水电工程中环境友好型泄洪消能建筑物研究

潘洪月，李 华，宛良朋，王 坤，王英奎

(1.中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610041；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430074)

我国水资源绝大部分集中在西南地区，一大批高拱坝已经或正在建设中，这些工程一般都具有“高水头、大流量、窄河谷”等特点。随着建设美丽中国的理念逐渐深入人心，水利水电工程对环境保护的要求越来越高，而水利工程设计、建设、运行可能造成的各类环境影响也越来越受到社会各界的广泛关注，对水利水电工程建设提出了更高的要求[1]。

对于西南地区的大部分工程而言，由于泄流量和泄洪功率较大、河谷狭窄、山高坡陡，枢纽布置及泄洪消能建筑物设计受到很大限制，在方案选择、整体布置和结构设计方面都存在很大困难。泄洪消能建筑物的设计不仅影响工程运行安全、工程投资及效益，而且对坝址区及周边环境也有较大影响：①泄洪消能引起的泄洪雾化和河道严重冲刷不利于岸坡稳定，如龙羊峡、李家峡、二滩等工程都因泄洪雾化引起了不同规模的山体滑坡[2]；②下游河道水流产生溶解气体过饱和引起鱼类的死亡，三峡和溪洛渡水电站泄洪导致水体溶解气体过饱和导致下游河道死鱼现象；③泄洪消能水体紊动引起消能区结构的流激振动及周边场地振动，向家坝水电站在泄洪消能设计中曾经遇到泄洪诱发场地振动的问题。这些泄洪消能引发的次生危害问题在一定程度上制约了水利水电工程的开发建设。

本文针对水电工程泄洪消能建筑物设计中的环境影响进行了探讨，指出了“环境友好型”的特点，结合水电工程实际提出了其具体要求，并对几种比较常用的环境友好型泄洪消能建筑物进行了对比分析。

1 环境友好型建筑特点及要求

所谓“环境友好型”，广义上讲可以理解为在建筑寿命周期内，通过降低资源和能源的消耗减少各种废物的产生，实现与自然共生的工程；狭义上讲是指规划、设计时充分考虑并利用了环境因素，施工、运行过程中对环境影响最低的工程。水力发电作为一种传统清洁型能源，是我国实施可持续发展战略、建设美丽中国的重要组成部分，但在建设和运行过程中不可避免会对环境造成一定的影响，因此有必要在设计阶段就充分考虑其环境影响，尽量达到环境友好的目的。而泄洪消能设计作为水电工程设计的重点之一，“环境友好型”主要体现在以下几个方面。

1)泄洪雾化影响较小。泄洪消能建筑物设计应尽量控制泄洪雾化范围和雾雨强度，采取必要的工程措施，减轻泄洪雾化对工程边坡和自然边坡的影响[2]。

2)尽量避免总溶解气体(TDG)过饱和。泄洪消能方案设计中，应尽量避免泄洪消能引起的总溶解气体(TDG)过饱和，减轻对水生生态的影响。

3)减轻流激振动及场地振动。泄洪消能方案应避免对消能区工程边坡和自然边坡的直接冲刷，减轻消能区结构的流激振动，尽量避免引起周边场地振动。

另外，在保证泄洪消能建筑物结构安全的前提下，泄洪建筑物设计尽量做到结构简单、施工方便、投资节约，以减轻资源和能源浪费。

2 环境友好型泄洪消能建筑物研究

随着对环境影响的逐渐重视及泄洪消能技术的发展，越来越多的泄洪消能设计开始重视其环境影响，具备一定的环境友好型特点，下面简单对几种环境友好型泄洪消能建筑物的特点进行对比分析，以供工程设计中参考。

2.1 坝面台阶式消能

将泄水建筑物过流面设计成台阶状溢流面而形成的消能型式(图1)，利用水流流经台阶状溢流面时形成的水平轴漩滚、碰撞和掺气等作用达到消能目的。坝面台阶式消能可单独采用，也可以与消力池、宽尾墩等联合应用。

图1 台阶式消能工图

台阶式消能的显著特点是过流面上的摩阻力大，掺气多，从而消能率高，可极大的缩短下游所需消能工的尺寸，一般可使消力池长度缩短10%～30%。台阶式消能工单独采用时，多适用于设计单宽流量小于20 m3/(s·m)的中坝、低坝；而与宽尾墩联合应用时，也逐渐应用于单宽流量较大或高坝工程中。

坝面台阶式消能的消能区在坝面台阶部位，单独应用时不会产生泄洪雾化，对下游河道及附近山体影响很小，一般也不会引起周边山体的流激振动或场地振动，但通常应用于单宽流量较小、高度较低的碾压混凝土坝中，应用范围有一定局限性。

图2 沫若水电站台阶式消能泄洪照片

2.2 水垫塘消能

现有大型水电工程中，挑跌流+水垫塘消能方案应用较多，这种消能型式适应性强、消能效果好、泄洪安全保障性较高，但也存在泄洪雾化及岸坡冲刷等问题，工程中一般也采取了一定的防护措施。

水垫塘主要是利用淹没水跃消能。水垫塘中的斜向淹没冲击射流，为射流主流区+旋涡区的混合结构。其中主流区与各宏观旋涡区的交界区域是一层强紊动剪切作用区，主流在该区通过强烈紊动剪切和扩散作用使其有效机械能(动能)不断地被消刹[3]，因此该区域是射流有效机械能消刹的主区域，消能率可达70%以上。水垫塘内流态如图3所示。

图3 水垫塘内典型流态示意图

在工程实践中，为了减轻水垫塘内消能水流紊动以及泄洪雾化对边坡的影响，坝后水垫塘一般需要采取坡面防护措施，一般分全衬砌水垫塘、局部衬砌水垫塘两种形式[4-6]，如图4和图5所示。

图4 全衬砌水垫塘结构示意图

图5 局部衬砌水垫塘(护岸不护底水垫塘)结构示意图

水垫塘消能的应用较为广泛，消能机理和防护技术均比较成熟，但其存在泄洪雾化、流激振动、下游水体总溶解气体过饱和等不足，需要采取边坡防护等工程措施来提高其环境友好性。

2.3 坝身孔口无碰撞消能

高拱坝表中孔水流空中碰撞消能产生比较严重的泄洪雾化，因此部分工程泄洪消能设计中采用表深孔水流无碰撞消能型式，一般采用两种方式：一种是表中孔仍采用常规出口体型，在平面布置上各孔横向相互尽量拉开，但受工程所处河谷狭窄限制而很难实现；另一种是高拱坝表深孔采用收缩式消能工，如宽尾墩、窄缝挑坎等，利用收缩式消能工收缩水流的特性获得窄长的下泄水舌流态，各股水舌从相互间间隙穿插下落，从而实现表深孔水舌的空中无碰撞消能。

锦屏一级水电站表孔采用宽尾墩，深孔采用窄缝挑坎，下泄水舌呈窄长的水流流态，在空中相互穿插下落，不发生碰撞，实现了表深水舌空中无碰撞消能，如图6所示[7]。

图6 水垫塘内典型流态示意图

无碰撞窄缝消能降低了泄洪雾化的强度和范围，对环境影响较小，适用于狭窄河谷中的高拱坝工程，但受窄缝影响，孔口泄流能力会有一定减小，并且设计中应研究避免下泄水舌对水垫塘底板的冲击破坏。

2.4 旋流式消能

旋流式消能工是指通过设置气旋器等措施，使水流在泄洪洞内产生旋转运动，从而达到消能的目的。旋流式消能工一般由引水道、旋转水流发生装置、消能段和出水道四部分组成，主要通过旋转水流的高速旋转，利用水流层间的紊动、剪切作用和漩涡消耗水流能量，同时利用旋流的掺气作用使水流变为二相流，增加了气-水紊动强度，进而有效地消刹能量。

旋流式消能的有效消能区集中在旋流洞内，不会产生泄洪雾化，对工程区边坡影响很小，但旋流式消能的泄流能力受到一定影响，并且旋流洞内的掺气也容易导致下游水体总溶解气体过饱和等问题。

3 结 语

1)随着水利水电工程对环境保护的要求越来越高，环境友好型水电工程将逐渐成为未来研究的重点，需要在水电工程设计、建设、运行等各阶段引起足够重视。

2)环境友好型泄洪消能建筑设计过程中需要充分考虑其环境影响，尽量达到泄洪雾化影响小、避免总溶解气体过饱和、减轻流激振动及场地振动等要求，并且尽量做到结构简单、施工方便、投资节约，以减轻资源和能源浪费。

3)坝面台阶式消能、水垫塘消能、坝身孔口无碰撞消能和旋流式消能等均具备一定的环境友好特点，但也存在一定的不足，需要根据工程实际进行充分的研究论证，以选择合适的设计方案。