乌东德高拱坝坝身不设底孔生态泄水技术与实践

漆祖芳　李蘅　徐唐锦　翁永红

摘要：乌东德水电站建设之前，国内外高拱坝一般采用坝身设置底孔解决下闸蓄水期生态泄水问题，但坝身设置底孔将使坝体结构和受力变得复杂，且占用大坝浇筑直线工期，投资大、经济性差，部分工程设置底孔仍存在坝址断流、下游脱流等问题。针对坝身设置底孔解决下闸蓄水期生态泄水问题存在的上述不足，依托乌东德水电站工程，采用工程调研、水力学计算和水工模型试验相结合的研究手段，通过4个实体模型、19种方案、157组试验，研究形成了200～300 m级特高拱坝坝身不设底孔导流技术体系，使乌东德高拱坝成为中国年均流量大于150 m3/s的大江大河上已建坝高超过150 m的16座高拱坝中，唯一一座坝身不设底孔的高拱坝，电站初期蓄水期连续生态泄水流量达到400～1 587 m3/s，实现了初期蓄水期向下游连续大流量供水。相关技术可为类似工程施工导流方案的拟定提供新的解决思路，具有较强的参考应用价值。

关键词：

高拱坝; 生态泄水; 不设底孔导流; 乌东德水电站

中图法分类号： TV315

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.025

0引 言

水电是绿色能源，20世纪90年代以来，以二滩水电站等高拱坝建成为标志，中国水利水电建设实现了质的突破;21世纪以来，以三峡、南水北调工程的投入运行为标志，进入自主创新引领世界水电发展阶段，建设技术不断刷新世界纪录。在坚持生态优先、绿色发展的理念指引下，中国在水利水电工程建设过程中更加关注工程建设与生态环境保护协调发展。

高拱坝施工一般采用围堰一次拦断河床、岸边导流隧洞泄流的导流方案。导流隧洞下闸时库水位未达到坝身过流孔之前无过流通道，这将导致下游河段减水严重甚至断流，对坝下河段水生态将产生不利影响。目前国内外高拱坝一般采用坝身设置底孔的方案解决上述问题，如目前国外最高的格鲁吉亚英古里拱坝[1-2]（坝址年均流量155 m3/s，最大坝高271.5 m），坝身设置3个底孔;乌东德工程建成前后，坝址年均流量大于150 m3/s、坝高超过150 m的已建15座中国高拱坝中，均采用坝身设置底孔方案，如表1所列。

已建高拱坝工程实践表明：采用坝身设置底孔的方案将使坝体结构和受力变得更为复杂，同时设置坝身底孔存在占用大坝浇筑直线工期、投资大、坝身底孔泄放流量小等问题，底孔布置高程高于导流隧洞下闸水位时，仍存在坝址断流、下游脱流等问题。为此，采用更加安全可靠的方式保障高拱坝初期蓄水期向下游连续大流量供水，对提高高拱坝建设安全，维护河流水生态十分重要。

1工程概况

金沙江乌东德水电站是实施“西电东送”的国家重大工程，是党的十八大以来开工建设投产的千万千瓦级世界级巨型水电工程。坝址位于云南省昆明市禄劝县和四川省凉山州会东县交界的金沙江上。电站开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运和促进地方经济社会发展。

电站枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统等组成。大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高270 m，正常蓄水位975.0 m，总库容74.08亿m3;引水发电系统采用地下厂房布置，左、右两岸各布置6台单机容量850 MW的水轮机组，总装机容量10 200 MW。乌东德水电站总体布置如图1所示。

2施工导流程序

乌东德水电站施工期导流[18-20]采用河床一次断流、上下游全年土石围堰挡水、左右岸隧洞泄流的方案。导流隧洞[21-24]采用“左二右三、四大一小、四低一高”的布置格局，其中左岸1号和2号、右岸3号和4号导流隧洞为大低洞，过流断面尺寸为16.5 m×24.0 m，右岸5号导流隧洞为小高洞，过流断面尺寸为12.0 m×16.0 m。初期导流采用上下游土石围堰挡水，1～5号导流隧洞过流度汛;中期导流采用坝体临时断面挡水，1～4号导流隧洞过流度汛;后期导流采用坝体临时断面挡水，永久泄水建筑物泄流度汛，乌东德水电站施工导流程序如表2所列。

3200～300 m级高拱坝坝身不设底孔导流技术

3.1200 m级高拱坝坝身不设底孔导流技术

针对已有高拱坝设计时在坝身设置底孔带来的诸多问题，提出了取消坝身底孔的高拱坝设计新理念。依托乌东德水电站工程，提出导流隧洞改建为弧形闸门控制的生态放水洞的200 m级高拱坝坝身不设底孔导流技术，解决了现有导流隧洞直接作为放水洞，导致下闸期水流衔接坝身永久泄洪孔水头大及隧洞平面闸门高水头动水闭门超出现有技术水平等难题。具体包括：提出将导流隧洞“一洞改高洞、高洞改小洞、平门改弧门”（见图2），通过改建放水洞衔接200 m级高拱坝坝身永久泄洪孔泄流，优化坝体结构，降低下闸风险;简化施工期水流控制程序，创新高拱坝初期蓄水向下游放水途径，为坝身不设底孔及下闸期生态流量保障提供技术解决方案;提出改建生态放水洞的弧形闸门闸室结构及布置方法，建立了改建生态放水洞以改建堵头、泄水孔、洞内弧门闸室等布置结构体系，并提出了相应结构设计方法，拓展了导流隧洞改建形式。

3.2300 m级高拱坝坝身不设底孔导流技术

依托乌东德水电站工程，在导流隧洞改建为弧形闸门控制的生态放水洞基础上，采用理论分析，数值仿真，1∶25局部、1∶60单体和1∶100整体3座实体模型开展了大量科研试验，探明了300 m级特高拱坝在超百米水头运行条件下，改建生态放水洞存在的高速水流带来的洞内负压、气囊、弧门振动等流态及运行安全问题，提出了改建生态放水洞“洞塞减流速、控泄降负压、补气消气囊”的高速水流安全控制技术（见图3），解决了高速水流在洞内短距离消减流速和调整流态的难题。“洞塞减流速”利用内消能理论设置兩级洞塞在短距离内大幅消减流速，模型试验和数值分析表明，洞内流速由31.5 m/s减到20.2 m/s，实现洞内消能率达56%，解决了洞内高速水流冲刷、高速水流过弯、出口高速水流破坏等问题;“控泄降负压”采用弧门控泄，消除改建堵头段进口处负压，避免了空化空蚀;“补气消气囊”通过补气方法消除隧洞顶部气囊。高速水流安全控制技术保障生态放水洞安全运行，将改建生态放水洞的适用水头进一步提高，解决了300 m特高拱坝不设底孔和生态流量保障技术难题，形成了300 m级高拱坝坝身不设底孔导流技术。

4乌东德水电站运行实践

乌东德水电站采用200～300 m级高拱坝坝身不设底孔导流技术，将5号导流隧洞改建为“弧门控制+洞塞消能”的生态放水洞，实现了乌东德高拱坝下部162 m范围无孔洞（见图4），明显简化了乌东德高拱坝施工程序，缩短了高拱坝施工工期，创新了高拱坝施工导流程序，明显缓解了大坝一线施工工期压力，取消了导流底孔过流度汛期移民，将乌东德水电站初期蓄水期移民优化为最后一个枯水期晚移民，明显降低了移民搬迁进度和管理压力。

2020年1月15～20日最后一批2号、5号导流隧洞下闸期，日均下泄流量400～1 587 m3/s，瞬时最小流量达到238 m3/s，下闸全过程完全满足环评批复意见“确保下游不出现断流”的要求，实现了坝址断面大流量连续泄放生态流量，生态流量下泄过程优于环评批复意见要求。在尾水下游900 m水厂控制断面，下闸期日均水位814.2～817.3 m，对应水深18.2～21.3 m，日均水位较天然水位下降幅度仅为3%～17%，尾水下游枢纽区生活生产水厂取水正常，保证了导流隧洞下闸期枢纽工程正常生活生产用水，如图5～6所示。

5结 论

本文针对传统高拱坝采用坝身设置导流底孔解决初期蓄水期下游供水问题存在的系列不足，依托乌东德水电站工程，采用工程调研、水力学计算和水工模型试验相结合的研究手段，通过4个实体模型、19种方案、157组试验，研究形成了200～300 m级特高拱坝坝身不设底孔导流技术体系，并在乌东德水电站成功应用，取得了显著的技术经济效益，可为类似工程施工导流方案的拟定提供新的解决思路。总体而言，本文取得了如下结论。

（1） 简化了高拱坝施工程序，节省了工程投资。乌东德水电站采用此技术取消坝身底孔后，坝身孔洞减少1层，乌东德大坝下部162 m无孔洞，大坝施工程序明显简化，缩短大坝浇筑直线工期65 d，节省导流底孔工程投资6 600余万元。

（2） 创新了高拱坝施工导流程序，工期和社会效益明显。导流隧洞群在最后一个枯水期晚下闸，基坑推迟1 a进水，增加坝后水垫塘、二道坝施工期1 a;蓄水期移民优化为一期一次移民，取消了导流底孔过流期1 873人移民（搬迁时间推迟1 a），全库区移民27 978人搬迁完成时间推迟2个月，降低了移民搬迁进度和管理压力。

（3） 擴展了导流隧洞改建形式，提高了下闸安全，实现了初期蓄水期向下游连续大流量生态泄水。乌东德水电站采用先弧门动水下闸、后平板门静水下闸，提高了导流隧洞下闸安全性;下闸期实现大流量连续泄放生态流量，最后一批导流隧洞下闸期，日均向下游连续泄放生态流量400～1 587 m3/s，尾水下游900 m水厂生产生活用水在下闸期正常取水不影响，结构安全和生态效益显著。

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（编辑：胡旭东）