构皮滩水电站泄洪消能设计研究与运行检验

2020-08-13 06:49胡清义冯雄波曹去修程子兵姜治兵

水利水电快报 2020年1期

胡清义冯雄波曹去修程子兵姜治兵

摘要：构皮滩水电站是乌江干流梯级开发的控制性工程。该电站泄洪消能具有高水头、大泄量、窄河谷、软基础的特点，介绍了泄洪消能建筑物布置和设计方案、水工模型试验研究成果以及工程泄洪运行和原型观测成果。对比分析了原型观测成果与模型试验成果。自2008年11月蓄水以来，工程经历了10个汛期，20次泄洪检验。实践应用表明，构皮滩大坝泄洪消能建筑物设计合理，下游消能充分，可满足工程安全汇洪需求。构皮滩高拱坝泄洪消能设计经验可为同类工程提供有益的参考和借鉴。

关键词：泄洪消能;原型观测;运行检验;构皮滩水电站

中图法分类号：TV653 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.009

文章编号：1006-0081（2020）01-0048-07

1 概述

1.1 工程简介

构皮滩水电站位于贵州省余庆县境内，是乌江干流梯级开发的控制性工程。构皮滩水电站正常蓄水位630m，死水位590m;水库总库容64.51亿m³，调节库容29.02亿m³，具有多年调节能力。电站装机容量3000MW，多年平均发电量96.82亿kW·h[1]。

拦河大坝为抛物线形混凝土双曲拱坝，坝顶高程640.5m，河床建基面高程410m，最大坝高230.5m，坝顶弧长552.55m，厚高比0.216。工程泄洪以坝身泄洪为主，岸边泄洪为辅。河床溢流坝段布置6个表孔、7个中孔泄洪，坝下设水垫塘消能。左岸布置1条泄洪洞辅助泄洪;右岸布置首部式地下厂房，共安裝5台600MW水轮发电机组，引水系统采用单机单洞、尾水系统二机一洞加一机一洞、主厂房和主变洞、调压室三大洞室平行的布置格局。通航建筑物为三级垂直升船机，布置在左岸煤炭沟至野狼湾一线，设计通航标准为Ⅳ级航道，可通行500t级船舶。构皮滩水电站枢纽平面布置见图1。

1.2 工程建设及运行情况

构皮滩水电站工程于2003年11月开工，2004年11月实现大江截流;2005年10月开始坝体混凝土浇筑;2008年11月导流洞下闸封堵、工程开始第一阶段蓄水;2009年6月8日导流底孔下闸封堵、工程开始第二阶段蓄水，2014年7月水库达到正常蓄水位;2009年7月首台机组投产发电，同年11月大坝混凝土浇筑至设计坝顶高程，同年12月电站5台机组全部投产发电。工程已经历10个汛期，20次泄洪检验。

2 泄洪消能设计方案

2.1 设计特点及难点

构皮滩水电站坝高230.5m，枢纽校核洪峰流量35 600m³/s，相应枢纽最大下泄流量28900m³/s，最大泄洪功率为42380MW。坝身最大泄量25840m³/s，上下游水头差近150m，坝身最大泄洪功率37940MW，在建时均居国内外双曲拱坝之首。坝址河谷狭窄，呈“V”形，枯水期水面宽度30～60m，常遇洪水水面宽90～110m，设计、校核洪水水面宽仅140～150m。坝址紧邻峡谷出口，岩体呈现上游硬下游软的特点，坝下游200m范围内为灰岩，以下为黏土岩和页岩，抗冲能力低。“高水头、大泄量、窄河谷、软基础”是构皮滩水电站泄洪消能的突出特点，泄洪消能设计难度大。国内外部分特高双曲拱坝坝身泄洪指标见表1[2]。

2.2 泄洪消能建筑物布置

构皮滩水电站在坝身布置6个表孔，7个中孔泄洪，坝下采用人工护底水垫塘消能。左岸布置1条泄洪洞辅助泄洪，泄洪洞进口底高程为550.00m、控制断面尺寸为10m×9m，采用有压洞平面转弯龙落尾型明流隧洞的型式，泄洪洞采用护坡加预挖冲坑消能的布置方案。坝身还设有2个孔口尺寸3.80m×6.00m的放空底孔，孔底高程为490.00m，用于水库放空和后期导流的放空。

表孔泄量大、运行灵活、可局部开启，一般常遇洪水条件下，优先开表孔泄洪，其次为中孔，泄洪洞仅在表中孔泄流能力不足时启用，此时下游水垫深厚，消能安全有保障。

2.3 坝身孔口设计方案

2.3.1 孔口体形设计原则

坝身孔口设计与下游水垫塘消能设计密切相关，水垫塘的底板高程受表孔单独泄流控制，其长度受中孔单独泄流控制，水垫塘底板冲击压力是消能设计的关键控制指标。由于构皮滩水电站泄洪功率大，水垫塘单位水体消能率高，为避免能量叠加，减小水垫塘底板的冲击动水压力，均化水垫塘的消能负担，孔口体型设计采取“分散水舌、分区消能”的原则;同时考虑坝址河谷狭窄，为避免水舌干砸水垫塘边坡，在适当消能的同时尽量降低泄洪雾化影响，表中孔水舌遵循“适度碰撞”的原则进行设计[3]。

2.3.2 孔口布置方案

构皮滩水电站坝身6个表孔的孔口尺寸为12.00m×13.00m（宽x高），堰顶高程为617.00m，中孔尺寸为7.00m×6.00m（宽x高），出口平均高程为550.00m。中孔布置于表孔闸墩下方，其中心线与闸墩中心线重合。泄洪孔呈弧线布置，轴线半径R=350m。表、中孔平面总布置见图2。

2.3.3 孔口体形设计方案

（l）表孔体形设计。表孔堰顶高程617.00m，堰面采用WES曲线，堰面曲线方程为y=0.04187x^1.85。1号和6号孔采用-20°挑角出流，2号和5号孔采用0°挑角出流，3号和4号孔采用-30°出流，各表孔的出口处布置了不同型式的分流齿坎，以扩散水舌进人垫塘的面积。表孔下游立视见图3。

（2）中孔体形设计。中孔为有压孔型式，弧形工作门布置在出口处，平板事故检修门布置于进口处，1，3，5，7号孔为平底出流，2，6号孔为25°挑角出流，4号孔为10°挑角出流，见图4，5。

2.3.4 坝身孔口设计的特点

由以上坝身孔口设计方案可见，构皮滩坝身孔口设计特点如下：

（1）表孔俯角、中孔挑角布置，总体体型达到水舌远近分区、加强空中碰撞的目的。

（2）表、中孔均采取出口扩散以减小人水单宽，均化能量。

（3）相邻表孔采用出口俯角大差动布置，相邻中孔采取不同挑角布置，以达到调整水舌落点，避免水舌叠加的目的。

（4）左右边表孔采取不对称扩散布置，以避免表孔水舌打击水垫塘边墙及岸坡;表孔出口设置不同型式的分流齿，以优化分散表孔水舌。

（5）中孔采用“进口大差动、出口小差动”布置，即进口高程相差较大、出口高程相近的方案，且相邻中孔挑角不同，可以分散中孔水舌，并有利于闸门、启闭机和检修设施布置。

2.4 泄洪洞布置方案

泄洪洞采用有压洞转弯接龙落尾型明流隧洞的型式，进口底高程550.00m，进水口事故闸门采用岸塔式布置，闸门孔口尺寸为7m×16m，有压洞为圆形断面，直径12m，采用平面转弯，轴线转弯半径为90m。工作闸门室布置于防渗帷幕线下游34.42m处，控制断面孔口尺寸10m×9m（宽×高）。无压段底坡坡度i=0.2063，洞身型式为城门洞型，断面尺寸10m×15m。泄洪洞出口预挖冲坑消能，最低预挖至高程425.00m[4-5]。

3 水力学试验研究

构皮滩水电站水力学试验研究历时长，研究内容广泛，开展了1：110、1：55水工整体模型试验、表孔1：35常减压断面模型试验、中孔1：30常减压模型试验、消能工（水垫塘）结构型式破坏机理研究、防护措施数模及物模试验研究、坝身泄洪流激振动试验研究等工作[6]。

3.1 泄洪消能试验研究

3.1.1 水流流态

表孔单独泄洪时，水舌纵向分开落人水垫塘中。各工况下，3号、4号表孔齿槽水舌挑距最近，2号、5号表孔水舌挑距最远。表孔水流最大人水宽度为112m，水舌未直接冲击水垫塘边墙。

中孔单独泄洪时，1，3，5，7号中孔水舌平抛人水，2，4，6号中孔水舌斜抛入水。2，6号中孔水舌挑距最远，3，5号中孔挑距最近。

泄洪洞单泄时，水舌中部挑距最远，右侧次之，左侧最近，水舌人水最大宽度为76m。

表孔与中孔联合泄洪时，2，6号中孔水舌上行时分别与相邻的表孔水舌发生碰撞，3，5号中孔水舌在下行过程中与相邻表孔水舌发生碰撞，而1，7号中孔水舌在下行过程中仅与1，6号表孔齿槽部分水舌发生碰撞，故这两个中孔水舌与表孔水舌的碰撞程度最小。4号中孔水舌在上行过程与3，4号表孔内侧齿槽水舌发生碰撞，在下行过程中与3，4号表孔齿坎水舌发生碰撞，与表孔水舌的碰撞程度最为剧烈。

3.1.2 泄洪建筑物动水压力和空化特性

（l）表孔。表孔堰顶附近及坝面WES曲线起始段存在负压，最大时均负压绝对值为2.19×9.81kPa;边墙侧扩散起点附近最大时均负压绝对值为2.73×9.81kPa;检修门槽下游斜坡末端后出现轻微的逆压分布，其他压力正常。

（2）中孔。2号中孔进口曲线、检修门槽区及出口收缩段内局部范围存在较轻微的逆压分布，其他压力特性正常。1号中孔原方案的进口曲线段及检修门槽区，压力特性较2号中孔略差，且时均动水压力绝对值较2号中孔低。通过孔顶部体型优化，时均压力绝对值明显提高。

3.1.3 水垫塘底板冲击压力

坝身表、中孔各股水舌人射水垫塘，在水垫塘底板上形成的动水冲击压力是直接影响底板稳定性的主要荷载之一，冲击压力大小及其分布是评价水垫塘设计合理性的重要依据。表孔单泄时，水垫塘底板最大冲击压力为6.5×9.81kPa。中孔单泄时，由于水舌落点相互错开，人塘水流扩散良好，水垫塘底板上未出现冲击压力。表孔和中孔联泄时，由于表孔、中孔水舌碰撞消能效果良好，P=0.2%设计洪水和P=1%泄洪工况下水垫塘底板上未出现冲击压力，P=0.02%校核洪水工况下水垫塘底板上冲击压力为1.07×9.81kPa。

3.1.4 下游冲刷

表孔单泄和中孔单泄时，水垫塘二道坝护坦下游均未形成冲刷。泄洪洞单泄时，水舌人水处下游主冲坑冲深为11.1m;泄洪洞出口下方岸坡坡脚及左岸1号导流洞出口处未冲;电站尾水出口及尾水渠平台处未见淤积。表孔、中孔和泄洪洞联泄时，护坦下游最大冲深为1.5m，冲坑后坡比缓于1：3;泄洪洞出口下方岸坡坡脚下游形成淘刷，最大冲深为5m，冲坑后坡比缓于1：4.5。

3.2 泄洪雾化研究与防护方案

根据泄洪雾化1：55水工整体模型试验研究成果，构皮滩工程泄洪雾化主要有两个源项，即表、中孔水舌在空中运动自掺气和碰撞所形成的雾化以及水舌入水激溅所引起的雾化。下游泄洪雾化边坡防护按100a一遇洪水标准设计。试验成果表明，当枢纽下泄该标准洪水时，左岸高程550m以下、右岸高程555m以下的泄洪雾雨雨强大于200mm/h，顺流向在0+000～0+360m区域内。雨强小于200mm/h的影响在左右岸上述高程以上，顺流向在0+000～0+700m区域内。为此，对大坝下游边坡范围实行四级区域保护：

（1）一级区（雨强大于600mm/h）。左右岸高程495.50m以下水垫塘边墙混凝土结构，分级贴坡厚度0.5～3.0m，墙背设有锚筋（锚桩）及墙背排水沟网。

（2）二級区（雨强为200～600mm/h）。左岸坝趾至泄洪洞出口、右岸坝趾至尾调路5号施工支洞高程495.50～550m，开挖边坡采用50cm厚贴坡混凝土加锚杆保护，并将坡面排水孔引至结构表面。

（3）三级区（雨强为10～200mm/h）。上述左右岸二级区以上至雾化保护区边界间开挖边坡和自然边坡采用挂网喷锚保护，并将坡面排水孔引至结构表面。

（4）四级区（雨强小于10mm/h）。泄洪雾化保护区及二级区所表述范围之外的下游边坡仅设置防落石措施。

4 工程泄洪运行检验

4.1 泄洪运行情况

自2008年11月水库蓄水以来，构皮滩水电站工程已经历10个汛期，经受2014年7月和2017年6月两次泄洪检验。2014年7月入库洪峰流量16900m³/s（与20a一遇洪峰流量相同），最大出库流量11300m³/s，坝身表孔和部分中孔同时开启的最大泄量为9910m³/s，最高库水位629.93m，最大水头差达185m。2017年6月人库洪峰流量8 900 MI/s，只开启了表孔泄洪[5]。

4.2 泄洪原型观测及与模型试验成果对比分析

4.2.1 流态

上游库区水面平静，各表孔进流顺畅，过堰顶后闸室内水面迅速下降，水面距弧门支铰间距离较大，水舌出闸室后，两两交汇形成水翅，水舌表面掺气充分，呈白色絮状（见图6～8）。水垫塘内雾雨弥漫，浓雾沿两侧山体上升，在高程650m左右形成雾云向下游移动（见图9）。表孔水舌人水处下游可持续观察到巨大涌浪爬升至空中一定高度（最高高程可达到570m左右）后呈浓雾消散现象（见图10）。塘内水体消能充分，二道坝及下游水流衔接较为平顺，未见明显水面跌落。

除表孔水舌掺气和裂散程度以及水垫塘内涌浪爬升现象较模型试验显著加剧外，其余流态基本一致。

4.2.2 压力

2014年泄洪期间对1，3号表孔压力进行了观测，各部位时均压力分布正常，未出现负压。1号表孔最大时均压力为8.47×9.81kPa，脉动压力标准差在0.42×9.81～1.96×9.81kPa之间，主频范围为0.01～0.40Hz。3号表孔最大时均压力为7.21×9.81 kPa，脉动压力标准差在0.37×9.81～1.44×9.81kPa之间，主频范围在0.01～1.53Hz。

2017年泄洪期间，对水垫塘底板压力进行了观测，各测点均为正压，压力分布正常，最大脉动压力标准差为3×9.81kPa。本次泄洪仅开启表孔，实测未见明显冲击压力，而表孔单泄工况模型试验最大冲击压力为6.5×9.81kPa，实测水垫塘塘底板冲击效应比模型试验小，可能是实际运行时水舌空中掺气比模型试验剧烈，空中消能效果优于模型试验所致。

4.2.3 泄洪雾化

2014年泄洪观测未获得雾化降雨量的观测资料，仅拍摄了相关照片和视频，表中孔均开启时，典型的泄洪雾化照片见图10。

2017年泄洪期间开展了泄洪雾化观测。观测成果表明，右岸开关站基本不受坝身泄洪雾化影响。左岸550m通风洞口（近水垫塘侧）雾化降雨与泄洪表孔开启方式相关，3号+4号表孔敞泄时无明显雾化降雨，其余工况下泄洪雾化降雨强度较大。6号表孔敞泄时观测到最大降雨强度为14.3mm/h，属特大暴雨;3，4号表孔敞泄+2，5号表孔开度4m和2-5号表孔敞泄+1号、6号表孔开度6m的工况下，该部位降雨强度为7.6～12.9mm/h，属于大暴雨。右岸尾调室495m平台处雾化降雨强度为1.3～2.9mm/h，基本处于大雨及暴雨的范畴，该部位处于扩散段，且位于水舌溅落区之外，其雾化降雨主要受水舌风影响。

泄洪雾化观测成果表明，雾雨主要集中在水垫塘及其周边，实际雾化情况与模型试验成果较为接近，工程泄洪雾化对建筑物及边坡的影响在预测范围内。

4.3 渗流监测

4.3.1 大坝

2017年6月泄洪期间，大坝基础廊道实测渗流量58.18L/min，测值较5月增大23L/min;大坝集水井来水量415.71L/min，该轮降雨前来水量111.84L/min。2014年“7·17”泄洪期间最大来水量277.25L/min。

4.3.2 水垫塘

2017年6月泄洪期间，水垫塘集水井来水量1343.67L/min，该轮降雨前来水量308.47L/min。2014年“7·17”泄洪期间，由于下游E支洞封堵门未关紧，下游有水灌入水垫塘，测到水垫塘集水井最大来水量15924.05L/min，但仍小于集水井最大抽排能力。

渗流监测成果表明，水垫塘底板封闭效果良好，为底板稳定提供了保障。

4.4 巡视检查

工程泄洪过程中和泄洪结束后，均对各主要建筑物和两岸边坡进行了巡视检查。泄洪过程中坝顶没有明显雾雨，没有体感泄洪振动，各建筑物运行正常，边坡局部喷混凝土掉落，高程495m、480m马道部分防护墩墙被冲毁。

5 结论

构皮滩大坝是我国已建成坝中的第六高拱坝，在已建同类工程中，设计最大泄洪功率仅次于溪洛渡大坝。工程实际运行仅经受了20a一遇洪水检验，虽然未达到大坝设计洪水标准，但在已建同类工程中，是唯一一座坝身实际经受10000m³/s大泄量、超高水头泄洪检验的特高拱坝。对构皮滩水电站泄洪消能方案及运行检验可以得出以下结论：

（1）工程泄洪消能方案适应了“高水头、大泄量、窄河谷、软基础”的特点，泄洪消能建筑物设计合理，下游消能充分，可以满足工程安全泄洪的要求。

（2）表中孔出口差动布置、横向扩散、齿坎分流的方案可以有效分散水舌入水，降低水垫塘内压力。

（3）表中孔水舌空中适当碰撞可以显著降低底板冲击压力、提高消能效果，对泄洪雾化影响不大。

（4）水垫塘内水体冲击反弹及岸坡涌浪与水工模型试验成果对比表明，在后续同类工程设计中应充分考虑其影响，其余部位流态与模型试验成果基本一致。

（5）坝身孔口流道及水垫塘底板压力监测成果表明，流道未出现负压;水垫塘底板未监测到冲击压力，可能是由于实际运行时水舌空中掺气比模型剧烈，空中消能效果优于模型试验所致。

（6）坝基及水垫塘渗漏量小于设计值，水垫塘底板封闭效果良好，为底板稳定提供了保障;各建筑物结构设计、边坡防护和渗控设计合理，建筑物安全稳定运行。

参考文献：

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[2]向光红，金蕾，班红艳，等.构皮滩水电站泄洪消能设计[J].人民长江，2005，19（2）：30-33.

[3]长江勘测规划设计研究有限责任公司.构皮滩水电站拱坝工程关键技术研究与实践[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2011.

[4]曹去修，向光红，班红艳.构皮滩水电站泄洪洞优化设计[J].贵州水力发电，2006，20（3）：10-12.

[5]长江勘测规划设计研究有限责任公司.构皮滩水电站补充安全鉴定工程泄洪运行情况评价[R].武漢：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2017.