溪洛渡水電站泄洪洞設(shè)計(jì)計(jì)算

溪洛渡水電站泄洪洞設(shè)計(jì)計(jì)算

1壩體洪水工程西洛渡水庫(kù)位于四川省雷波縣和永山縣金沙江下游匯入河流的江洛渡峽谷。它是江龍河流域計(jì)劃中最大的水庫(kù)。電站上接白鶴灘水電站尾水,下與向家壩水庫(kù)相連。金沙江徑流豐沛,洪峰流量大,壩址處多年平均流量4570m3/s,年徑流量1440億m3,相當(dāng)于黃河徑流量的3.5倍。電站泄洪功率大,是目前我國(guó)高拱壩中泄洪功率最大的二灘電站的2.5倍,堪稱(chēng)世界之最。電站的設(shè)計(jì)洪水為千年一遇,洪峰流量43700m3/s,校核洪水流量為萬(wàn)年一遇,洪峰流量52300m3/s(若考慮上游白鶴灘水庫(kù)的調(diào)蓄作用,洪峰流量為50900m3/s),常年洪水流量(P=50%)16900m3/s。電站樞紐位于深山峽谷區(qū),岸坡陡峻、河床狹窄,枯水期河面寬度僅100余米。因此,在樞紐布置時(shí)考慮由壩身表孔、中孔與岸邊泄洪洞共同承擔(dān)電站的泄洪任務(wù),泄洪洞的布置及體型設(shè)計(jì)對(duì)提高整個(gè)泄洪樞紐運(yùn)行的靈活性和可靠性,對(duì)減輕拱壩壩身泄洪和壩下消能的負(fù)擔(dān),起著非常重要的作用。泄洪洞是溪洛渡工程的主要泄洪設(shè)施之一。經(jīng)調(diào)洪演算,在設(shè)計(jì)洪水情況下,泄洪洞泄洪流量為15430m3/s,校核泄量為16648m3/s,泄洪洞承擔(dān)了樞紐設(shè)計(jì)和校核洪水總泄量的45%左右。泄洪時(shí),上、下游水位差在設(shè)計(jì)和校核兩種情況下均接近200m,最大流速可達(dá)45m/s以上。溪洛渡泄洪隧洞的泄洪水頭、泄流量、泄洪功率以及高速水流問(wèn)題均為國(guó)內(nèi)最高水平,在世界上亦位列前矛。因此,電站泄洪洞的布置及體型設(shè)計(jì),對(duì)解決好“高壩、大流量、窄河谷區(qū)”的泄洪消能有著重要的意義。2排水孔的配置設(shè)計(jì)2.1圍巖完整,圍巖電站樞紐位于溪洛渡峽谷中段4km長(zhǎng)的河道上,河道順直、谷坡陡峻、基巖裸露、山體雄厚、地形完整,為一基本對(duì)稱(chēng)的“U”型河谷;壩址區(qū)內(nèi)無(wú)沖溝及較大規(guī)模斷層切割,泄洪洞通過(guò)兩岸的洞身段為P2β8～P2β12玄武巖,巖體完整,強(qiáng)度高,無(wú)大構(gòu)造斷裂帶,圍巖穩(wěn)定性良好,具有建大型地下洞室的優(yōu)越條件。因此,岸邊泄洪設(shè)施采用全泄洪洞的方案。電站樞紐布置見(jiàn)圖1。2.2方案一:單洞泄量+門(mén)診量泄洪洞的規(guī)模取決于樞紐泄洪量的要求、孔口布置、閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地質(zhì)條件及出口消能等因素。按樞紐泄量分配,泄洪洞最大泄量近20000m3/s,若單洞泄量選擇3000m3/s,則需6～7條泄洪洞,投資較大;但若單洞泄量選擇過(guò)大,則出口水流分散困難,泄洪功率大,下游消能防沖問(wèn)題難以解決。參考目前國(guó)內(nèi)外已有泄洪洞的泄量規(guī)模及閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平(見(jiàn)表1、2),結(jié)合溪洛渡下游河道水深達(dá)60m、約為二灘1.5倍的特點(diǎn),擬定溪洛渡泄洪洞單洞泄洪規(guī)模為3800～4000m/s(設(shè)計(jì)～校核),孔口尺寸為14m×12m(寬×高),布置5條泄洪隧洞,其中1條為非常泄洪隧洞,布置在右岸,4條常規(guī)泄洪洞,兩岸各布置2條,能滿(mǎn)足15200～16000m3/s泄量的要求。泄洪洞工作閘門(mén)承受60m的作用水頭,閘門(mén)尺寸大,推力較大。若閘門(mén)處設(shè)中墩,難以消除中墩尾部產(chǎn)生的水流菱形波,使洞內(nèi)水流流態(tài)惡化,故泄洪洞采用單孔閘門(mén)。2.3保證出口水流歸槽好,保證流流順利進(jìn)行(1)滿(mǎn)足泄洪洞泄量要求及樞紐布置對(duì)泄洪洞控制庫(kù)水位的要求;(2)充分利用地形、地質(zhì)條件,使出口水流歸槽好,減少對(duì)下游河床的沖淤;(3)洞內(nèi)水流應(yīng)滿(mǎn)足“平、順、直”的要求,確保泄流順暢;(4)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”原則,降低進(jìn)、出口高邊坡的高度。2.4排水方案的配置結(jié)合樞紐區(qū)地形、地質(zhì)條件,對(duì)泄洪隧洞重點(diǎn)開(kāi)展了無(wú)壓泄洪直洞與有壓接無(wú)壓泄洪彎洞的比較。2.4.1單雙洞設(shè)計(jì)無(wú)壓泄洪直洞布置于右岸,利用彎段河道“裁彎取直”,洞線(xiàn)呈直線(xiàn)。進(jìn)口位于馬家河壩段,出口置于溪洛渡溝口,單洞最長(zhǎng)達(dá)3.5km,受地形限制,右岸最多可布置4條洞。各條洞線(xiàn)平行,間距50m,進(jìn)口均為岸塔式,依庫(kù)岸地形錯(cuò)落布置,孔口底高程550.00m,弧形工作閘門(mén)尺寸為12m×13m(寬×高),單洞最大泄量4000m3/s。經(jīng)分析比較,無(wú)壓泄洪洞選擇了“一坡到底”的設(shè)計(jì)方案。泄洪洞洞身起始高程550.00m,末端高程400.00m,底坡0.045左右,其后為出口挑坎。經(jīng)水力學(xué)計(jì)算及模型試驗(yàn)表明,右岸無(wú)壓直洞“一坡到底”方案存在出口挑流水舌挑距偏小,水流歸槽較差,在中小洪水運(yùn)行時(shí)將直接沖刷本岸岸坡。原因是洞線(xiàn)過(guò)長(zhǎng),底坡太緩,高流速水體能量沿程損失過(guò)多,至出口流速僅25m/s左右。水力模型試驗(yàn)還顯示,當(dāng)?shù)灼耰<0.08時(shí),在隧洞流速較高段摻氣困難,高速水流造成的空化、氣蝕不易解決。如摻氣不充分,國(guó)內(nèi)外已建工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,襯砌結(jié)構(gòu)容易破壞,運(yùn)行安全度差。從工程規(guī)模分析,無(wú)壓洞的洞長(zhǎng)在3000m以上,斷面尺寸大,寬14m,高18m,工程量大,投資大,所以不宜采用此方案。2.4.2無(wú)壓洞段的研制溪洛渡大壩位于長(zhǎng)約4km的峽谷直段的中部,兩岸谷坡陡峭,但在壩址上游約500m的范圍內(nèi)、高程約550～650m之間的谷坡相對(duì)較緩,適宜布置泄洪洞進(jìn)水口。結(jié)合樞紐布置,泄洪洞在平面上采用有壓接無(wú)壓、繞壩肩轉(zhuǎn)彎的布置型式,進(jìn)水口置于廠房進(jìn)水口與大壩之間,為各自獨(dú)立的岸塔式進(jìn)水口,出口位于廠房尾水洞下游,采用挑流消能。泄洪洞長(zhǎng)約1.3～1.8km。洞身段為有壓段經(jīng)彎道后的地下工作閘門(mén)室,再接無(wú)壓段。對(duì)于無(wú)壓洞段比較了“龍落尾”、“龍伸腰”、“一坡到底”三種型式。由于“龍伸腰”、“一坡到底”等型式使相當(dāng)長(zhǎng)的一段隧洞承受高速水流的嚴(yán)重沖蝕,而“龍落尾”泄洪洞將總水頭差的80%左右集中在全洞長(zhǎng)度的15%之內(nèi),85%洞段流速一般約25m/s左右,僅龍落尾段由始端流速25m/s左右至反弧段末端流速達(dá)到45m/s,高速水流集中,使出口挑流消能水流進(jìn)入河床能得到保證,也提高了洞身運(yùn)行的安全度。結(jié)合出口區(qū)地形、地質(zhì)條件,對(duì)“龍落尾”段比較了“地面龍落尾”和“洞內(nèi)龍落尾”兩種形式。由于隧洞出口區(qū)岸壁陡峭,若將200m長(zhǎng)的“龍落尾”段置于地面,山體一側(cè)的開(kāi)挖高邊坡達(dá)150m左右,工程量巨大,因此采用“洞內(nèi)龍落尾”布置。僅在反弧段之后結(jié)合出口地形,選擇各洞出口,達(dá)到降低開(kāi)挖邊坡高度、減少工程量的目的。根據(jù)樞紐區(qū)地形、地質(zhì)特點(diǎn),通過(guò)方案比較,本工程選用“有壓接無(wú)壓+洞內(nèi)龍落尾”的泄洪洞布置格局(見(jiàn)圖2)。3條泄洪洞的形態(tài)電站左、右岸各布置2條有壓接無(wú)壓泄洪隧洞,泄洪洞由進(jìn)水閘、有壓洞段、地下工作閘門(mén)室、無(wú)壓洞段、龍落尾段和出口挑坎等組成。4條泄洪洞的進(jìn)出口高程、孔口尺寸、洞身斷面完全一致,但隨地形變化各洞的洞長(zhǎng)不同,相應(yīng)的洞底坡也不相同。以下對(duì)右岸3號(hào)泄洪洞的體型設(shè)計(jì)作一詳述。開(kāi)展了泄流能力,洞內(nèi)水深、流速、摻氣水深、空化及洞底壓力等參數(shù)的計(jì)算分析。在此基礎(chǔ)之上,針對(duì)溪洛渡泄洪隧洞“泄量大、水頭高”的特點(diǎn),結(jié)合國(guó)家“九五”科技攻關(guān),委托多家科研院、校對(duì)泄洪隧洞關(guān)鍵部位,開(kāi)展了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。3.1壓力長(zhǎng)洞式泄洪洞設(shè)計(jì)根據(jù)庫(kù)區(qū)地形條件,泄洪洞進(jìn)水閘位于廠房進(jìn)水口和大壩之間,進(jìn)水口為岸塔式,塔頂高程610.00m,塔基高程540.00m,置于P2β7～P2β8層弱風(fēng)化、弱卸荷的玄武巖巖體上,塔體尺寸25m×28m×70m(長(zhǎng)×寬×高),開(kāi)挖邊坡高度約150m。進(jìn)水塔設(shè)事故檢修門(mén)及通氣孔,進(jìn)口頂部采用橢圓曲線(xiàn),方程為(x2/152)+(z2/52)=1,事故閘門(mén)尺寸為12m×15m(寬×高),后接有壓隧洞。進(jìn)水口高程的確定是壓力長(zhǎng)洞式泄洪洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。除滿(mǎn)足各泄洪工況的泄量要求外,還要滿(mǎn)足施工期提前發(fā)電度汛要求。施工期提前發(fā)電的度汛水位為582.90m,正常運(yùn)行汛限水位570.00m。因此,進(jìn)水口處最小淹沒(méi)水深應(yīng)由汛限水位570.00m推算,使閘門(mén)全開(kāi)狀態(tài),保證500多米長(zhǎng)的壓力隧洞不產(chǎn)生明流或明滿(mǎn)流。根據(jù)緩坡隧洞由半有壓流至有壓流界限判別條件,隧洞進(jìn)口為有壓流的最小淹沒(méi)深度Hmin=24.21m,進(jìn)口底高程545.00mm,則H=25m>Hmin=24.21m,滿(mǎn)足要求。1～4號(hào)泄洪隧洞有壓段洞長(zhǎng)相差不大。經(jīng)計(jì)算,單洞泄流能力為設(shè)計(jì)洪水泄量3858m3/s,校核洪水泄量為4161m3/s,模型實(shí)測(cè)其下泄流量分別為3974m3/s和4285m3/s,滿(mǎn)足泄量要求。上游設(shè)計(jì)洪水位為600.63m,校核洪水位為608.90m。3.2計(jì)算計(jì)算結(jié)果有壓洞由直段和彎段組成,總長(zhǎng)635.46m?？v坡0.00787,彎段轉(zhuǎn)彎半徑150m,圓心角62°,彎段后的直洞長(zhǎng)64.79m,未端為圓變方壓坡連接段,后接弧形工作閘門(mén),閘門(mén)孔口尺寸14m×12m。圓形有壓洞直徑由洞內(nèi)流速、洞頂壓力余幅,及檢修門(mén)、工作門(mén)孔口尺寸綜合決定。設(shè)計(jì)研究中比較了D=14m、15m、16m三種直徑,認(rèn)為D=15m為合理經(jīng)濟(jì)斷面。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)校核情況Qmax=4000m3/s左右時(shí),洞內(nèi)平均流速V=22.42m/s,洞頂壓力值p/r=3.27m,且也滿(mǎn)足在570.00m水位泄洪時(shí),洞頂壓力p/r>0,呈滿(mǎn)流狀態(tài)。經(jīng)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,水庫(kù)水位大于570.5m時(shí),壓力段中水流為有壓流,洞內(nèi)水流平順,事故閘門(mén)井中水面較平穩(wěn)。在閘門(mén)全開(kāi)情況下宣泄設(shè)計(jì)和校核泄水時(shí),事故門(mén)井中水位分別為571.82～572.12m和573.78～574.18m,水面波動(dòng)幅度約為0.3～0.4m。轉(zhuǎn)彎段始端、中部和末端內(nèi)外兩側(cè)的動(dòng)水壓強(qiáng)差值,在設(shè)計(jì)洪水時(shí)分別為1.2、64.4和22.6kPa,在校核洪水時(shí)分別為2.7、64.2和24.1kPa。距出口斷面5m處,兩側(cè)動(dòng)壓強(qiáng)較相近,設(shè)計(jì)洪水時(shí)分別為162.0和164.4kPa,校核洪水時(shí)分別為169.2和170.4kPa,表明有壓泄流情況下轉(zhuǎn)彎段對(duì)泄出水流的影響甚小。3.3反弧段體型及水流條件確定無(wú)壓洞段起始于弧形工作閘門(mén)室之后,由直坡段、渥奇曲線(xiàn)段、斜坡段和反弧曲線(xiàn)段組成。無(wú)壓洞斷面尺寸為14m×18m(寬×高),斷面形式為圓拱直墻型?？紤]到斜坡段、反弧段雖然水面降低,但流速已增至45m/s左右,要求洞內(nèi)通氣充分良好,所以仍采用18m洞高,即14m×18m的洞身斷面尺寸不變。直坡段底坡的選擇主要是考慮充分提高洞身斷面的利用率,其坡度應(yīng)使斷面水深保持基本一致,在該段內(nèi)不產(chǎn)生太大的壅水或降水曲線(xiàn)。與渥奇曲線(xiàn)始端高程相協(xié)調(diào),縱坡選為0.02347。因泄洪洞將總水頭差的80%左右集中在全洞長(zhǎng)度的15%之內(nèi),即在“龍落尾”段,因此渥奇曲線(xiàn)段體型的選擇尤為重要。渥奇曲線(xiàn)段應(yīng)使水流平順,不產(chǎn)生底部脫空或水面立波躍動(dòng)。通常,若來(lái)流水頭小可選擇較瘦的曲線(xiàn);反之,水頭大宜選用較胖的曲線(xiàn)。此外,為與上游25m/s流速的來(lái)流相銜接,其速頭加水深已達(dá)40m左右,故宜選用較為寬胖形的渥奇曲線(xiàn)。參考國(guó)內(nèi)、外類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn),渥奇曲線(xiàn)方程式比較選擇了z=(x2/240)+ix(i為直坡洞縱坡)、z=(x2/300)+ix、z=(x2/350)+ix三種拋物線(xiàn)型式。經(jīng)分析比較、水工模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究,確定了z=(x2/300)+ix的渥奇曲線(xiàn)段體型。由于渥奇曲線(xiàn)段末的水流流速已增至35m/s左右,故在反弧末端斜坡段上設(shè)置一道摻氣設(shè)施,以改變反弧段的水流特性。斜坡段為渥奇曲線(xiàn)和反弧曲線(xiàn)連接的過(guò)渡段,在該段水流壓力梯度急劇減小,而速度水頭迅速增加,因此,應(yīng)控制壓力水頭和速度水頭在該段平穩(wěn)過(guò)渡。經(jīng)水力學(xué)計(jì)算和模型試驗(yàn)綜合分析論證,減緩斜坡段的坡角,由最初的45°減緩為現(xiàn)階段的28°。國(guó)內(nèi)、外已建工程表明,一些大型龍?zhí)ь^泄洪洞在反弧段末端附近產(chǎn)生了嚴(yán)重的空蝕破壞。反弧段的體型及其水流條件一直成為研究的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)使反孤段與斜坡段連接處的壓力及水深都能順利過(guò)渡,避免出現(xiàn)壓力梯度劇變。分析表明,當(dāng)反弧半徑與反弧末端水深比值大于10時(shí),反弧段將會(huì)得到基本穩(wěn)定的壓力和流速分布。經(jīng)分析比較及模型試驗(yàn),為使反弧曲線(xiàn)段水流較為平順,壓力梯度變化平順,反弧半徑取為300.0m。3.4河道挑坎的調(diào)整溪洛渡泄洪洞出口下游河谷狹窄,枯水期水面寬不足100m,兩岸邊坡陡竣,4條泄洪洞的出口匯集在約200m長(zhǎng)的河段,能量高度集中,給下游河段消能造成了很大的困難。針對(duì)上述情況,在出口挑坎設(shè)計(jì)中考慮了如下原則:(1)使水流歸槽良好,順河向縱向拉開(kāi),增加泄洪水流的入水面積,減小河床單位面積上的泄洪能量,從而減小對(duì)河床的沖刷。(2)考慮泄洪洞采用“龍落尾”布置型式,出口挑坎流速達(dá)40m/s左右,最大挑距150～200m,應(yīng)使挑流水舌與河道中心線(xiàn)小角度相交,做到大流量時(shí)不沖刷對(duì)岸,小流量時(shí)不跌落本岸。(3)因河道較窄,需調(diào)整左、右岸挑坎前后位置,盡量采用對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟、碰撞的消能方式。設(shè)計(jì)中比較了連續(xù)式、差動(dòng)式、等曲率扭曲式等類(lèi)型的挑坎。連續(xù)式挑坎的主要不足是水舌不能縱向拉開(kāi),能量過(guò)于集中;差動(dòng)式挑坎則水舌不易控制,沖刷岸坡,最主要的問(wèn)題是挑坎體型復(fù)雜,對(duì)流速達(dá)40m/s以上的水流,結(jié)構(gòu)極易空蝕破壞;等曲率扭曲挑坎雖能將水流按需要導(dǎo)入河中,但從模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)挑坎上水流分布偏向一側(cè),水舌入水能量分布不均勻,經(jīng)分析認(rèn)為主要原因是比降不足。為此,經(jīng)反復(fù)研究比較,在充分吸收二灘等工程的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選擇扭曲斜切挑坎。為使主流線(xiàn)順暢、挑射水流入槽良好,左、右岸邊墻平面采用變心圓弧線(xiàn)曲面。左邊墻平面轉(zhuǎn)彎半徑RL=300m,長(zhǎng)70.0m,圓心角θ=13.493°;右邊墻平面轉(zhuǎn)彎半徑RR=700m,長(zhǎng)90.0m,圓心角θ=7.387°。底板為扭曲斜切面,左側(cè)邊緣曲線(xiàn)方程為zL=0.006x1.5,右側(cè)邊緣曲線(xiàn)方程為zR=0.12x1.1,出口坎頂為傾向河床一側(cè)的斜線(xiàn)。為保證水舌沿縱向充分拉開(kāi),在出口坎頂加設(shè)一楔形挑坎,左側(cè)高1.45m,右側(cè)高3.06m,左側(cè)出口高程419.414m,右側(cè)出口高程435.0m。詳見(jiàn)圖3。水力學(xué)模型試驗(yàn)初步成果表明,這種形式的挑坎在各級(jí)流量下,均能平順地將水流拋向下游河道,水舌均未直接沖擊岸坡。3.5豎曲線(xiàn)段摻氣設(shè)施的設(shè)置及運(yùn)行工況分析泄洪洞在庫(kù)水位570.0m以上運(yùn)行時(shí),明流洞段水流平穩(wěn),流態(tài)穩(wěn)定,“龍落尾”段水流銜接順暢,無(wú)脫壁現(xiàn)象,動(dòng)水壓強(qiáng)沿程分布較均勻,無(wú)負(fù)壓出現(xiàn)。但在拋物線(xiàn)末端及反弧段處水流空蝕數(shù)較低,設(shè)計(jì)和校核洪水情況下的σ值為0.17和0.18。渥奇曲線(xiàn)末端近水面處水流流速達(dá)40.60～41.64m/s,中部達(dá)37.62～38.95m/s,近底部也達(dá)28.75～28.83m/s。至豎曲線(xiàn)末端,近水面處及水流中部流速均高達(dá)47m/s以上,近底部也近40m/s,其下游還有長(zhǎng)達(dá)85.71m的下平段,挑流鼻坎沿中線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)80m。因此,在豎曲線(xiàn)段設(shè)置人工摻氣設(shè)施是完全必要的。根據(jù)泄洪隧洞豎曲線(xiàn)段的結(jié)構(gòu)布置及水力特點(diǎn),共設(shè)置了四道摻氣設(shè)施。以3號(hào)泄洪洞為例,第一、二道為“