水布垭水利枢纽岸边溢洪道设计_廖仁强

收稿日期:2007-05-09作者简介:廖仁强,男,长江水利委员会设计院枢纽处处长,教授级高级工程师。

文章编号:1001-4179(2007)07-0022-02水布垭水利枢纽岸边溢洪道设计廖仁强　向光红(长江水利委员会设计院,湖北武汉430010)摘要:水布垭水利枢纽具有水头高、流量大、地质条件复杂、建筑物布置集中等特点。

因消能区地层抗冲能力差,故泄洪消能设计难度较大。

经多方案比选,泄洪消能建筑物采用岸边溢洪道全表孔布置方案,溢洪道采用阶梯式窄缝鼻坎挑流消能,下游防冲建筑物采用护岸不护底的防淘墙方案。

阐述了泄洪消能特点及设计原则,对溢洪道布置、泄洪方案、消能方案、溢洪道结构设计进行了介绍。

关　键　词:阶梯式窄缝鼻坎;防淘墙;抗滑桩;岸边溢洪道;水布垭水利枢纽中图分类号:TV651 文献标识码:A1　概述1.1　地形地质条件水布垭大坝位于坝址“S ”型河段的中部,中间直线段长约800m ,上下游河流均为东西向,两岸无天然垭口地形。

左岸三友坪台地地形相对平坦,地表高程400～450m ,右岸地形最大高程达550m 。

消能区地层为写经寺组页岩,抗冲能力差,其左岸有大岩淌滑坡(体积580万m 3),右岸有马崖高陡边坡(坡高350余米)和马岩湾滑坡(体积180万m 3)等不利的环境地质条件。

清江枯水位一般为197.0m ,水面宽60～80m 。

1.2　洪水条件水布垭水利枢纽为一等大(1)型水利水电工程,泄洪建筑物按1000a 一遇设计,洪峰流量为20200m 3 s ,调节下泄流量为16300m 3 s ;按10000a 一遇校核,洪峰流量为24400m 3 s 。

调节下泄流量为18320m 3 s ;消能防冲建筑物按100a 一遇设计,洪峰流量为13700m 3 s ,调节下泄流量为11940m 3 s 。

1.3　泄洪消能特点及其设计原则本工程泄洪消能的特点和难点是水头高(上下游水位差171～180m )、流量大、泄洪功率大(最大达3.1万MW );消能区地层抗冲能力差,环境地质条件复杂;消能区紧邻大坝坝脚、电站尾水出口和导流洞出口,关系复杂。

泄洪消能设计需遵循以下原则:(1)满足枢纽的正常泄洪需要,并有一定的超、预泄能力;(2)为使汛期水库回水不淹没恩施市区,20a 一遇洪水位不超过397.0m ;(3)为确保两岸边坡、滑坡的稳定,要力求减轻冲刷,同时避免电站尾水出口产生危害性淤积和波浪;(4)泄洪消能设计需兼顾地形地质条件和相邻建筑物布置,做到方便施工,节省投资。

2　溢洪道布置及泄洪方案由于本工程挡水建筑物为混凝土面板堆石坝,泄水建筑物宜采用岸边溢洪道方案。

坝址区右岸地形最大高程达550m ,若在右岸布置溢洪道,则存在200m 的高边坡开挖、溢洪道线路长且工程量大、泄洪水流与河道交角较大等问题。

而在左岸布置溢洪道,则可利用高程400～450m 的宽缓台地,从而降低边坡开挖高度,节省工程量,亦可较容易地解决下泄水流的归槽问题。

经枢纽布置的多方案综合比选,将溢洪道布置于左岸。

考虑到清江洪水陡涨陡落的特点,泄洪建筑物宜以表孔溢洪道为主,深式泄洪孔为辅。

溢洪道泄洪布置共研究了表孔和泄洪洞联合泄洪、表孔与深孔联合泄洪和全表孔泄洪3个方案。

对于表孔与泄洪洞(进口高程350m ,孔口尺寸6.0m ×9m )联合泄洪方案,降低了放空洞(进口高程250m )的操作水头,放空水库的梯级搭接较好,但采用龙抬头型式与导流洞相接,泄洪洞内流态复杂,洞内流速高达50m s ,且高水位时洞内产生水跃。

表孔与深孔(进口高程及孔口尺寸同泄洪洞)联合泄洪方案,同样降低了放空洞操作水头,但溢洪道工程量较大。

全表孔泄洪方案,工程量最小,其主要问题是水库放空时间比有深孔方案有所增加。

经计算,在不抬高放空洞操作水头的前提下,水库放空(400～260m )时间为43d ,仅增加5d ,能满足大坝检修的时间要求。

因此,推荐采用全表孔泄洪方案。

溢洪道由引水渠、控制段、泄槽段(含挑流鼻坎)及下游防冲段4部分组成。

控制段布置5个表孔,孔口尺寸为14.0m ×21.8m ,堰顶高程为378.2m ,枢纽调洪演算成果见表1。

3　溢洪道消能方案从消能区的地形地质条件来讲,采用底流消能更有利于两岸边坡、滑坡的安全,但溢洪道水头落差大。

经计算,若采用底流消能,则消力池护坦最大流速达58m s ,技术上难度较大,而且工程量大,施工工期安排困难,因此,本枢纽的消能型式重点第38卷第7期人　民　长　江Vol .38,No .72007年7月Yangtze River July ,2007研究挑流消能,通过优化消能工的体型尽量抬高冲刷坑的高程以减轻对两岸边坡、滑坡的影响。

溢洪道挑流共研究了一级消能(分区陡槽接连续式挑坎、台阶式陡槽接差动式挑坎、分区陡槽接窄缝式挑坎)和二级消能(一级平底消力池接一级挑流、一级逆坡消力池接一级挑流)等5种方案。

表1　水布垭水利枢纽调洪演算成果洪水频率P %洪峰流量m 3溢洪道泄量(m 3·s -1)库水位m 下游水位m 0.012440018320404.0232.60.12020016300402.2229.40.21650014810400.78226.81.01370011940397.94222.05.01080010800396.66220.0以上5种方案中,分区陡槽接连续式挑坎消能率最低,台阶式陡槽接差动式挑坎消能率最高,但台阶底坎负压太大,二级消能虽消能率有所增加,但由于在泄槽中部下挖一级消力池而造成工程量太大,综合比较,消能型式推荐采用分区陡槽接窄缝式挑坎的布置方案。

由于电站尾水紧邻消能区的下游,泄洪时在尾水出口产生的冲刷淤积和泄洪涌浪有可能影响机组运行和尾水洞检修。

为此又对窄缝鼻坎的布置及体型进行了深入研究,其目标是在减小冲刷深度的同时,有效地达到对厂房尾水口门部位削波减淤的目的。

挑流鼻坎的体型共研究了平齐式、左长右短(左低右高)、右长左短(右低左高)、左右长中间短(左右低中间高)等多种布置方案。

试验表明,挑流鼻坎采用左低右高的阶梯式布置较好地适应了消能区河弯地形的特点,取得了抬高冲刷高程、减免电站尾水口门淤积和减小电站尾水波浪的良好效果。

试验测得,在溢洪道下泄100a 一遇洪水时,下游冲坑最低点高程为178.0m ,比平齐式布置抬高5m ;100a 一遇以下洪水,电站尾水口门外8m 范围无淤积现象,大洪水时也只有少量淤积;尾水口门区波幅为0.89～1.91m ,比平齐式布置口门区波幅3.0～5.3m 大为减小,尾水管压力脉动测试表明,泄洪期尾水管压力波动对机组运行没有影响。

阶梯式窄缝鼻坎体型见图1。

4　溢洪道结构设计4.1　引水渠通过对泄流能力、渠道的设计流速、泄洪布置以及开挖料利用等多方面综合比较,确定溢洪道渠底高程为350.0m ,渠底宽度90.0m ,轴线长890.32m ,引水渠转弯段半径270.0m ,转角75.5°。

引水渠横断面为复式断面,两侧边坡针对不同岩性采用不同坡比,即覆盖层1∶1.5,上部龙潭组页岩1∶1.0,每15m 高设一级宽3.0m 的马道;下部茅口组灰岩采用直立坡,每15m 高设一级宽4.5m 的马道。

为减小渠道糙率,引渠开挖后,两侧边坡和渠底均喷护混凝土,上部页岩进行局部挂网并设置系统锚杆,正常蓄水位以上边坡设置排水孔,局部地质条件差的部位采用混凝土挡墙。

4.2　控制段控制段由6个溢流坝段和3个非溢流坝段组成,布置5个开敝式表孔,溢流坝段采用孔中分缝,坝顶高程407.0m ,坝轴线全长145.30m 。

建基面高程360.0～355.5m ,建基岩体为茅口组灰岩和栖霞组第14、15段灰岩。

控制段基础下的P 131q 软岩,缓倾上游,倾角约12°～14°,发育有131、131-1号至131-6号共7条剪切带,其中以131号最厚,性状最差,抗剪断强度力学参数:f '=0.23,C '=0.02MPa ,对控制段的深层抗滑稳定有较大影响。

计算结果表明,河床2～7号溢流坝段沿131号剪切带的深层抗滑稳定不满足要求,为此在2～7号坝段布置12根3.5m ×3m 的抗滑桩,桩体进入剪切带下5～9m ;桩与桩之间顺131号开挖连接洞,将带内软弱岩体进行置换回填混凝土,最后进行回填灌浆。

图1　阶梯式窄缝鼻坎体型(单位:m )施工期在3～7号坝段开挖出露151号剪切带,剪切面平直,厚度0.5～5cm 不等,充填灰黑色炭泥质生物碎屑灰岩及不连续薄片状方解石脉,剪切面光滑,附有黑色明亮炭膜。

151号剪切带走向310°,倾向220°,抗剪断强度力学参数:f '=0.28,C '=0.04MPa 。

计算结果表明:7号坝段沿151号剪切带及高程355.5m 建基面抗滑稳定不能满足要求。

为此对7号坝块进行固结灌浆和增设锚筋桩处理,总计布置锚桩5排,深入151号剪切带下部5m ,并布置固结灌浆孔。

4.3　泄槽段溢洪道泄槽总宽度92m ,为便于泄洪调度,泄槽分为5个区,每个表孔各成一区,每区宽度16m ,隔墙宽3m 。

1～5号泄槽均在桩号0+137.00处设一道跌坎式掺气槽,由于1～2号泄槽较长,又在桩号0+202.00处设第2道跌坎式掺气槽。

泄槽(下转第69页)23第7期廖仁强等:水布垭水利枢纽岸边溢洪道设计热低压同时作用造成的,地形的影响也十分显著;“69.7”暴雨,其暴雨中心清水湾站最大1、3d降水量分别为343、395.1mm。

这场暴雨是梅雨锋暴雨,影响系统为切变低涡;“75.8”暴雨,其暴雨中心在清江下游,都镇湾最大12h、1d的降水量分别为545.6、630.4mm,这场暴雨是由登陆台风转成热低压引起的;“97.7”暴雨,暴雨中心开始在太阳沱以下后来逐步上移到太阳沱至恩施区间,中心位置稳定少动,暴雨中心花场站最大1、3d 降水量分别为239.5、363.4mm,渔峡口站以上流域3d面雨量为有实测记录以来的最大值,致使中游渔峡口水文站发生了仅次于1883年历史大洪水的实测最大洪水,重现期约55a,是典型的双峰型洪水,这场暴雨属梅雨期暴雨。

因此,影响清江流域的暴雨天气系统主要有切变低涡和冷锋低槽,下游还可受热带系统的影响。

4.2　洪水渔峡口站与水布垭坝址间只有支流泗渡河汇入,其流域面积较小,因此渔峡口站的洪水特性基本可反映坝址洪水特性。

渔峡口站的洪水一般由暴雨形成,其洪水季节性变化与暴雨基本一致。

坝址以上支流忠建河与马水河流域为西南暖湿气流入流通道,是清江流域出现暴雨频次最多的地区,因此,渔峡口站洪水颇为频繁。

渔峡口以上流域一般年份3、4月进入雨季,开始涨水,汛期为5～9月。