猴子岩水电站泄水建筑物布置及体形设计

孟凡理，窦向贤

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

猴子岩水电站是大渡河干流规划开发方案的第9个梯级电站，上游为丹巴水电站，下游为长河坝水电站。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、两岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水发电系统等组成。拦河坝最大坝高223.50 m，水库总库容7.06亿m3，电站装机容量1 700 MW(425 MW×4台)，为一等大(1)型工程。挡水和泄水建筑物洪水标准采用1 000年一遇洪水设计，可能最大洪水(PMF)校核(堆石坝)，设计洪水流量7 550 m3/s，校核洪水流量9 940 m3/s，最大泄洪水头约135 m，总泄洪功率约为13 000 MW。

2 泄水建筑物布置影响因素及布置原则

2.1 地形地质条件

猴子岩水电站地处鲜水河断裂带、龙门山断裂带和安宁河-小江断裂带所切割的川滇菱形块体、巴颜喀拉块体和四川地块交接部位，处于川滇菱形块体东缘外侧，地震基本烈度为Ⅶ度。

坝址区对建筑物布置影响较大的Ⅱ级结构面的断层主要有F0断层和F3断层。F0断层出露于左岸坝轴线上游山坡处，向两岸延伸长度推测大于2 000 m，断层带宽5～6 m。F3断层分布于左岸坝轴线上游山坡处，长度大于1 km，在左岸山坡处有出露点，断层宽约5 m。

地层主要为志留系上统(S3)～泥盆系下统(D1)变质碳酸盐岩、绢云石英白云片岩、泥质结晶白云岩等。河床覆盖层深厚，一般厚41.20～67.77 m，最厚85.5 m，由多层结构组成，主要为河床含漂(块)卵(碎)砾石和砂卵(碎)砾石层、粘质粉土层，抗冲刷能力弱。

坝址区河谷狭窄，V形河谷，略呈S形流向，坝轴线左岸略成凹岸，右岸略成凸岸。两岸地形陡峻，临河坡高大于800 m，左岸1 900 m高程以下地形坡度一般60°～65°，以上变缓为30°～40°，右岸2 000 m高程以下地形坡度一般55°～60°，以上为40°～50°。

坝前右岸发育磨子沟，沟谷切割较深。磨子沟位于右岸坝前，流域面积约19.4 km2。沟口高程1 712 m，沟口较窄，沟内宽敞，为早期的冰川谷，沟内的堆积物非常丰富。

左岸坝下游分布有泥洛堆积体和角坝堆积体。左岸泥洛堆积体上部为覆盖层，下部为基岩。前缘顺河向宽480～530 m，后缘宽400 m，分布高程1 710～2 500 m。堆积层厚度较大，体积约为5 800万m3。覆盖层一般厚54.51～81.2 m，最厚147 m。

角坝堆积体位于泥洛沟下游侧，后缘分布高程2 420 m，前缘分布高程1 740 m，纵向长1 600 m，横向宽480 m，平面范围较大，堆积物一般厚14～25 m，前缘最深52 m，体积约为1 000万m3。

初步分析可知，枢纽建筑物布置主要受坝址区上游磨子沟、F0、F3断层和下游左岸尼洛堆积体、角坝堆积体等地形地质条件限制，泄水建筑物出口布置需考虑下泄水流对岸坡、河床的冲刷和泄洪雾化对岸坡稳定影响。

2.2 泄水建筑物布置原则

本工程坝址区河道略呈S形流向，枢纽布置受限上游右岸磨子沟、下游左岸泥洛堆积体，布置条件有限，各建筑物出口布置拥挤，如何充分利用现有泄水建筑物及结合利用导流建筑物解决布置问题是泄水建筑物设计的重点和难点之一；本工程河谷狭窄，岸坡陡峻，下游近坝左岸泥洛堆积体、右岸古河床滩地规模巨大，泄洪雾化及冲刷问题较为复杂，其泄洪消能和岸坡保护问题是泄水建筑物设计的另一个重点和难点之一；本电站泄水建筑物校核洪水标准(PMF)洪峰流量为9 940 m3/s，最大泄洪水头约135 m，总泄洪功率约为13 000 MW，最大泄水流速约45 m/s，高速水流空化空蚀问题及预防措施是泄水建筑物设计的又一重点。综合来看，本工程泄洪具有“水头高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗冲能力较低”的特点。

根据本工程的泄洪规模和枢纽布置特点，结合坝址区的地形地质条件、水文特性、水库调度运行方式并兼顾施工中后期导流，泄水建筑物布置原则为：

(1)本工程水库库容相对略小，且受库尾古碉群限制汛期库水位要保持较低水位运行，调节能力较差，枢纽泄洪频繁，因此，要合理确定泄洪规模，泄水建筑物要运行灵活，安全可靠。

(2)根据“分区泄洪、分散消能”的原则，采用溢洪道(洞)和泄洪洞联合泄洪形式，尽量降低泄洪难度。

(3)根据土石坝坝身不能过流的特点，各泄洪设施运行要灵活，各常规泄洪设施能够互为备用，增加泄洪的灵活性和安全性，泄水建筑物超泄能力要强，以满足非常条件下水库泄洪要求。

(4)泄水建筑物的布置应与其他枢纽建筑物的布置相协调，避免施工和运行期相互干扰。

(5)重视泄洪雾化的影响，对雾化区内的建筑物和岸坡，特别是泥洛堆积体采取切实有效工程保护措施。

(6)考虑特殊运行要求和大坝检修的需要，应设置水库放空建筑物。

(7)泄洪洞、放空洞等永久建筑物应考虑与导流洞等临时建筑物的结合利用。

3 泄水建筑物布置方案拟定与比选

综合考虑坝址区地形地质条件及枢纽建筑物整体布置，面板堆石坝布置于河道S形弯道的中部。左岸受F0、F3断层的影响范围较右岸大，引水发电系统布置于右岸山体内。

枢纽布置研究时，对开敞式溢洪洞和开敞式溢洪道两种泄洪组合方式分别进行了研究。开敞式溢洪道因其超泄能力强和施工检修方便等特点，往往是大型土石坝枢纽优先选择的泄水建筑物型式，但由于坝址区河谷狭窄，位V形河谷，临河坡高大于800 m，左岸1 900 m高程以下地形坡度一般60°～65°，以上变缓为30°～40°，右岸2 000 m高程以下地形坡度一般55°～60°，以上为40°～50°，由于两岸地形均陡峻，坝址区不具备布置开敞式溢洪道的地形条件。溢洪洞可以避免大面积开挖和高边坡问题、对施工交通影响小、利于环境保护，因此采用具备较强超泄能力的溢洪洞。河道略呈S形流向，坝轴线左岸略成凹岸，右岸略成凸岸，溢洪洞不宜在平面上转弯，因此布置于右岸。

结合挡水建筑物、引水发电建筑物和溢洪洞布置，根据上述泄水建筑物布置原则，对放空洞参与泄洪可行性以及施工导流建筑与永久水工建筑物的结合利用进行了研究，根据以上两项分析研究成果拟定参与比选的泄水建筑物布置方案。

3.1 放空洞参与泄洪可行性研究

放空洞工作闸门的孔口尺寸为6 m×5 m，作用水头87 m，闸门为潜孔弧形闸门，直支臂，主纵梁布置，启闭设备采用作用在闸门顶部的摇摆式液压启闭机。大型深孔闸门能否在高水头下工作有两大制约因素：一是启闭力的大小和启闭机的行程，主要是受启闭机制造水平限制；二是高水头下开启闸门的水力学特性，如果水力学条件不好，可能引起闸门或门槽的破坏。经计算，闸门的启门力大约为2 000 kN，闭门力约为1 000 kN，行程为9.6 m，目前国内的制造水平能满足该液压启闭机的制造要求。根据目前高水头闸门技术水平而言，虽然该闸门的孔口尺寸大、操作水头高，但其表征量级与目前国内外在建或已建的高水头闸门并无数量级差异，因此在充分研究闸室和闸门布置形式的条件下能够在全水头下启闭(全开全闭，不允许局开)闸门。放空洞参与泄洪结构布置上可行，故本工程推荐放空洞参与泄洪。

3.2 导流洞结合利用研究

本工程施工期共设有2条导流洞，根据本工程实际地形地质条件，两条导流洞布置在左岸。放空洞布置于河道右岸，参与泄洪和后期导流，同时作为右岸过坝交通的一部分加以利用，故放空洞不宜与左岸导流洞结合利用。

初步选定的结合泄洪洞布置在左岸，进口比导流洞高90 m，其上平段轴线与导流洞大角度相交。导流洞改建为泄洪洞，可改建为龙抬头式、竖井漩流式、水平漩流式及有压洞塞消能式。龙抬头式一般都布置为全明流形式，要求洞轴线为直线，因此，结合泄洪洞不宜采用龙抬头布置方案。导流洞断面尺寸较大，利用洞段长达600 m左右，考虑到下游泥洛堆积体的存在，结合的泄洪洞应尽量利用这一有利条件，在洞内适当设置消能设施，减小下游河床的消能负担，减弱冲刷。从布置条件上，有利用一条导流洞采用竖井型式改建成泄洪洞的条件。拟改建的1号导流洞布置在左岸山体外侧，进口高程为1 698.00 m，出口高程为1 693.00 m，断面尺寸为13 m×15 m，长1 553.904 m，坡度i=0.321 77%，一坡到底。竖井漩流式泄洪洞一般适用于流量小而水头较高的情况，结合泄洪洞初拟泄量为1 500 m3/s左右，水头约150 m，参考类似工程经验，本工程不适宜采用竖井漩流消能方式。经初步分析，本工程拟研究水平漩流式和有压洞塞消能式，采用竖井有压洞塞消能的结合方式参与泄水建筑物布置方案比选。

3.3 方案拟定

根据以上初步分析，放空洞参与泄洪及导流洞改建为非常泄洪洞技术上均基本可行，考虑各泄水建筑物布置和形式的优缺点，综合安全条件、施工条件、运行条件、经济条件和工程经验，经多个枢纽布置方案比选，枢纽泄水建筑物布置方案为泄水建筑物由1条溢洪洞、1条深孔泄洪洞、1条非常泄洪洞(由1号导流洞改建)和1条泄洪放空洞组成。深孔泄洪洞及非常泄洪洞布置在左岸，溢洪洞及泄洪放空洞布置在右岸。

4 泄水建筑物体形设计

4.1 泄量分配

校核洪水时，溢洪洞、深孔泄洪洞、非常泄洪洞、泄洪放空洞泄量分别为4 036、2 987、1 470.3、1 068 m3/s，分别占总泄量的42.2%、31.2%、15.4%和11.2%。设计洪水时，在考虑一半机组过流的情况下，溢洪洞和深孔泄洪洞泄量分别为3 203.2、2 881 m3/s，分别约占总泄量的52.6%和47.4%。

4.2 泄洪消能建筑物设计

4.2.1 溢洪洞

溢洪洞结合地形条件采取“前隧洞、后明槽”的布置形式，前段为开敞式进口泄洪隧洞，后段为泄洪明槽，由开敞式进口段，无压洞段、明渠泄槽段和出口挑流鼻坎段组成，总长为1 147 m。

进口为WES型实用堰型，堰顶高程1 818.00 m，控制闸顶高程1 848.00 m，顺水流长45.28 m，设一道弧形工作门，工作门上游设一道平板检修门，工作闸门尺寸15.00 m×24.00 m(宽×高)。

无压洞段洞身采用一坡到底的无压隧洞形式，长825.00 m，隧洞断面形式为城门洞形，断面尺寸15.0 m×23 m(宽×高)，顶拱高5.0 m，底坡i=0.025。

由于明槽沿线地形坡度变化大且较为陡峭，为适应地形变化和减小边坡的开挖高度，明槽段由两个底坡段组成，前段底坡i=0.025，后段底坡i=0.4，两段底坡由抛物线连接。明槽断面为矩形，槽宽15 m。

出口采用挑流消能方式，挑流鼻坎体形采用扭曲式鼻坎，左侧边墙圆弧半径R=200 m，右侧边墙圆弧半径R=300 m，左、右侧底板在溢洪洞轴线方向的投影分别为半径200 m和90 m的圆弧，挑射角8°4′59″～34°3′7″。

泄槽明槽陡坡段最大流速43.24 m/s，流速大，衬砌防空蚀问题突出。根据溢洪洞不同泄洪条件下的水力要素确定掺气设施位置，共布设2道掺气设施，间距100 m。第1道掺气设施挑坎的坡度为1∶10，挑坎高1.0 m，跌槽深1.35 m；第2道掺气设施的坡度为1∶10，挑坎高0.65 m，跌槽深1.35 m。两侧边墙中的通气孔截面尺寸为2.17 m×1.35 m。

4.2.2 深孔泄洪洞

深孔泄洪洞采用有压接无压洞的布置形式，由岸塔式短有压进口、有压洞段、工作闸室、无压洞段、出口明渠及挑坎等组成，工作闸室布置于有压转弯洞之后。进口底板高程1 781.00 m，工作闸室底板高程1 775.00 m，工作门孔口尺寸12.0 m×9.0 m(宽×高)。

进口设一道事故检修闸门，闸门孔口尺寸12.0 m×13.0 m(宽×高)。有压洞段由直段和平面弯段组成，总长320.03 m，洞径13.0 m。弯段转弯半径80.0 m，转角53.42°，弯段后直洞长约85 m，末端为圆变方压坡连接段，将直径13.0 m的圆形洞渐变至12.0 m×9.0 m(宽×高)，后接弧形工作闸门室。

工作闸室紧接有压洞段末端，分为上、下两室。下室为控制室，布置有弧形工作闸门及启闭设备，工作门孔口尺寸12.0 m×9.0 m(宽×高)，下室净空为12.0 m×25.5 m×29.0 m(长×宽×高)，闸底板高程1 778.00 m，弧形工作闸门的支铰固定于闸门室后壁山体上的支铰大梁上。上室断面为圆拱直墙形，断面尺寸为19.0 m×25.7 m(宽×高)。

无压段始于弧形工作闸门室后，由抛物线段、斜坡段和两道掺气坎等组成，长度为291.023 m，斜坡段底坡i= 0.212 6，断面为圆拱直墙形，尺寸为12.0 m×16.0 m(宽×高)，其中直墙高度12.54 m。

出口采用斜切扭曲挑坎，反弧半径为100 m，左侧边墙扩散角度3°，沿轴线长度约86 m，右侧边墙采用半径为200 m的圆弧，沿轴线长约49 m。斜切式挑坎左右侧挑角分别为28°24′54″和16°19′17″，挑坎上游端宽12 m，下游端宽42.66 m。

无压段最大水流流速约42 m/s，最小水流空化系数0.15，衬砌防空蚀问题突出，结合水力学特征参数，布置两道掺气坎，间距100 m。第1道掺气坎坎高1.2 m，水平方向长7.5 m，第2道掺气坎坎高1.0 m。

4.2.3 非常泄洪洞

非常泄洪洞布置在左岸深孔泄洪洞内侧山体内，由1号导流洞改建而成，布置上利用一条竖井连接泄洪洞与导流洞，选用有压洞塞消能形式。非常泄洪洞由岸塔式短有压进口、上平段、上弯段、竖井段、下平段(与导流洞结合段)和出口组成。进口高程1 786.00 m，出口高程1 693.00 m。上平段、上弯段衬砌断面为圆形，直径11.0 m。下平段与导流洞后段结合，衬砌断面为圆拱直墙形，过流断面尺寸为13.0 m×15.0 m(宽×高)。

有压洞塞采用“垂直洞塞+压坡洞塞+水平洞塞组”的布置形式。

竖井段设2级圆形收缩式垂直洞塞，上部垂直洞塞进、出口断面直径分别为11.0、7.0 m，高15.0 m，竖井末端垂直洞塞进、出口断面直径分别为10.0、8.5 m，高6.0 m。

压坡洞塞设计为突缩突扩的方形渐变结构，长25.0 m，其中前部突缩段末端孔口尺寸为10 m×4.5 m(宽×高)，长17.0 m；后部突扩段末端孔口尺寸为10 m×7.0 m(宽×高)，长8.0 m。

水平洞塞均为收缩式圆形洞塞，第1级水平洞塞设置距压坡洞塞60 m，3级水平洞塞间间距50 m，洞塞长11 m，3级水平洞塞入口断面直径12.0 m，出口断面直径由上游至下游分别为9.0、9.2、9.8 m。

设置出口压坡可保证下平段形成有压流态，经多组试验分析，为满足洞内空化及泄量要求，出口压坡孔口高6.0 m、宽11 m。

4.2.4 泄洪放空洞

泄洪放空洞采用有压接无压洞的布置形式，由闸门竖井式进口、有压洞段、工作闸室段、无压洞段和出口挑坎等组成，工作闸室布置于有压转弯洞之后。进口段底板高程1 757.00 m，工作闸室底板高程1 755.00 m，弧门孔口尺寸为6.0 m×5.0 m(宽×高)。

事故闸门井采用埋藏竖井形式，闸门孔口尺寸6.0 m×5.0 m(宽×高)，底板高程1 757.00 m，闸门井前有压进口隧洞段长121.87 m，洞径9.0 m，底坡i=0。闸门井后有压隧洞长240.73 m，由直段和弯段组成,洞径为8.0 m，底坡i=0.009 07。转弯段转弯半径为80 m，转角42.15°。

有压洞段后接工作闸室，工作闸室分为上、下两室。下室为控制室，布置有弧形工作闸门，门座采用突扩突跌体形，底部设掺气设施，工作门孔口尺寸6.0 m×5.0 m(宽×高)，突扩后流道宽8.0 m，底板高程1 755.00 m，操作平台高程1 778.00 m，顶拱高程1 800.50 m，弧形工作闸门的支铰固定于闸门室后壁山体上的支铰大梁上。

工作闸室后接无压洞段，断面形式为城门洞形，断面尺寸为8 m×10 m(宽×高)，全长843.61 m，由于泄洪放空洞进出口高差小，泄洪水头高，为解决无压洞水流空化、掺气坎底部回流及洞内水面雍高等问题，无压洞段采用变底坡形式，底坡i=0.12～0.027 2。无压段设3道掺气设施，第1道设置在工作闸门门槽底部，第2道掺气坎距第1道170 m，第2、3道掺气坎间距200 m。

挑坎采用渐扩连续挑坎，挑角22.89°，底板反弧半径104.5 m，左、右侧边墙扩散角度3.18°，挑坎轴线长45 m。挑坎上游端宽8.0 m，下游端宽13.0 m。

5 结 语

针对上述泄水建筑物方案，开展了枢纽整体模型试验和各泄水建筑物单体模型试验，试验结果表明：枢纽在校核洪水位，各泄洪建筑物下泄总流量达10 090 m3/s，超出计算值5.4%，泄流能力满足设计要求。枢纽布置充分考虑到电站的地质条件，泄水建筑物出口布置在尾水以下1 200 m河床范围内，利用可冲刷的河床消能，扩大消能空间，减小泄洪对坝下游堆积体的不利影响。各泄水建筑物出口下游出流较为顺畅，水舌扩散和归槽较好。根据模型试验成果，开展了由针对性的抗冲磨防空蚀设计，溢洪洞、深孔泄洪洞和泄洪放空洞均经过了2个汛期的运行，泄洪消能效果好，流道混凝土表明均未发现空蚀现象，且下游河道护岸结构整体良好。