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水電站泄水建筑物的布置與設計
添加時間:2019-08-13

  古瓦水電站泄水建筑物設計

  摘要:古瓦水電站壩址區為高山峽谷區, 泄水建筑物分兩岸布置。設計中采用了表層、中表層、中組合的左、右兩岸泄洪的布置型式, 并充分利用左岸放空 (導流) 洞, 采用了“三洞合一”布置方案。通過合理的流量分配, 實現了溢洪洞、泄洪洞規模及結構的經濟合理。

  關鍵詞:泄水建筑物; 溢洪洞; 泄洪洞; 三洞合一;

  作者簡介: 詹國強 (1964-) , 男, 四川成都人, 教授級高級工程師, 從事水利水電工程設計和咨詢工作;; 楊斌 (1968-) , 男, 四川成都人, 高級工程師, 從事水利水電工程項目管理工作;; 賀開云 (1981-) , 男, 重慶璧山人, 高級工程師, 從事水利水電工程設計和咨詢工作;; 謝桃 (1988-) , 女, 四川遂寧人, 工程師, 從事水利水電工程設計和咨詢工作.;

  收稿日期:2019-05-06

  Design of Discharge Structure of Guwa Hydropower Station

  ZHAN Guoqiang YANG Bin HE Kaiyun XIE Tao

  QingYuan Engineering Consultants Co。, LTD Xiangcheng Hydropower Development Co。, LTD, China Datang

  Abstract:The dam site of Guwa Hydropower Station is located in alpine and gorge area where the discharge structures are arranged on both sides of the bank. In the design, the layout of flood discharge structures are on both side of banks, which surface layer, middle surface layer and middle layer combination are adopted, and the left bank releasing (diversion) tunnel is fully utilized, and the layout scheme of “three tunnels in one” is adopted. Through reasonable flow distribution, economic rationality of the scale and structure of spillway tunnel and releasing tunnel is achieved.

  Keyword:discharge structure; spillway tunnel; releasing tunnel; three tunnels in one;

  Received: 2019-05-06

  1 電站概況

  古瓦水電站發電廠房位于四川省甘孜州鄉城縣境內, 電站涉及鄉城、理塘、稻城三縣, 是碩曲河干流鄉城、得榮段“一庫六級”梯級開發方案的“龍頭水庫”電站, 混合式開發, 水庫總庫容2。458億m3, 裝機容量201MW+4。4 (2。6) MW (主體電站+生態機組) 。攔河大壩為混凝土面板堆石壩, 最大壩高139 m。泄水建筑物由左岸泄洪洞 (與放空導流洞結合的“三洞合一”的布置型式) 和右岸溢洪洞 (洞式溢洪道) 組成。項目于2017年5月正式開工建設, 計劃于2021年4月蓄水發電。

  2 工程建設條件

  2。1 徑流和洪水

  碩曲河流域徑流主要由降水形成, 其次有少量融雪、融冰和地下水補給。據古瓦壩址1960年6月~2005年5月共45年 (水文年) 徑流系列統計, 多年平均流量為43。9 m3/s, 折合年水量為13。84億m3, 年徑流深為450。2 mm。

  古瓦水電站壩址設計洪水按水文比擬的方法, 由濯桑站推算, 為工程安全起見, 對壩址處的校核洪水、校核洪量加15%的安全值修正, 設計洪水流量737 m3/s (P=0.2%) , 校核洪水流量1 032 m3/s (P=0.02%) 。

  2.2 地形地貌和基本地質條件

  壩址區河道總體較順直, 河谷斷面為V型, 河谷結構以縱向谷為主, 左岸低高程為橫向谷。枯水期水面高程3 263~3280。3 m, 水面寬15~35 m, 谷底寬30~65 m, 正常蓄水位3 398 m時, 谷寬290~370 m。

  壩址區為一短軸向斜, 出露地層為三疊系變質砂巖夾板巖, 兩岸巖層走向與河谷走向幾乎一致, 主要為中等傾角, 為層狀順傾向結構邊坡, 層間擠壓帶發育。巖石風化較微弱, 物理地質作用主要表現為變形體、危巖體、風化卸荷和崩塌等。

  3 泄洪規模及建筑物布置原則和特點

  古瓦水電站為大 (Ⅱ) 型電站, 攔河大壩為Ⅰ級建筑物, 泄洪建筑物為2級建筑物, 水庫調蓄后, 設計洪水流量737 m3/s (P=0.2%) , 校核洪水流量856 m3/s (P=0.02%) 。

  壩址位于高山峽谷區, 河谷兩岸均為順向坡, 泄水建筑物的布置、設計有以下一些原則和特點需要遵循和注意:

  (1) 古瓦水電站是碩曲河流域“一庫六級”梯級開發的龍頭水庫, 流域梯級中部有鄉城縣城, 泄洪建筑物對古瓦電站本身和對下游梯級電站、城鎮的安全至關重要, 故采用表中組合的左、右兩岸泄洪的布置型式。

  (2) 本電站面板堆石壩壩高139 m, 底流消能, 泄洪流速大, 進出流方向應盡量順應河勢。洞室泄水建筑物的洞線應充分考慮地形地質條件、水力條件、樞紐總布置及施工等因素, 力求洞線短, 水流歸槽順暢, 洞線進出口邊坡穩定;洞軸線與巖層具有較大的夾角, 洞頂有足夠的巖體厚度。

  (3) 為避開出口影響, 溢洪洞布置于右岸, 導流放空洞布置于左岸。豎井旋流泄洪洞布置于左岸, 下平段與導流放空洞結合以節省工程投資。

  (4) 大壩下游緊鄰壩踵設有生態基流電站, 泄洪及消能建筑物布置應避免對其造成影響。

  (5) 為防止壩下游右岸岸坡分布的覆蓋層受霧化影響和保證基巖順層邊坡穩, 泄洪建筑物宜采用底流消能。

  (6) 放空洞工作門擋水水頭近130 m, 不參與泄洪, 左岸泄洪洞、右岸溢洪洞應合理分配泄量, 確保泄洪安全。

  4 泄水建筑物布置與設計

  4。1 左岸放空 (導流) 洞

  放空洞 (導流) 布置于左岸, 總長約925 m;進口底板高程3 282.00 m, 出口高程為3 267.90 m。放空洞前端設置檢修和事故閘門豎井, 樁號0~473 m段平均縱坡為0.3%, 過水斷面為圓形, 內徑7.2 m, 洞身段全襯砌;中部為弧形工作門, 樁號485~924 m洞段平均縱坡為2.8%, 斷面為城門洞型, 隧洞底寬5.5 m, 直墻高5.0 m, 拱高1.50 m, 頂拱中心角114°。出口布置40余m長明渠接消力池。消能后水流平順入河。

  4.2 左岸泄洪洞

  左岸泄洪洞采用豎井消能, 泄洪洞依次由進口、有壓隧洞段、弧形工作閘室、無壓上平段、渦室、旋流豎井、無壓下平段和出口消力池組成。

  泄洪洞進口位于壩軸線上游130 m, 進口高程3 370.00 m。進口后圓形有壓段隧洞長117.5 m, 過水斷面直徑4.5 m;工作門后上平段長為70.90 m, 縱坡為5%, 斷面為城門洞形, 斷面尺寸4.5 m×4.5 m;上平段接直徑為10 m、高29.4 m的渦室, 渦室下接直徑為6.5 m、高78.8 m的豎井, 豎井底部設深10 m的水墊室, 豎井之后接無壓下平段長285.85 m, 后與放空洞結合, 利用放空洞段總長340.55 m;出口消力池擴散段長40 m, 池身斷面為矩形, 底板高程3 260.00 m, 長40 m, 寬10 m, 深3 m, 消力池后段位于河道中部, 右側不設邊墻, 水流在消力池內消能后泄入碩曲河。

  4.3 右岸溢洪洞

  溢洪洞 (洞室溢洪道) 布置于右岸。在低流速引渠段設置彎道, 轉彎半徑為50 m, 圓心角度70.5度, 后接駝峰堰控制閘及陡槽、下平段和出口消力池, 溢洪洞總長706.50 m, 其中引渠段長130.668 m, 控制閘室段長24 m, 泄槽段長204.05 m, 下平段長233.09 m, 消力池段長114.68 m。

  引渠段進口位于壩軸線上游約160 m處, 為城門洞型, 底板高程為3 385.00 m, 硐室尺寸9×18.2 m (寬×高) , 縱坡為平坡;駝峰堰堰頂高程3 387.80 m, 設計洪水時堰頂水頭10.20 m, 校核洪水時11.36 m。控制閘室內設弧形工作門一道, 閘門尺寸9.0 m×12.0 m (寬×高) , 閘頂高程3 402.00 m, 與大壩頂高程一致。泄槽段坡度45°, 由漸縮弧段、泄槽和反弧段組成。弧段半徑40 m, 寬度從9 m縮至6m后接陡槽段。泄槽布置有1#~3#摻氣坎, 總落差111.65 m。下平段縱坡為5%, 斷面為城門洞型, 寬度6.5 m, 高度7 m。出口消力池總長114.68 m, 消力池進口反弧段長29.68 m, 寬6.5 m;池身段寬度擴大為20 m, 池身長85 m, 深10 m, 水流經消力池消能后匯入碩曲河。

  5 泄洪流量分配及功能定位

  水庫調蓄后校核洪水流量為865 m3/s。左岸泄洪洞與放空 (導流) 洞采用三洞合一方式結合, 其泄量按照放空 (導流) 洞過流能力并參照國內已建工程經驗 (如沙牌、冶勒、斜卡等) , 從安全角度出發確定為275 m3/s;右岸溢洪洞泄量確定為600 m3/s, 左右岸泄水建筑物聯合泄洪, 總泄洪流量為875 m3/s, 能滿足泄洪流量要求。放空洞僅承擔水庫死水位下的放空功能及保壩作用, 不參與泄洪。

  右岸溢洪洞為表孔, 首部樞紐泄洪右岸溢洪洞為主。左岸泄洪洞進口高程為3 370 m, 低于正常蓄水位3 398 m, 當上游來水流量小于2年一遇時, 可根據硐室運行及檢修情況選擇左岸或右岸泄水建筑物進行泄洪。右岸溢洪洞僅需要出現在大于2年一遇洪水時才開啟。這種布置方式運行下, 可根據水情預報、洞室和設備維護、檢修等條件靈活選擇開啟泄洪洞或溢洪洞。

  表1 泄水建筑物的泄流能力、運用組合表 導出到EXCEL


 

  圖1 古瓦水電站泄水建筑物布置示意圖  

  6 水工模型試驗

  通過1∶40水工模型對溢洪洞、泄洪洞進行水力學試驗驗證, 有以下主要成果:

  (1) 泄流能力。聯合泄洪工況, 校核水位3 399.16 m, 左岸泄洪洞全開泄流276.75 m3/s, 右岸溢洪洞617.95 m3/s。合計泄洪流量894.7 m3/s。右岸溢洪洞隨著水位增加, 泄流量增大, 具有較強的超泄能力。

  (2) 水流流態。左岸泄洪洞上平段水流順暢, 渦室內起漩良好且渦腔內側水流貼壁良好;豎井出口壓坡后水流自由面無竄高現象;泄洪洞與原導流洞交匯區設置了35 m長的圓弧形整流結構, 整流結構起點位于放空洞右側之前4。0 m高位置, 圓弧半徑R=1。0 m, 圓心角θ=120。00°;水流實現了較好的銜接, 沒有出現水流沖頂的不利現象。校核工況下豎井內水深為25。80 m, 豎井段消能率為73。86%。渦室最大時均壓強為11。6×9。81 kPa, 壓坡底板脈動壓強最大值為6。03×9。81 kPa;消力池3。11×9。81 kPa。

  

  圖2 古瓦水電站泄水建筑物剖面圖  

  右岸溢洪洞泄槽各段水面沿程波動小, 銜接良好, 且水面橫向分布均勻。摻氣坎下游無積水, 摻氣坎內可以形成有效空腔, 各級流量工況下消力池內水躍形態均較為良好, 出池水流平穩;泄槽內水面基本為降水曲線, 各部位水深均未超過直墻高度;洞頂余幅均在20%以上;水流在經過泄槽陡坡段加速后在反弧段末端達到最大流速分別為41。79 m/s、43。44 m/s和44。05 m/s。水流經過緩坡段和摻氣坎消能以及自身的能量損失后, 入池流速大約降低了6 m/s~10 m/s左右, 然后再經過消力池的消能后, 消能率大約為75%。泄槽空化數介于0。15~0。5, 各部位底板壓力基本為正, 脈動頻率均在10 Hz以內, 脈動壓力最大均方根為3。74 m。

  (3) 消力池和下游河道沖刷。 右岸消力池位于上游, 左岸消力池布置在下游, 水流經過左岸消力池后下游河道最大流速6.94 m/s, 不同工況下游河道沖刷情況無顯著差異, 各工況沖刷相對坦化, 最大沖刷點深度4.75 m, 沖刷相對較輕, 消力池消能效果良好。

  7 結 語

  古瓦水電站泄洪建筑物采用右岸洞室溢洪道+左岸旋流豎井泄洪洞, 采用了表層、中表層、中組合的左、右兩岸泄洪的布置型式, 并充分利用左岸放空 (導流) 洞, 采用了“三洞合一”布置方案;為避免對下游岸坡覆蓋層和壩后生態廠房影響采用底流消能方案, 能滿足泄洪消能要求, 運行靈活方便;通過合理的流量分配, 實現了溢洪洞、泄洪洞規模及結構的經濟合理。

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