那兰水电站溢洪道设计

严铁军　陆新佳

摘 要：那兰水电站工程枢纽由混凝土面板堆石坝、岸边式溢洪道、引水发电系统及冲沙建筑物等组成，布置紧凑。溢洪道为岸边开敞式建筑，是枢纽唯一的泄洪建筑物。溢洪道沿线地质条件差，泄槽段基础有F2断层通过，岩石较软弱，消力池位于断层破碎带上，地基强度不够，抗冲刷能力弱，采用底流消能。还存在消力池高边墙稳定问题，设计难度较大，进行了水工模型试验及地基承载力原位试验研究，采取了基础处理措施，以确保电站的安全运行。

关键词：那兰水电站 溢洪道 消力池 设计

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0033-02

那兰水电站位于云南省红河州金平县境内藤条江下游河段，为藤条江干流五个梯级开发方案中的最后一个梯级。电站为堤坝式开发，以发电为主，装机150 MW。坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高109 m。枢纽工程等别为二等，工程规模为大型。枢纽由混凝土面板堆石坝、岸边溢洪道、引水发电系统及冲沙建筑物等组成。设计洪水标准为100年一遇，溢洪道相应下泄流量为2065 m3/s，校核洪水标准为2000年一遇，溢洪道相应下泄流量为2711 m3/s，下游消能防冲设计洪水标准为50年一遇，溢洪道泄量1679 m3/s。

溢洪道为岸边开敞式布置，是枢纽唯一的泄洪建筑物，采用底流消能，由引渠、溢流堰、泄槽、消力池、海漫等组成。

1 工程主要问题

溢洪道沿线地质条件差，泄槽段基础为粉砂质泥岩并有F2断层通过，岩石较软弱，消力池位于断层破碎带上，地基强度不够，抗冲刷能力弱，而泄洪功率又较大，存在变形稳定问题。消力池边墙最高达31 m，应考虑消力池的稳定，消力池与基础的连接、结构分缝等问题，需进行专门研究。

2 溢洪道布置

溢洪道为开敞式，位于左坝肩，紧靠混凝土面板堆石坝布置，由引渠、溢流堰、泄槽、消力池、海漫组成。引渠长约113 m，为将水流顺畅地导入，在坝体与溢洪道之间设导水墙，整个引渠段呈喇叭口形的弯道，宽度由75 m渐变至37 m。溢流堰建于微风化基岩上，前沿宽度37 m，设3孔10 m×10 m弧形工作闸门，中墩厚3.5 m，边墩为挡墙结构。泄槽段长297 m，横断面为矩形，因地质条件差，为降低单宽流量（控制在50 m3/s以内），减小消力池规模，平面上采用1.749°的角度向两侧扩散，宽由37 m渐变至55 m，底坡为二级坡。消力池段采用渐扩式，总长105 m，前63 m段为开挖河床降低护坦高程形成消力池，底板高程311.5 m，宽由55 m渐变至58.836 m，护坦厚3 m，边墙高程336.5 m；后42 m为渐扩式斜尾坎，采用i= 0.2738的反坡与尾顶连接，宽度由58.836 m渐变至61.401 m，高程由311.5 m渐变至323 m。消力池下游河床冲积层厚约10 m，以砂卵砾石为主，其下为F2断层影响带和F1牛场断裂破碎带，抗冲性均极差，为保消力池安全运行，需铺设浆砌石海漫，长约75 m。

3 水工模型试验

为解决溢洪道泄洪消能问题，可行性研究阶段做了1∶75的枢纽整体水工模型试验，针对溢洪道特殊的地质条件，在施工图阶段又进行了1∶50的溢洪道单体水工模型试验，以达到验证溢流堰的过流能力；比较、优选溢洪道底流消能工结构体型的目的。

试验成果如下。

（1）在设计洪水位427.07 m及校核洪水位427.95 m时，试验测得溢洪道三孔全开运行时的下泄流量为2485 m3/s、2735 m3/s，相应流量系数为0.446、0.442，与计算值相当，而设计要求溢洪道在其相应水位下的泄流量为2005 m3/s、2711 m3/s，泄流能力满足设计要求。

（2）泄槽水面曲线：泄槽上设有两道掺气坎，水流过掺气坎后，形成底空腔，掺气显著，水面分散成多股水流，挑射水舌对底板的冲击力不大，水舌冲击区的最大脉动压力均方根值为22.86 kPa。泄校核洪水时，测得1#掺气坎上水深2.5 m，平均底流速22.68 m/s，坎后最高水深4.85 m；2#掺气坎上水深2.25～4 m，平均底流速28.6 m/s，坎后最高水深6 m；水跃跃首位置在桩号0+294.683 m附近，水深1.25～7.5 m，平均底流速35.5 m/s；消力池尾坎顶平均水深9.58 m，断面平均流速6.1 m/s。

（3）消力池流态：各频率洪水工况下，在消力池内均能形成淹没式水跃。在P=2%及以下各工况，消力池内水流流态较好，出池水流较平顺，和下游河床水流衔接良好。从消能率来看，消力池的消能效果较好，在泄P=2%及以上洪水时，佛汝德数Fr较大（9.55～11.5），消力池内水流旋滚较大，消力池首端脉动压力最大值为23.76 kPa，满足工程设计要求。

通过试验，泄槽段底坡优化成二级坡：i1=0.2867（水平距约99m），i2=0.3471（水平距约196 m）。从控制段末端以1.749°的角度扩散至消力池尾部（消力池为矩形水平扩散式），使整个泄槽段的水流流态得到改善，水深分布均匀。消力池池长由127 m缩短至63 m，池深由27 m降到25 m，对消力池结构分缝、高边墙稳定性有利，并节省了工程量和工期。

4 结构设计

4.1 计算工况

（1）非常运行工况：水库校核洪水位427.95 m时，溢洪道下泄流量2711 m3/s，下游校核洪水位330.95 m。

（2）施工竣工工况：溢洪道不过流，泄槽内无水。

（3）检修工况：枯水期一台机组发电，下游为最低尾水位325.45 m，溢洪道不过流，消力池内无水。

4.2 结构设计

（1）引渠段。

引渠段导水墙内、外水平衡，按构造配筋：φ20@200 mm，分布筋φ16@200 mm。底板厚0.5 m，前、后设置齿槽，双层构造配筋：φ20@200 mm×200 mm。endprint

（2）闸室段。

溢流堰、边墩及中墩稳定满足要求，堰面采用HF高强耐磨粉煤灰混凝土。按构造配筋：堰体φ22@200 mm；中、边墩φ25@200 mm，分布筋φ18@200 mm。闸室牛腿受到弧门总推力设计值约为4800 kN，为常规混凝土结构，局部拉锚钢筋34φ32，结构配筋φ28@160 mm。

（3）泄槽段。

泄槽纵坡为二级坡，为减轻气蚀，泄槽段设置两道掺气槽。底板采用HF高强耐磨粉煤灰混凝土，厚1 m，2#掺气槽后基础条件差，底板厚度增至2 m，并设置纵、横向肋以提高地基承载能力。2#掺气槽之前底板下布设排水系统，降低扬压力。底板分缝考虑尽量减少横缝设置，横向伸缩缝仅分在掺气槽的起始位置。底板采用双层构造配筋：φ25@200 mm×200 mm。

边墙全部采用衡重式钢筋混凝土挡墙。挡墙稳定计算考虑了竣工工况及非常运行工况两种情况，两种工况下抗滑、抗倾稳定均满足要求。按构造配筋：φ25@200 mm，分布筋φ20@200 mm。

（4）消力池段。

枢纽建筑物布置在藤条江峡谷转弯出口处，坝后河道陡然拓宽，左岸形成宽阔的浅滩河床，整个消力池位于河中，与主河道有一定的夹角，形成一种较为特殊的布置形式。消力池地基为F2断层破碎带及影响带，前者地基软弱，承载力较低；后者以碎裂岩为主，强度较高，地基存在明显的不均一性。经水工模型试验优化体型，消力池池内高度仍需25 m；消力池前后均设置齿槽，边墙最大高度达31 m，相当于中等规模的混凝土坝，而基础条件很差，设计难度较大。可行性研究阶段考虑采用半重力式、护壁式挡墙结构，地基承载力均难以满足要求，且工程量较大，施工困难；施工图阶段采用衡重式挡墙结构，利用减重台上填土以增加挡墙稳定性，并向消力池内伸出4m宽的墙趾使得地基应力分布比较均匀。挡墙稳定计算考虑了竣工工况、非常运行工况及检修工况，三种工况下抗滑、抗倾稳定均满足要求。

关于地基承载力问题，消力池地基为F2断层破碎带及影响带，地基存在明显的不均一性及基底承载力低，在施工图阶段作了F2断层带原位试验研究。在F2断层带上选定变形试验2点、载荷试验2点和混凝土/基岩接触面抗剪试验2组。变形试验表明：随着压力的增加，F2断层带岩体变形模量逐渐减小，碎裂结构岩体裂隙张开且有新的裂缝产生。载荷试验表明：1#试点的极限荷载大于1141 kPa，卸载时的回弹量为 1.08 mm；2#试点的极限荷载为1432 kPa，卸载时的回弹量为1.61 mm。混凝土/基岩接触面抗剪试验表明：两组试件均在岩体（F2断层带）中破坏，峰值强度分别为：f′=0.704、0.642，C′=0.25 MPa、0.5315 MPa；残余强度分别为：f=0.496、0.596，C=0.153 MPa、0.235 MPa。消力池基坑开挖中，对断层破碎带中的断层泥、糜棱岩采取适当深挖换基处理，以提高地基强度及地基的均一性。基础设置锚筋桩5Ф28@2.5 m×2.5 m，L=18 m，并作固结灌浆，深入基岩10 m，地基承载力满足要求。

关于消力池护坦抗浮稳定问题，控制因素为检修工况，即消力池内无水，这时下游尾水的反压是造成底板失稳的主要控制因素。地质条件为软基，可行性研究阶段采用底板下设反滤层，在消力池后段布置排水孔；还考虑过沿消力池周边做防渗墙以防止尾水反压及将消力池做成整体结构等。由于消力池底板高程较低，排水需作抽排，工程量较大，操作困难，影响工期，施工图阶段取消了底板排水孔，考虑到基础不均匀沉陷，采用键槽缝形式。按《溢洪道设计规范》进行了消力池护坦抗浮验算，底板设置锚筋桩5Ф28@2.5 m×2.5 m，深入基岩15 m。

5 结语

那兰水电站溢洪道的设计，是对建在软基上较大规模泄洪建筑物设计的有益探索。为了减少工程量，缩短工期，基础处理按常规方法进行，即锚杆、锚筋桩和固结灌浆。工程设计和施工技术均具有创新性及探索性。经计算分析和试验研究，上述工程措施可以满足工程安全。

那兰水电站于2005年12月1日下闸蓄水，首台机组于2005年12月28日发电。溢洪道于2006年7月3日首次经历泄洪考验，三孔工作门同时开启均为0.1，此时库水位为425 m，下泄流量为280 m3/s，运行情况良好。2007年汛期，溢洪道闸门多次开启，最大下泄量达1000.5 m3/s，安全行洪，汛后检查，未发现冲蚀破坏等异常情况。水工建筑物和金属结构得到实际运行检验。从泄洪中可看出溢洪道水力学条件较好，无不良流态，消力池的消能效果良好，结构安全。当然泄量尚没有达到设计泄量，检验还是初步的，那兰溢洪道还需经受今后运行的考验，以验证其安全可靠性。

参考文献

[1] 张施腾，王磊.溢洪道消能型式及防冲加固措施[J].黑龙江水利科技，2014（9）.

[2] 李娟，李云，魏亮亮.那兰水电站工程枢纽布置[J].云南水电技术，2006（23）：28-34.

[3] DL/T5166-2002，溢洪道设计规范[S].endprint