旭龙水电站泄洪消能设计研究

杨晓红 黄红飞 王维浩

摘要：为了研究高地震烈度区特高拱坝设计采用全坝身泄洪的可行性，以旭龙水电站特高拱坝为例，对泄洪消能布置、水力指标、坝身孔口布置方式、体型以及孔口结构抗震影响等方面进行研究和综合比选后，推荐采用全坝身3表孔加4中孔泄洪、下游反拱水垫塘消能方案。研究表明：合适的坝身孔口布置体型可保障泄洪消能安全与减轻岸坡泄洪雾化，反拱水垫塘安全性和经济性较好，孔口结构对坝体整体极限抗震性能无影响，高地震烈度区特高拱坝设计采用全坝身泄洪是可行的。研究成果可为类似工程泄洪消能建筑物设计提供参考。

关键词：全坝身泄洪； 特高拱坝； 孔口抗震影响； 反拱水垫塘； 数值计算； 模型试验； 旭龙水电站

中图法分类号：TV652

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.008

文章编号：1006-0081（2024）05-0043-06

0 引言

水利水电建筑物多建于地形地质和水文特性条件复杂的高山峡谷中，具有水头高、流量大、河谷狭窄、泄洪功率大、地形地质条件复杂等特点，泄洪消能问题十分突出［1］。狭窄河谷地区在具备条件的情况下，混凝土坝宜尽可能在坝身布置泄洪孔口［2］，尤其考虑到高拱坝自身的结构特点以及场地空间限制，坝身孔口泄洪是一种常用而经济的泄洪方式［3］。但是，对于水头高、泄洪流量大或高地震烈度区的同类特高拱坝工程，从提高工程泄洪消能的安全性［4-6］，尽量保持拱坝坝身结构完整性［7］，利于拱坝结构抗震安全的角度出发，增加一条岸边泄洪通道，采用坝身泄洪孔口组合岸边泄洪洞联合泄洪的方式也较为普遍［8-10］。在高地震烈度区狭窄河谷特高拱坝中，如何选择经济合适的既保证坝体抗震安全，同时解决泄洪消能难题和雾化影响的泄洪布置方案研究则较少。本文依托位于金沙江上游高地震烈度区的旭龙水电站建设中面临的泄洪消能布置关键技术问题展开研究，结合泄洪布置方案比选、水力学模型试验、数值模型分析及技术经济比较等手段，从水力消能指标、抗震影响、施工条件、经济性等方面优选出合适的泄洪消能布置方案，可为同类工程设计和科研提供参考。

1 工程概况

旭龙水电站是金沙江上游河段“一库十三级”梯级开发方案中的第12级，位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段，坝址多年平均流量990 m3/s，多年平均径流量313亿m3。大坝设计（P=0.1%）和校核（P=0.02%）洪水工况下的入库洪水洪峰流量分别为9 970 m3/s和11 300 m3/s。水库正常蓄水位2 302 m，水库总库容8.47亿m3，电站总装机容量2 400 MW，为I等大（1）型工程。枢纽工程由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物、地下引水发电系统及过鱼设施等组成。拱坝最大坝高213 m，泄水建筑物全坝身布置，由3个泄洪表孔、4个泄洪中孔和1个生态放水孔组成，坝下设人工混凝土水垫塘消能，右岸布置引水发电系统与过鱼设施，左岸布置导流洞。

2 泄洪消能方案

2.1 设计原则

旭龙水电站主要开发任务为发电，不承担坝址下游防洪任务，无供水、灌溉、通航等要求。工程本身100 a淤沙高程较低，无需解决排沙问题。泄水建筑物需主要满足运行期的泄洪、降低库水位和施工期的导流、度汛以及运行期机组停机等特殊时期的生态供水等工程运用要求。结合旭龙水电站洪水泄量相对不大的特点及工程运用要求，拟定泄洪消能建筑物设计原则如下：① 泄洪建筑物能够安全宣泄校核洪水，并具备一定的超泄能力；② 宜优先考虑采用坝身孔口泄洪方式；③ 泄洪孔口布置和调度方式应具有足夠的运行灵活性；④ 泄洪建筑物应能降低库水位至大坝中上部，满足大坝检修的要求；⑤ 泄洪建筑物布置应兼顾施工后期导流及度汛的要求；⑥ 消能建筑物应在宣泄设计洪水及以下各级泄量，尤其是常遇洪水时，具备良好的消能效果。

2.2 泄洪布置方案

旭龙水电站大坝采用混凝土双曲拱坝，坝址区河谷狭窄，河道基本顺直，两侧岸坡陡峻，不适宜布置岸边溢洪道，适合布置坝身孔口和岸边泄洪洞泄洪。通常坝身集中布置泄洪孔口，工程布置紧凑，调度灵活，对其他建筑物干扰小，且经济性较高。旭龙拱坝高达213 m，坝址区基本地震烈度达Ⅷ度，大坝校核地震峰值加速度达0.497g，为同期在建水电站最高。有必要将设置岸边泄洪洞、增加一条泄洪通道的方案作为重点比选方案。

根据坝址区地形地质条件，大坝两岸均具备布置泄洪洞的地质条件，河道在水垫塘下游略微向右偏转，泄洪洞布置在左岸更有利于水流归槽，减轻对下游河道及岸坡冲刷的影响。但是左岸泄洪洞沿程因穿过F1断层、危岩体、崩坡积体，在处理进、出口边坡和洞身段均存在地质缺陷问题，为保证出口消能防冲效果，需要额外增加工程投资约3.5亿元，经济性较差。若考虑将其与引水发电系统共同布置在地质条件相对较好的一侧，一则相互间存在干扰，工程完建后可能影响电站的稳定安全运行；二则洞线更长，工程量更大。从工程布置、地质条件、施工条件、经济性等方面考虑，全坝身孔口泄洪布置方案均较坝身孔口与岸边泄洪洞联合泄洪方案优势明显，泄洪布置方案中优先考虑采用全坝身孔口泄洪。而全坝身孔口泄洪布置方案关键在于研究坝身孔口布置型式，大坝下游消能安全以及孔口结构对大坝抗震安全影响问题，论证全坝身孔口泄洪方案的可行性。

2.2.1 全坝身孔口布置方案

考虑到旭龙水电站拱坝高、地震烈度大，泄洪建筑物应当能有效降低库水位，以便应急放空和为震后检修创造条件，需布设一定数量的中孔或放空底孔，可兼顾施工期后期导流，也有利于工程运行期与表孔相互配合进行灵活调度。虽孔口越低，库水位降低高程越低，检修越方便，但是孔口过低，易导致闸门操作难度加大，对拱坝结构不利。在旭龙水电站设计中考虑不设置放空底孔，选择坝身布置两层孔口，即采用泄洪表孔、中孔联合布置的型式较为合适。

全坝身孔口集中泄洪，下游水垫塘底板冲击压力取决于表、中孔的泄量比，一般表孔泄量占比越大，底板冲击压强越大。全坝身泄洪孔口布置研究中，比选了“3表孔（12 m×15 m）+4中孔（7 m×5 m）”、“4表孔（12 m×15 m）+3中孔（7 m×5 m）”两种方案。从超泄能力、流量分配、放空能力、抗震性能等方面综合比较后认为，虽然“4表孔+3中孔”方案比“3表孔+4中孔”方案表孔数量多1孔，超泄能力较强，但表孔与中孔的分流比为2.1∶1，加大了对下游水垫塘底板的冲击，且对动力放大效应最显著的坝顶拱圈削弱程度相对较大。而后者中孔数量多1孔，水库放空能力相对较强，表孔与中孔的分流比为1.25∶1，两者流量分配接近，泄洪调度运用也更灵活，故选择“3表孔+4中孔”孔口布置方案较为合适。

2.2.2 全坝身孔口泄洪消能安全分析研究

2.2.2.1 泄洪消能水力指标分析

国内部分特高拱坝泄洪消能水力指标统计见表1。旭龙水电站校核洪水洪峰流量11 300 m3/s，调蓄后泄水建筑物最大设计泄流量为11 138 m3/s，最大设计下泄功率为15 500 MW。相较而言，旭龙水电站洪水泄量、泄洪功率均不大，具备在坝身集中布置泄洪孔口的便利条件。

旭龙水电站拱坝坝址区河谷为典型的深切“V”形峡谷地形，两岸地形对称性较好，枯水期天然江面宽60～80 m，水深约10 m，河床冲积层厚约30 m。按此地形地质条件，河床无需大量开挖基岩即可形成大于40 m的深水垫消能塘，估算塘内水体消能率12.5 kW/m3亦接近同类特高拱坝中低值。因此，从泄洪消能水力指标分析可以看出，旭龙水电站拱坝具备采用全坝身集中泄洪的可行性。

2.2.2.2 减轻泄洪雾化的孔口体型研究

高坝坝身泄洪消能不可避免将带来泄洪雾化问题。旭龙水电站坝址河谷狭窄，岸坡陡峻，两岸岩体卸荷深度15～35 m，整体基本稳定，但受风化、卸荷作用影响，坡表裂隙发育，松动危岩较多。若坝身集中泄洪雾化产生的强降雨严重，对消能区两岸的高位自然边坡永久安全稳定将产生较大影响［14］。结合旭龙水电站泄洪流量、泄洪功率及塘内水体消能率相对不大的便利条件，旭龙水电站泄洪孔口布置和流道体型设计力求达到三重目标：① 孔口体型简单；② 水垫塘底板最大冲击压力满足标准限值要求（＜15×9.81 kPa）；③ 尽量减小孔口出流碰撞避免产生较大泄洪雾雨。结合数值模拟分析和物理模型试验，对“3表孔+4中孔”方案开展了多种孔口流道体型的挑射流轨迹对比分析，通过优化孔口流道体型改善水舌轨迹、水舌碰撞点位置和宽度，提出“水舌碰撞与不碰撞结合”“泄洪消能工程安全与减轻岸坡泄洪雾化并重”［15］的旭龙坝身泄洪消能新模式，从而实现既定目标。优化后推荐孔口体型采用“3表孔（12 m×15 m）+4中孔（6 m×6 m）”方案，中间表孔和中孔水舌碰撞消能以减轻水垫塘底板冲击压力，两侧的边表孔和边中孔横向交错入水不碰撞以减轻雾化，并且孔口流道体型简单，未设分流齿坎等复杂体型，便于施工。旭龙拱坝水工模型试验泄洪流态见图1。

2.2.3 全坝身孔口泄洪抗震安全研究

旭龙水电站工程区地震基本烈度为Ⅷ度，而泄洪孔口集中布置于坝身会削弱拱坝总体刚度，因此全坝身泄洪布置方案中应重点研究坝身泄洪孔口对拱坝应力和变形的影响，尤其是表孔对抗震安全性的影响。

通过对旭龙拱坝坝体及孔口局部的应力、变形与坝体损伤等方面进行静、动力分析，表明坝身孔口对大坝力学性能影响是局部的，对大坝整体刚度影响较小［16］。图2中显示出旭龙拱坝有无孔口模型上、下游坝面损伤分布对比。泄洪孔口结构与坝体连接部位损伤程度高的区域通过采取适当抗震措施可满足坝身抗震安全要求，进而保证泄洪孔口结构在震后的有效运行。因此，旭龙水电站采用全坝身孔口泄洪布置方案从抗震安全角度具有可行性。

2.3 消能方案研究

旭龙水电站坝址河谷狭窄，岸坡陡峻，两岸岩体卸荷深度15～35 m，大坝高213 m，估算天然状态下泄洪对河床基岩的最大冲刷深度达20～30 m。为保护下游河床及两岸岸坡不受冲刷，保证大坝稳定不受影响，旭龙水电站下游设人工混凝土水垫塘。主要比选了平底板与反拱底板两种体型（图3）。两种体型均可满足水垫塘的消能作用，但反拱底板断面型式的受力特征较好，下部开挖和锚固工程量小于平底板，并存在优化余地，从水垫塘长期运行安全考虑，选择反拱底板水垫塘。

3 泄洪消能建筑物设计

旭龙水电站泄洪消能建筑物平面、纵剖面图见图4。3表孔和4中孔在平面上沿一条半径为300 m的圆弧泄洪轴线以泄洪中心线为轴对称布置。

各表孔中心线在堰顶与泄洪轴线相交，相邻表孔中心线夹角4.7°。4个中孔位于表孔闸墩正下方，也关于泄洪中心线对称布置。中间两个中孔中心线与泄洪中心线夹角分别为2.35°，两边两个中孔中心线与泄洪中心线夹角分别为5.05°。3个表孔和中间两个中孔中心线与泄洪中心线的交点为泄洪轴线圆心点，而两边中孔中心线与泄洪中心线的交点位于泄洪轴线圆心点下游118.942 m。

3.1 表孔

3个表孔堰顶高程2 287 m，孔口尺寸均为12 m×15 m（宽×高），跨缝布置。表孔堰顶上游面选用椭圆曲线。下游采用WES曲线，堰面曲线方程为Y=0.044 99X1.85。为减少水流集中的影响，并尽可能的沿纵向分散表孔水舌落点以及减轻表孔水舌与下部中孔水舌的碰撞，中表孔与边表孔堰面曲线下游分别采用不同的直线段和反弧段以及出口挑坎体型。中表孔堰面曲线下接1∶1.2的直线段，直线段下游接半径R=34 m的反弧段，反弧段末端接2 m长直线段，直线段末段即为中表孔出口挑坎，出口挑坎高程2 272.34 m，跌角-14°，宽12 m；两边表孔堰面曲线下接1∶1.4的直线段，直线段下游接半径R=23.8 m的反弧段，反弧段末段即为边表孔出口挑坎，出口挑坎高程2 275.17 m，跌角-5°，在出口10 m范圍内，两边表孔流道宽度由12 m渐缩至10 m。

3.2 中孔

4个中孔采用有压管型式，进口高程2 220 m，中孔出口控制断面尺寸6 m×6 m（宽×高），中孔不跨缝布置。为分散水舌落点，充分利用表孔水舌之后水体消能，中孔出口采用平底型和上挑型两种型式。

弧形工作门布置在出口处，平板事故检修门布置于进口处。平底型和上挑型中孔进口高程均为2 220 m，进口顶板、侧墙均采用椭圆曲线。两种孔道中部直线段断面尺寸均为6 m×8 m（宽×高），中孔有压段出口采用竖向收缩型式。平底型出口在直线段后接1∶6顶板压坡段，直线段与压坡段间采用半径为30 m的圆弧过渡段，过渡段长4.93 m，对应圆心角为9.46°，压坡段出口的控制尺寸为6 m×6 m（宽×高），出口底坎高程2 220 m；上挑型孔口在直线段之后底面接5°上挑斜坡段，直线段与斜坡段间采用半径为35 m的圆弧过渡段，过渡段长3.05 m，对应圆心角为5°，斜坡段出口的控制尺寸为6 m×6 m（宽×高），出口底坎高程2 222.43 m。

3.3 生态放水孔

为满足生态环境保护要求，旭龙水电站正常发电期间，生态流量由机组下泄，在特殊情况下机组全部停机时，在拱坝坝身另单独布置一孔生态放水孔下泄生态流量。生态放水孔紧邻右边表孔布置，采用上挑型有压管型式。进口高程2 278.00 m，进口顶板、侧墙均采用椭圆曲线，孔道中部直线段断面尺寸为4.5 m×7.0 m（宽×高），孔口直线段之后接圆弧段过渡，底面圆弧半径30 m，中心角10°，出口段底面为斜面，挑角10°，出口控制尺寸4.5 m×6.0 m（宽×高），出口底板高程2 281.50 m。

3.4 反拱水垫塘

大坝下游采用反拱底板复式梯形为基本断面的混凝土水垫塘消能。各级泄量下坝身泄洪孔口主要入水集中在坝轴线下游桩号0+100 m～0+180 m范围内。水垫塘长度主要由中孔泄流控制，挑坎出口到水垫塘底面高程2 180 m最大挑距約205 m，强迫水跃长约70 m，据此确定水垫塘底长274 m。底板厚3 m，塘内在2 153 m高程水面宽90 m，水深45 m。反拱底板内圆半径为45 m，中心角67.498°，水平弦长50 m，矢高7.58 m。水垫塘边墙顶高程2 180 m，高程2 180 m以下边墙和底板采用全封闭排水结构。边墙混凝土在高程2 153 m以下厚3 m，高程2 153～2 180 m厚2 m。高程2 180～2 255 m的护坡混凝土厚0.5 m。

水垫塘末端布置常态混凝土重力式二道坝，坝顶高程2 153 m，上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶0.3，最大坝高48 m。二道坝下游设置混凝土透水式护坦及护岸。

4 结语

结合旭龙水电站洪水泄量、泄洪功率相对不大的特点，泄洪消能建筑物设计时，采用全坝身孔口泄洪、下游反拱水垫塘消能的设计方案。该方案泄洪消能建筑物布置紧凑、调度灵活，较好地适应该工程地形地质条件。同时，水工模型试验等结果表明大坝消能安全和大坝结构抗震安全无影响，是一种经济安全的泄洪消能建筑物布置方式。

参考文献：

［1］李桂芬.水工水力学研究进展与展望［J］.中国水利水电科学研究院学报，2008，6（3）：183-189.

［2］陈兴，周华，王智娟，等.扎拉水电站泄洪消能型式比选研究［J］.人民长江，2023，54（12）：188-194.

［3］王继敏，杨弘.锦屏一级水电站泄洪消能关键技术研究［J］.人民长江，2017，48（13）：85-90.

［4］尹大芳，饶宏玲，苏玮.二滩拱坝的泄洪消能设计［J］.水电站设计，1998，14（3）：27-31，51.

［5］肖白云.溪洛渡水电站的泄洪消能设计［J］.水电站设计，1999，15（1）：15-20.

［6］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，2006，37（3）：42-43，73.

［7］刘翔，刘丽娟，陈林.大岗山水电站高拱坝泄洪消能技术研究［J］.水力发电，2015，41（7）：39-42，51.

［8］游湘，曾勇.锦屏一级水电站泄洪消能布置设计［C］∥中国水利技术信息中心.全国泄水建筑物安全及新材料新技术应用研讨会论文集.深圳：中国水利技术信息中心，2010.

［9］胡清义，廖仁强，郭艳阳，等.乌东德水电站泄洪消能设计研究［J］.人民长江，2014，45（20）：21-23.

［10］胡清义，冯雄波，曹去修，等.构皮滩水电站泄洪消能设计研究与运行检验［J］.水利水电快报，2020，41（1）：48-54.

［11］王英奎，廖仁强，许唯临.高拱坝水垫塘消能的研究进展［J］.水利科技与经济，2013，19（7）：1-5.

［12］杨敬，陈亚琴.溪洛渡水电站超大功率坝后消能工的体型参数选择与实践［J］.水电站设计，2015，31（3）：10-12.

［13］张友科，杜生宗，王亚娥.拉西瓦水电站泄洪消能设计［C］∥中国大坝协会2012高坝工程前沿论坛论文集.成都：四川大学，2012：176-180.

［14］侯延华，安永奇，张友科，等.黄河拉西瓦水电站泄洪消能及雾化影响区两岸高边坡防护处理设计［C］∥中国岩土锚固工程协会.中国岩土锚固工程协会第十九次全国岩土锚固工程学术研讨会论文集.重庆：2010：274-282.

［15］段文刚，胡晗，侯冬梅.我国特高拱坝坝身泄洪消能技术研究与应用［J］.长江科学院院报，2021，38（10）：93-98.

［16］熊堃，王维浩，黄红飞.两层泄洪孔口对特高拱坝抗震性能影响研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2024，22（1）：63-72.

编辑：唐湘茜

Research and design of flood discharge and energy dissipation  for Xulong Hydropower Station

YANG Xiaohong1，2，HUANG Hongfei1，2，WANG Weihao1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to study the feasibility of all flood discharge with orifice on dam body of super high arch dams in high seismic intensity areas，we took the Xulong Super High Arch Dam as an example，the layout pattern of flood discharge and energy dissipation，hydraulic indicators，orifice layout shape on dam body，and seismic impact of orifice structure had been studied.After comprehensive comparison，all flood discharge with orifice on dam body with three overflow spillways and four middle holes and inverted-arch bottom plunge pool were adopted.Research had shown that a suitable arrangement of dam body orifice shapes can balance the safety of flood discharge and reduce the atomization of flood discharge.The safety and economy of inverted-arch bottom plunge pool were good.The orifice structure had no effect on the overall ultimate seismic performance of the dam body.It is feasible that all flood discharge with orifice on super high arch dam body in high seismic intensity areas.The research results can provide a reference for the design of flood discharge and energy dissipation buildings in similar projects.

Key words：

all flood discharge with orifice on dam body； super high arch dam； seismic impact of orifice structure； inverted-arch bottom plunge pool； numerical calculation； model test； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：杨晓红，女，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作。E-mail：yangxiaohong@cjwsjy.com.cn