缅甸道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道设计

万云辉 张超 熊泽斌 孔凡辉

收稿日期：

2023-06-02

基金项目：

国家重点研发计划项目“300 m级特高土石坝建设与安全保障技术”（2017YFC0404805）

作者简介：

万云辉，男，高级工程师，硕士，主要从事水工建筑物结构设计工作。E-mail：94389688@qq.com.cn

引用格式：

万云辉，张  超，熊泽斌，等.缅甸道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道设计

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：33-38.

摘要：

缅甸道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道控制段部分建基面基础和大部分引水渠、泄槽、挑坎和消能区均位于强风化岩体区，局部位于全风化岩体区，坝址区基本地震烈度为8度。为解决此高地震区全强风化岩石基础上建设溢洪道的技术难题，通过对布置方案进行优选，合理利用坝址部位周边垭口地形条件，以避开基础不利地质因素影响，并通过三维有限元数值计算分析论证了溢洪道体型设计方案的合理性。工程运行表明，该工程溢洪道的设计科学合理。研究成果可为高地震区全强风化岩体上建设溢洪道提供经验。

关键词：

岸边式溢洪道； 风化岩体； 数值计算； 道耶坎Ⅱ级水电站； 缅甸

中图法分类号：TV651

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.006

文章编号：1006-0081（2024）01-0033-06

0  引  言

溢洪道是土石坝工程最常见的建筑物之一，其主要作用是下泄洪水，保证洪水工况下大坝的安全，是确保水库安全的重要建筑物［1］。缅甸道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道最大下泄流量5 490 m3/s，溢洪道部分控制段和大部分引水渠、泄槽、挑坎和消能区位于强风化岩体区，局部为全风化岩体区，且工程所在地区地震基本烈度为8度，这在国内外高土石坝工程中较为少见，溢洪道设计难点突出。根据国内外大型水利水电工程溢洪道设计成功经验［2-5］，高地震区溢洪道通常布置于微风化岩基上，这有利于溢洪道建基面的稳定，可降低基础面扬压力。为充分利用坝址附近垭口地形条件，道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道布置于大坝左岸垭口地带，溢洪道沿线建基面主要为全强风化岩体，岩石抗风化能力差，抗冲刷能力弱。为适应上述边界条件，在道耶坎Ⅱ级水电溢洪道基础设计阶段，将无闸控制溢洪道调整为有闸控制的形式，减少溢洪道溢流堰面的宽度，并将有闸控制溢洪道控制段设于弱风化岩体上，控制段溢流堰采用低堰的形式。溢洪道泄槽上缓下陡，中间采用竖坡曲线衔接。尾坎段基础设置齿脚与泄槽挑坎衔接，并在泄槽末端消力池设置防淘齿墙，防止水舌冲刷挑坎基础。本文主要从道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道的工程地质条件、枢纽布置方案、结构形式、水力设计、结构计算等方面介绍该水电站岸边式溢洪道的设计及经验，可供类似工程参考。

1  工程概况

道耶坎Ⅱ级水电站位于缅甸锡唐（Sittaung）河流域，东吁（Taungoo）市以东21 km。电站开發的主要任务为发电，兼有灌溉及其他。坝址以上流域面积2 152 km2，多年平均流量为134 m3/s，多年平均径流量为42.2亿m3。水库正常蓄水位为127.00 m，校核洪水位为130.34 m，总库容4.47亿m3，调节库容3.026亿m3，电站装机容量为120 MW，年平均发电量为6.047亿kW·h，工程总投资18亿元人民币。

2  工程地质条件

溢洪道位于大坝左岸马鞍地段，距大坝直线距离约700 m。马鞍底部高程约177 m，两岸山头高程分别为190 m和197 m。库内侧自然坡度27°～33°，库外侧高程85 m以上自然坡度26°～28°，下部坡度明显变缓。区内地表为残坡积土覆盖层，物质为浅灰色碎屑土夹碎块石，结构松散。

溢洪道引水渠及泄槽建基岩体主要为变质砂岩，以强风化为主；左岸高程124 m以下为弱风化；右岸中间夹有全风化；控制段岩体主要为石英质砂岩和变质砂岩，风化强烈，完整性较差，岩体波速值在2 100～2 400 m/s，右岸发育一全风化槽，宽度9～24 m，底部高程106 m；3～8号坝段岩体为强风化，局部已接近全风化。溢洪道消能区主要为含砾杂砂岩，左侧以全-强风化为主；底部和右侧以强风化为主，局部为弱风化。全风化岩石一般呈土夹碎石状，工程性状与土类似；强风化岩石多为碎块状，岩石有一定强度，但锤击易碎；弱风化岩石呈块状，较新鲜，岩石强度较高。

溢洪道建基面岩层走向为15°～30°，倾向为SE，倾角46°～63°，未发现有断层发育，但短小裂隙较密集。控制段基础岩体以中等透水为主，占55.4%；弱透水岩体次之，占43.2%。

3  枢纽布置方案

按GB 50201-2014《防洪标准》，道耶坎Ⅱ级水电站工程规模为Ⅱ等大（2）型工程，主坝面板堆石坝和3座副坝、正常溢洪道和非常溢洪道、引水发电建筑物等主要永久水工建筑物均为2级水工建筑物。由于前期水文资料较为缺乏，溢洪道按500 a一遇洪水设计，5 000 a一遇洪水的1.2倍洪量作为校核洪水标准，并采用PMF洪水进行泄流能力复核，对应洪峰流量分别为3 560 m3/s、6 200 m3/s和6 890 m3/s。道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道工程场址区基本烈度为Ⅷ度，大坝、溢洪道等主要水工建筑物采用基本烈度作为设计烈度，相应设计地震加速度代表值为0.3g，其余各水工建筑物设计地震加速度峰值为0.2g。

3.1  溢洪道设计方案

根据前期基础设计阶段收集的资料，道耶坎Ⅱ级水电站溢洪道设计采用无闸开敞式的方案，溢洪道控制段堰顶高程127 m，溢流堰面净过流宽度为400 m，溢洪道泄槽段衬砌钢筋混凝土底板厚30 cm，泄槽在距离堰顶断面20 m以外范围的底板不进行混凝土衬砌，溢洪道泄槽顺水流向开挖坡比为1/800。但是，开敞式溢洪道在满足设计下泄洪量条件下，需要的溢流堰面宽度大，溢洪道部位山体开挖宽度超过600 m，且溢洪道控制段一般需坐落在弱风化、微风化岩体中，溢洪道部位山体开挖厚度超过50 m，开挖、弃渣工程量巨大，环境友好性差，工程投资大。此外，无闸控制方案的溢洪道上、下游最大水头落差超过60 m，泄槽末端出口水流流速大，达到24 m/s。地质资料表明：泄槽出口末端基础岩体为强风化砂岩，裂隙发育，抗冲流速一般小于5 m/s，需要规模较大的水垫塘进行消能，无闸开敞式溢洪道方案溢洪道泄槽出口水流消能防冲问题尤为突出。

在详细设计阶段，结合无闸控制溢洪道存在的问题，将无闸控制溢洪道调整为有闸控制溢洪道，泄洪轴线方向与无闸控制溢洪道一致，溢洪道设5个表孔，孔口尺寸为10 m×12 m，调整后溢洪道总宽度140.8 m，较大降低了溢洪道部位的开挖宽度；有闸控制方案溢洪道上、下游最大水头落差48 m，泄槽末端出口水流流速18 m/s，可减少出口消能水垫塘的规模。经综合测算，有闸控制溢洪道方案可减少溢洪道部位土石方开挖工程量近330万m3，节省工程投资近11 057万元。此外，溢洪道泄槽采用全钢筋混凝土衬砌底板，安全可靠性高，有闸控制溢洪道泄流能力强，在地震影响时可快速降低水库水位，有利于施工后期导流隧洞封堵和提前发电，以及运行期工程管理和调度运行。综合上述考虑，在详细设计阶段，采用有闸控制溢洪道方案。

3.2  枢纽布置方案

道耶坎Ⅱ级水电站的枢纽布置方案将混凝土面板堆石坝布置于主河床，坝顶高程133 m，最大坝高91 m，坝顶长度381.0 m。面板顶高程129 m，主要由趾板、面板、接缝止水系统、大坝填筑体、坝顶防浪墙等部分组成。该工程布置有3座副坝，分别位于大坝左岸上游副坝区的几个垭口处，均为均质土坝，最大坝高分别为20.8，30.3 m和46.2 m，坝顶总长度为254 m。溢洪道布置于大坝上游左岸的鞍部山体。非常溢洪道布置在1号副坝与2号副坝中间的小山包上。引水发电系统布置于左岸，引水隧洞直径8.5 m，长538 m；厂房为岸边地面厂房，宽66.1 m，长34.60 m，装有3台40 MW的混流式水轮机机组，保证出力32.3 MW；开关站宽75 m，长68 m。导流洞布置在左岸，长500 m，为马蹄形，断面尺寸为10.0 m×10.9 m（宽×高）；上下游围堰高程分别为84 m和55 m。

4  溢洪道建筑物设计

溢洪道布置在左岸鞍部山体，距离大坝直线距离约700 m，泄洪轴线与下游河道走向基本一致。主要由引水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎、下游消能区等组成，如图1所示。溢洪道典型纵剖面结构如图2所示。

4.1  引水渠

溢洪道引水渠渠底高程110 m，渠底宽75 m，中心轴线长54.3 m，渠内最大平均流速为2.91 m/s。溢洪道引水渠基础为砂岩，其上部覆盖层厚1.5～2.0 m，全强风化岩体厚8～10 m。引水渠部位中间地形高程较低，两边高程较高，岩体较厚，引水渠渠底岩体大部分为微新岩石，两侧边坡从底板至高程133.0 m岩体也大多为微新岩石，因此高程110.0～133.0 m的左岸开挖坡比1∶0.2，右岸开挖坡比1∶0.3，并在120.0 m布置一级宽3.0 m的马道。133.0 m以上每10 m布置一级宽3.0 m的马道，开挖坡比均为1∶0.5。对开挖边坡均采用喷锚支护措施，并布置排水孔。

4.2  控制段

溢洪道控制段壩顶高程133.0 m最大坝高34 m，共设9个坝段。其中，1号坝段宽17.9 m，2～8号坝段宽15 m，9号坝段宽17.9 m，坝顶总长度140.8 m。表孔堰顶高程110.0 m，堰顶上游面为双圆弧曲线接倾向上游的斜坡，圆弧半径分别为5.40 m和2.64 m，倾向上游的坡比为1∶1，堰顶下游由WES曲线以短直线段及反弧段与泄槽连接。WES曲线方程为y=0.077 6x1.776。为便于检修门槽的布置，上游堰面采用双圆弧曲线并接倾向上游的斜坡。溢洪道每个泄洪表孔均设一道弧形工作闸门和一道平板检修闸门槽（共设一道检修门）。弧形工作门由设在闸墩下游侧的液压启闭机操作，最大单铰总推力P＝6 000 kN。坝顶布置2×1 000 kN双向回转吊的门机。2号非溢流坝段布置有11.8 m×2.7 m×14.5 m（长×宽×深）的检修门库。

坝体上游面设有一道铜止水和一道橡胶止水。非溢流坝段采用C20W6的混凝土，闸墩和溢流坝段均采用C25F100W6混凝土，堰顶下游溢流面采用C35F100W8抗冲耐磨混凝土。控制段坝内设基础灌浆排水廊道。

4.3  泄槽及挑坎

泄槽及挑流鼻坎垂直于溢洪道控制段布置，采用单孔结构。泄槽净宽70 m，上缓下陡，上、下半段坡比分别为1∶100和1∶2.5，中间采用竖坡曲线衔接。泄槽底板采用厚80 cm的钢筋混凝土衬砌，两侧采用1 m厚竖直挡墙，两侧挡墙下部设置1.5 m×2.0 m排水廊道。溢洪道下游采用挑流消能，挑坎半径为25 m，挑角为24.9°，顶部高程为60.0 m。

溢洪道泄槽共分3段：坡度0.01的斜坡段，上接溢流坝的反弧段，后接竖坡曲线。竖坡曲线方程为y=0.01x+0.008x2，弧线段下接坡度0.4的直线段连至尾坎，水平总长度276.76 m；挑坎段水平长21.35 m，反弧段半径长25 m，中心夹角46.8°，挑角25°，挑流鼻坎顶高程69.0 m。泄槽基本分块尺寸为11.0 m×11.0 m，分缝上部设一道紫铜止水，底板设置卵石填充、内置排水软管的排水盲沟。底板和边墙靠岩体侧均设置锚杆，深入基岩5～8 m。泄槽底板及边墙混凝土厚0.5 m，采用强度等级为C30、抗渗等级为W6的抗冲耐磨混凝土，分块尺寸为10～12 m。泄槽边墙和底板均设锚筋，锚筋长度为1.5 m或3.0 m，直径25 mm。

4.4  下游消能区

溢洪道挑坎末端设计有长度10 m的小平台，平台后接1∶2的斜坡，斜坡下游接底板高程为50.0 m的明渠。平台及下游斜坡上布置厚0.5 m的混凝土板，并在斜坡末端布置防淘齿槽，以防止水舌冲刷挑坎基础。下游明渠按直线布置，与泄洪轴线方向一致，底板高程50.0 m，宽62.0 m，长约555.0 m，两侧采用1∶1.5的开挖边坡，并在高程65.0 m布置宽6.0 m的马道，该马道与挑坎末端宽10.0 m的平台相接，构成明渠两岸检修通道，在溢洪道不过流时使用。明渠主要起下泄水流的导向作用，底板及两侧均不进行衬护。

采取先冲后护的措施，以减少工程量，运行期可根据水流对两侧的破坏情况，采取适当的处理措施。明渠上游段宽度由70 m扩散至90 m，扩散段底板采用厚80 cm的柔性排护底。坡脚采用齿墙护底，齿墙底高程47 m。边坡采用80 cm混凝土衬砌，并布设有锚杆及排水孔。明渠扩散段下游不进行专门衬砌，采取先冲后护的原则。

4.5  基础处理

溢洪道结构基础的岩石条件差，为增加溢洪道建基岩体的整体性和承载力，对溢洪道控制段基础、挑坎基础和消能区混凝土齿墙部位进行固结灌浆处理，溢洪道控制段基础灌浆孔间距为2.5 m×2.5 m，基岩注浆孔深6 m，设计Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆压力分别为0.2～0.4 MPa和0.3～0.5 MPa；溢洪道挑坎和消能区灌浆孔间距为2 m×2 m，基岩注浆孔深5 m，灌浆压力为0.2～0.3 MPa。根据钻孔取芯试验资料，溢洪道控制段基础固结灌浆处理前承载力约为0.6～1.0 MPa，固结灌浆处理后，岩体裂隙被浆液填筑密实，承载力提高至0.8～1.2 MPa。处理前，岩体的波速在3 100 m/s以下，处理后，岩体波速为3 800～4 200 m/s，固结灌浆处理效果较好。

帷幕灌浆按灌后透水率控制在5 Lu，防渗线路沿溢流堰基础廊道布置，并向两岸山体各延伸60 m，全长260.8 m。帷幕灌浆孔距2 m，孔深20～60 m，总进尺0.37万m，第1段、第2段和其他段的灌浆压力分别为0.7～0.1 MPa、1.0～1.5 MPa和2.0～3.0 MPa。在控制段基础廊道防渗帷幕后设置排水幕，深入基岩14 m，孔距2 m。质量监测成果表明：帷幕灌浆处理后，防渗线路区域建基岩体渗透系数均小于5 Lu，防渗控制效果较好。

5  溢洪道三维静动力计算分析

5.1  计算模型

为验证溢洪道结构设计的合理性，采用三维有限元分析方法对溢洪道结构进行了结构计算分析。溢洪道闸墩材料在进行动力计算时，按NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》要求，混凝土的动态抗压强度和动态模量可较其静态标准值提高30%，混凝土动态抗拉强度可取动态抗压强度标准值的10%。坝基计算范围分别从坝踵向上、下游分别延伸2倍闸墩高［6］。采用大型通用有限元软件ANSYS对溢洪道闸墩结构进行数值模拟计算分析。计算时，基础底边施加固定约束，上下游边界施加顺河向水平约束，两侧边界施加横河向水平约束。计算工况考虑：① 正常蓄水位工况，溢洪道全部工作闸门正常挡水；② 校核洪水工况，一侧泄洪，一侧工作闸门挡水；③ 正常蓄水位遭遇地震工况，全部工作闸门挡水。

5.2  计算成果与分析

各计算工况下闸墩和支撑梁应力及位移分布规律基本相同，闸墩基本为受压状态，均在闸墩与溢流堰顶交界部位出现较大竖直向拉应力，正常蓄水位工况、校核洪水工况和地震工况分别为1.62，1.92 MPa和4.63 MPa。支撑梁在与闸墩连接根部的垂直河流方向出现较大拉应力，在正常蓄水位工况、校核洪水工况和地震工况分别为1.66，1.70 MPa和8.03 MPa，结构设计的控制工况均为地震工况。图3为溢洪道闸段在正常蓄水位工况第一主应力分布，图4为溢洪道闸段在地震工况下第一主应力分布。上述结构计算应力分布成果符合一般溢洪道闸墩和支撑梁体系应力分布规律，结构总体设计安全可靠，对于结构局部出现的较大拉应力，可根据结构特点采取适当的钢筋配置解决。

根据DL/T 5057-2009《水工混凝土结构设计规范》，采用弹性有限元应力图形法进行配筋设计，配筋原则：总拉力T由混凝土承担的拉力Tc及钢筋承担的拉力Ts共同承担。闸墩内侧堰顶上游4 m至下游5 m范围配置双层Ⅱ级Φ30 mm@15 cm钢筋，其余部位由单层Ⅱ级Φ30 mm到单层Ⅱ级Φ25 mm过渡。支撑梁全断面纵向配置双层Ⅱ级Φ30 mm@20 cm钢筋。

6  结  语

道耶坎Ⅱ级水电站工程于2008年11月开工，2010年10月完成截流，2012年12月下闸蓄水，2013年3月，3台机组全部并网运行，蓄水以来，工程基本处于正常蓄水位的高水位运行，溢洪道已经历经多次泄洪，水力学原型观测、监测资料和汛后检查情况均表明泄洪消能主要建筑物运行良好，溢洪道下游冲刷情况与详细设计阶段预测的成果基本一致。该溢洪道设计成功解决了在高地震区全强风化岩石基础上建设溢洪道的技术难题。2014年，该工程获得东盟颁发的“杰出工程成就奖”，2021年获得国际小水电联合会颁发的“中外水电国际合作优秀案例”。该溢洪道的设计建造经验可为类似国际工程提供借鉴。

参考文献：

［1］  陈晓明.中小型水库溢洪道设计常见问题及对策［J］.水利天地，2011（5）：37-38.

［2］  崔玉柱，曹艳辉，杨晓红，等.巴基斯坦卡洛特水电站溢洪道設计［J］.水利水电快报，2020，41（3）：36-41.

［3］  杨卫甲，岳朝俊，段寅，等.云南省万花溪水库溢洪道防空蚀试验研究［J］.水利水电快报，2022，43（9）：67-71，81.

［4］  詹伟.巴拿马运河新溢洪道设计特点［J］.水利水电快报，2013，34（5）：15-16.

［5］  廖仁强，何先红.水布垭水利枢纽岸边溢洪道设计［J］.人民长江，2007（7）：22-23，69.

［6］  武亚辉.基于水动力模型的水库溢洪道水流演进分析［J］.水科学与工程技术，2021（4）：1-5.

（编辑：江  焘，高小雲）

Design of spillway for Thaukyegat Ⅱ Hydropower Station in Myanmar

WAN Yunhui，ZHANG Chao，XIONG Zebin，KONG Fanhui

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The foundation surface and most of diversion canal，discharge chute，flip bucket and energy dissipation zone of spillway control section of the Myanmar Thaukyegat Ⅱ hydropower station were located in strongly weathered rock mass，with some parts located in fully weathered rock mass.The basic seismic intensity of the dam site area was 8 degrees.To solve the technical problem of constructing a spillway on the basis of fully weathered rock mass in the high seismic area，the layout plan was optimized.The terrain conditions around the dam site were reasonably utilized，which avoid the influence of unfavorable geological factors on the foundation.The rationality of the spillway design was demonstrated through three-dimensional finite element numerical calculation and analysis.The actual operation results indicated that the design of the spillway was scientific and reasonable.The research results can provide a reference for the construction of spillway on fully weathered rock masses in high seismic areas．

Key words：

banked spillway； weathered rock； numerical calculation； Thaukyegat Ⅱ Hydropower Station； Myanmar