巴基斯坦水电站泄洪建筑物布置及消能形式研究

钦震杰

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 工程概况

玛尔水电站位于巴基斯坦AJ&K和旁遮普省交界处的Jhelum河上，总库容1.54亿m3，电站装机容量640 MW。工程主要任务是发电，本工程为Ⅱ等大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要水工建筑物为2级建筑物。

2 泄洪消能规模及特点

1）泄洪消能规模。玛尔水电站采用混凝土重力坝方案，挡水、泄水建筑物按500年一遇洪水设计，按2000年一遇洪水校核，相应的洪峰流量分别为18 506 m3/s和23 300 m3/s；下游消能防冲建筑物按50年一遇洪水设计，相应的洪峰流量为11 000 m3/s。

2）泄洪消能特点。吉拉姆河流域位于季风区，在夏秋季季风季节，降雨集中在流域的南部和西部，并有强暴雨。坝址段河谷为一纵向谷，河谷两岸山体雄厚，呈近对称的“V”型谷，河床宽50～60 m，滩面基岩大多裸露。岸坡岩性由砂岩及泥质岩组成，岩体受构造应力挤压作用强烈，岩体裂隙发育。下游消能区河床抗冲能力差，两岸边坡稳定性较差。电站入库输沙量主要受河道天然来水来沙影响，上游规划建设的科哈拉电站和在建N-J水电站，库容小，建成运行对玛尔水电站入库泥沙影响有限，玛尔坝址处多年平均悬移质输沙量为3 027万t，多年平均含沙量为1.21 kg/m3。该工程具有“泄流量大、泥沙量大、库容小、地质条件复杂、消能区岩体抗冲能力较低”的特点。

3 泄洪消能建筑物设计原则

1）该工程水库库容小，调节能力小，枢纽泄洪频繁，泄洪建筑物需运行灵活，安全可靠，选择泄洪设备规模及技术难度，宜控制在国内外已有的技术水平之内。

2）该工程泥沙量大，排沙建筑物规模应满足排沙的要求，需设置较低高程的泄洪排沙孔或（和）排沙洞；排沙建筑物宜与电站进水口靠近布置，有利于电站进水口“门前清”。

3）因大坝为碾压混凝土重力坝，泄洪消能建筑物采用坝身表孔和中孔联合泄洪的方式，其中，中孔的作用主要为排沙、泄洪和降低水库水位，方便检修电站进水口等。

4）综合考虑消能区岩石的抗冲能力等问题，合理研究消能方式，合理设置消能区的防护规模。

5）综合考虑施工方便和节省工程量等因素。

4 泄洪建筑物布置

该工程具有河谷狭窄、泄水量大、水库泥沙问题突出、坝址两岸山体边坡稳定性差，大坝采用混凝土重力坝，有条件将泄水排沙建筑物布置在坝身上。泄水建筑物采用溢流表孔和泄洪排沙孔联合泄洪，其中溢流表孔担任主要泄洪任务,泄洪排沙孔除担任排沙任务外，兼顾泄洪及水库放空。结合枢纽布置方案，溢流表孔布置在主河床偏右岸坝段，共5孔，单孔尺寸15m×22 m，堰面采用WES型曲线，堰顶高程563.00 m，溢流坝段总宽109 m。泄洪排沙孔采用有压坝身泄水孔，设置在溢流坝段左侧，每个坝段设2孔，共4孔，底坎高程为540.00 m，出口弧门尺寸为5.5 m×8 m。泄洪排沙孔集中布置在主河床，便于经常开启泄洪排沙，泄洪排沙水流顺直归入主河槽，水流形态较好，排沙条件较优，同时，靠近电站进水口位置，有利于电站进水口的“门前清”作用。溢流表孔可根据地形高低，分为靠河床的3个表孔和右岸2个表孔两组，两者之间采用导墙隔开，右岸2个表孔底板可抬高，以适应地形条件。施工期可在右岸两个泄洪表孔位置设置明渠导流，减少了导流工程量。

5 消能形式的选择

玛尔水电站最大坝高88.4 m，设计洪水时下游水深约为32.93 m，校核洪水时下游水深约为36.47 m，下游水位的最大值和最小值变幅约为22.47 m，下游最大水深约相当于溢流坝堰高的41.30%。校核洪水时上、下游水头差约39.19 m。玛尔水电站泄洪流量大，泄洪单宽流量较大，河谷狭窄，地质条件较差。这些因素均影响了其消能方式的选择。

5.1 泄洪排沙孔消能型式

底流消能具有流态稳定、消能效果较好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强、泄洪雾化轻微等优势，能够适应不同水头。并且，泄洪排沙孔布置在进水口坝段右侧，若采用常规底流消能方式，泄洪排沙孔纵向隔墙可以隔断表孔与厂房尾水，避免泄洪时下泄水流对发电尾水出水造成影响。因此，泄洪排沙孔宜采用常规底流消能方案。

5.2 溢流表孔消能型式

该工程下游水位变化大，且下游河床和岸坡抗冲刷能力较弱，面流消能和戽流消能对该工程适应性较差。

对于挑流消能方式，根据玛尔水电站具体情况，会存在下列问题：

1）溢流表孔堰顶高程为563.00 m，下游最高水位为548.16 m，挑流消能方式布置较困难，且挑流水头差较小，小流量泄流时不能起挑变成跌流，而大流量泄流时下游水位又淹没挑流鼻坎。

2）挑流消能方式能量集中，需开挖较大的水垫塘，而玛尔水电站河谷狭窄，预挖水垫塘会产生的支护和开挖量较大。

3）河床抗冲刷能力较弱，且表孔泄洪时易冲刷边坡。

4）狭窄河谷大泄流量下雾化严重，需进一步采取工程措施来保证安全。

5）挑流消能会产生较大的水面波动，对下游河道也会造成比较严重的冲刷、淤积问题。因此，溢流表孔也不宜采用挑流消能。

从地形、地质、工程布置和水力学条件方面初步分析，表孔采用底流消能方案适应性较好。底流消能在具体布置上有不同型式，考虑以下4种型式进行对比研究及选定：

型式1：常规底流消能；

型式2：跌坎+底流消能；

型式3：宽尾墩+底流消能；

型式4：宽尾墩+跌坎+底流消能。

①型式1：常规底流消能。底流消能是比较传统的消能方式，消能机理和效果均得到大量工程的实际验证，主要运用在中、低水头的工程中。国内的水电工程，伴随高水头泄洪建筑物数量增多，受各方面因素制约，采用底流消能的案例也不在少数。像吉拉姆河这样大流量，大单宽流量的河流，为保证消能效果，消力池的尺寸会很大从而造成工程量增加，并且高速水流会在底板上产生较大的脉动压力。

②型式2：跌坎+底流消能。跌坎底流消能主要为解决消力池临底流速较大的问题，在体型设计上考虑在收缩水深的部位形成一跌坎，使得高速水流像射流一样进入下游水体，主流仍然形成水跃，底流由于有水垫的作用，大大降低了消力池临底水力学指标，国内的高坝中，向家坝水电站就采用这种消能方式。这种消能工仍为底流，可有效降低消力池的临底流速，但在跌坎后主流触底区，消力池底板的脉动压力会增加。跌坎消力池的跌坎高度对水流流态比较敏感，跌坎高度较低，高流速水流容易触底，临底流速与脉动压强减小幅度太小，跌坎高度较高，主流容易上移，增加尾坎高度同时，尾坎后水流容易形成二次跌落现象。

跌坎底流的消力池消能比较充分，消能率和常规底流消力池基本相同。消力池长度与常规底流消能理论计算的消力池长度基本一致，但是由于跌坎的存在，消力池底板高程降低，在一定程度上又增加了消力池的工程量。

③型式3：宽尾墩+底流消能。表孔宽尾墩底流消能是近年来应用较为广泛的消能型式。通过形成三元水跃使池中水流紊动剧烈，大量掺气，旋涡破碎，水面升高，紊动剪切作用增强，消能效果理想，消能工的第二共轭水深和跃长比常规的二元水跃消力池大为减少，一般减少长度为平尾墩消力池的1/3左右，消能率大为提高，而且由于池长缩短，工程量也有较大的减少。但是如果下游消力池水深不足，或消力池底板以上总水头偏高，这种消能形式也存在一定的风险。具体表现为：①宽尾墩水舌对池底板形成的动水冲击力比较大，实测宽尾墩水舌在底板形成的脉动压强比普通平尾墩要大；②水垫深度不足，引起宽尾墩三元水跃淹没度不够，导致消力池底板近底水流流速偏高，高流速很容易使底板产生磨蚀破坏等问题。

④型式4：宽尾墩+跌坎+底流消能。该型式是型式2和型式3的综合，同时具有布置宽尾墩和跌坎的优点和缺点。

综合比较以上4种消能型式，每种型式都各有利弊。从消能效果来看，只要布置合理，四种型式消力池消能都比较充分，型式3和型式4的消能率大于型式1和型式2。从工程投资来看，型式1由于消力池较长，工程量较大；型式3消力池可以缩短1/3的长度，工程量较小；由于跌坎的存在基本不影响消力池的长度，却使消力池底板高程降低，因此，型式2工程量稍大于型式1，型式4工程量稍大于型式3。从运行安全来看，型式1消力池临底流速较大，消力池底板的脉动压力较大，且高脉动压力影响范围较大；型式2可有效降低消力池的临底流速，但在跌坎后主流触底区，消力池底板的脉动压力会大幅度增加，可能给底板的安全稳定性带来隐患；型式3如果下游消力池水深不足，或消力池底板以上总水头偏高，也存在一定的风险；型式4临底流速也较小，但也存在下游消力池水深不足，或消力池底板以上总水头偏高引起的问题。综合上述因素，该工程溢流表孔拟推荐采用消能率较大，工程量最小的型式3，即溢流表孔宽尾墩+底流消能+泄洪排沙孔底流消能组合方式。

5.3 水工模型试验研究验证

为论证泄洪消能建筑物整体布置方案的合理性，进行了几何比尺为1∶60的水工整体模型试验研究，进一步提出枢纽布置、排沙孔和消力池的体型布置、减轻下游冲刷的消能工等优化改进方案。模型试验中选取消能防冲流量、设计流量和校核流量等5组典型工况进行模型试验研究。经过水工模型试验研究和分析，推荐的泄洪建筑物布置及消能方案水力学条件总体上较好，泄洪建筑物布置方案较合理，泄流建筑物泄流能力能满足设计要求，溢流表孔宽尾墩+底流消能+泄洪排沙孔底流消能组合方式能较好地对下泄水流进行消能。通过模型试验研究，优化了宽尾墩及消力池形体及尺寸，试验结果显示各种工况下水面线测试结果与流态相对应，消力池内流速有效降低，溢流堰面、溢流表孔后消力池、泄洪排沙孔及其消力池时均动水压力均未出现负压，动水压力整体上沿程逐渐增大，基本与水面线变化趋势相符。优化形体后的消能防冲建筑物在各工况下流态较好，消能效果较好，并且出池水流平顺，水流归槽也较好，对下游左岸坡及河床没有造成较大冲刷。

6 结语

该工程泄洪消能具有“泄流量大、泥沙量大、库容小、地质条件复杂、消能区岩体抗冲能力较低”的特点。采用溢流表孔和泄洪排沙孔联合泄洪方式，泄洪排沙孔集中布置方案，布置紧凑，运用灵活方便，适应该工程特点。采用溢流表孔宽尾墩+底流消能+泄洪排沙孔底流消能组合，提高了消能效率，减少了消力池长度，节省了投资。经过水工模型试验研究论证表明设计是合理的，有效解决了复杂条件下的泄洪系统布置及消能防冲问题。