄洪消能型式采用表、中孔鼻坎挑流，在实施纵向拉开的基础上，尽量减少表、中孔水流空中碰撞。根据水工模型试验成果，设计消能和正常水位水舌没有碰撞现象，设计洪水工况偶有擦碰现象，校核洪水工况相邻水舌间有间断性擦碰现象，表、中孔水舌空中碰撞情况明显减弱，但仍存在水舌入水所产生的雾化问题。由于杨房沟水电站为地下厂房，出线场等主要电气设备均布置在大坝上游，尾水闸门井布置在山内，故雾化对发电及电气设备基本没有影响，仅对左、右岸进场公路及两岸边坡有一定的影响。

结合杨房沟水电站整体水工模型试验成果及参考已建工程原型观测资料类比成果，对杨房沟水电站泄洪雾化范围进行初步预测，见表1。

表1 泄洪雾化预测表

2）边坡防护。根据杨房沟工程泄洪雾化预测成果，考虑到薄雾降雨区范围相对较大，已超出枢纽区建筑物范围。同时考虑到薄雾降雨区雨强较小，对两岸边坡及公路影响有限，因此薄雾降雨区不进行防护，仅对水舌裂散及激溅区和浓雾暴雨区进行防护。防护范围为：边坡防护高程为2 020～2 102 m(坝顶高程)，沿河道纵向到坝下游500 m范围内，其中左岸从坝下到杨房沟沟口上游侧；右岸从坝下到1号导流洞出口。

结合杨房沟工程边坡特征，原则上不对两岸陡壁进行大规模开挖，依边坡陡壁顺势支护。主要防护措施：高程2 002 m以下为水垫塘，底板及侧墙采用2～3 m厚钢筋混凝土板并布设锚筋桩或锚筋；高程2 002～2 102 m两岸边坡主要采用0.5～1.0 m厚的钢筋混凝土板或喷混凝土保护，并设置系统锚杆和排水孔。对于两岸边坡存在的可能滑移块体，采用预应力锚索或其它锚固措施进行加固。

6 结语

1）杨房沟水电站泄洪消能采用表孔和中孔坝身集中泄洪、坝下水垫塘消能的布置方案，较好地适应了该工程的地形地质条件及泄洪消能特点。

2）表孔出口采用平面收缩、中孔采用对称宽尾墩布置，可有效地减少表、中孔水舌空中碰撞，减轻泄洪雾化对两岸边坡的影响。水工模型试验也验证这一点：消能设计工况泄流水舌没有碰撞现象，设计工况偶有擦碰现象，校核工况各相邻水舌间有间断性擦碰现象。

3）由于表、中孔水舌空中少碰撞，使得表孔下泄水舌对水垫塘底板冲击压强较大，在校核工况联合泄洪时达14.10×9.8 kPa。应进一步优化表孔布置型式，以减少表孔下泄水舌对水垫塘底板冲击压强。

［1］王仁坤.溪洛渡水电站高拱坝大流量泄洪消能技术研究［J］.中国三峡建设.2005（6）.