于 青，王建新，何明杰，殷 亮，黃熠輝

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

楊房溝水電站為雅礱江中游河段一庫6級(jí)開發(fā)的第5級(jí)，工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。水庫總庫容為5.125億m3，電站裝機(jī)容量為1 500 MW，多年平均發(fā)電量68.74億kW·h，保證出力524 MW。樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155 m。工程為一等工程，工程規(guī)模為大（1）型。其泄洪建筑物為1級(jí)，按500年一遇洪水設(shè)計(jì)、5 000年一遇洪水校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為9 320，11 200 m3/s。消能防沖建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)的洪峰流量為7 930 m3/s。

2 泄洪消能方案選定

楊房溝水電站壩址區(qū)河谷總體呈由寬～窄～寬形態(tài)。兩岸地形陡峻，地形坡度50°～60°，局部達(dá)70°，左岸2 300 m高程以上地形較緩，坡度30°～40°?？菟诤用鎸?6～102 m，水位高程1 983～1 985 m，水深1.5～6.0 m不等。枯水期水流稍平緩，雨季水流湍急。河床表層為混合土卵石覆蓋，主要由卵石、漂石及塊石、局部夾砂層及礫石層等組成，厚18.7～32.1 m。下伏基巖為花崗閃長巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，呈弱～微風(fēng)化狀。河床無斷層分布，但下伏基巖節(jié)理較發(fā)育，表層巖體以Ⅲ1類巖體為主，一般厚1.0～7.5 m，局部達(dá)12.6 m，其下以Ⅱ類巖體為主，抗沖刷能力較強(qiáng)。

拱壩泄洪設(shè)施采用壩身孔口泄洪或壩身孔口＋壩外泄洪兩大類。壩身孔口＋壩外泄洪多用于工程規(guī)模巨大、泄洪量大等工程，如二灘、小灣、溪洛渡、構(gòu)皮灘等工程。楊房溝壩址兩岸地形高陡，臨江邊坡頂高程為2 500 m，沒有條件布置岸邊開敞式溢洪道。同時(shí)由于左岸布置地下引水發(fā)電系統(tǒng)，沒有條件布置泄洪洞。如果泄洪洞布置于右岸，則泄洪洞進(jìn)口和部分洞身段將位于變質(zhì)粉砂巖內(nèi)，使得進(jìn)口邊坡和隧洞地質(zhì)條件較差，出口位于楊房溝下游的右岸陡壁處，總體布置條件較差。泄洪洞方案洞長約740 m，即使利用導(dǎo)流洞改建，增設(shè)泄洪洞的代價(jià)也較大。考慮到楊房溝拱壩最大壩高155 m，最大泄量為11 200 m3/s，壩身泄洪功率為10 960 MW。工程規(guī)模和泄洪量均處于中等水平。參考國內(nèi)已建同等規(guī)模工程，如白山、江口等，都全部采用壩身承擔(dān)泄洪任務(wù)，綜合分析，楊房溝泄洪建筑物不需在壩外設(shè)置泄洪設(shè)施。

壩身孔口泄洪具有水流歸槽平順、樞紐布置緊湊等優(yōu)勢而成為常用的、經(jīng)濟(jì)的泄洪方式。對(duì)于河谷狹窄、水頭高、泄量大的水力樞紐泄洪消能問題，“消能防沖”往往是控制條件。楊房溝最大泄洪功率約為10 960 MW，水墊塘內(nèi)單位水體消能功率為11.5 kW/m3，同時(shí)壩下消能區(qū)河床基巖為花崗閃長巖，巖體的抗沖刷能力較強(qiáng)，消能條件較好。水工整體模型試驗(yàn)表明，底板最大沖擊壓強(qiáng)為14.10×9.81 kPa，與類似工程相當(dāng)。

根據(jù)國內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該工程泄洪布置條件，楊房溝水電站設(shè)置壩外泄洪設(shè)施必要性小且條件差，全部通過壩身宣泄11 200 m3/s洪水是可行的。因此，楊房溝水電站泄洪消能采用“壩身3個(gè)表、4個(gè)中孔泄洪＋壩下水墊塘”布置型式。

3 泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則及布置

1）結(jié)合楊房溝工程水庫特性，水庫調(diào)節(jié)庫容小等特點(diǎn)，應(yīng)采取靈活、可靠的泄洪方式，具有一定的超泄能力，確保洪水安全下泄。

2）盡量充分利用混凝土壩和尾水較高的有利條件，采用壩身泄洪、壩下消能的布置格局。

3）應(yīng)充分利用壩身布置分層孔口出流，控制壩下分區(qū)消能，減少對(duì)消能區(qū)建筑物沖擊壓力。

4）壩后消能區(qū)布置以盡量減少對(duì)兩岸邊坡開挖為宜，并考慮入水水舌在近岸處要有足夠水深，避免干砸岸坡。

5）控制霧化影響范圍，減少泄洪霧化對(duì)兩岸邊坡的影響。

6）應(yīng)協(xié)調(diào)好壩后消能與樞紐建筑物之間關(guān)系，避免對(duì)尾水出流造成明顯影響，并避開楊房溝對(duì)樞紐建筑物的影響。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，表、中孔采用空中少碰撞的布置型式，即表孔出口采用收縮型式、中孔出口采用收縮型式的寬尾墩+壩下水墊塘、二道壩。

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3.2 泄洪表孔體型設(shè)計(jì)

壩頂3個(gè)開敞式溢流表孔布置在9～12號(hào)壩段，跨橫縫布置。表孔堰頂控制線采用圓弧形，圓心半徑為210 m。2號(hào)泄洪表孔中心線與拱壩中心線呈2°交角，其余孔口對(duì)稱于2號(hào)泄洪表孔中心線徑向布置，2號(hào)表孔中心線與1號(hào)、3號(hào)表孔中心線夾角為6.546°。3個(gè)泄洪表孔平面呈上游等寬、下游收縮型，其中堰頂控制線下游3.5 m以上的表孔為12 m等寬布置，堰頂控制線下游3.5 m以下的表孔由12 m收縮到8.7 m和10 m，收縮角分別為5.27°、4.4°和 2.94°。表孔出口采用 30°俯角。

溢流表孔在設(shè)計(jì)洪水位2 096.27 m和校核洪水位2 099.91 m時(shí)泄量分別為4 575 m3/s和6 322 m3/s，下泄水流落差大，單寬流量大，為減少表孔泄洪對(duì)水墊塘及兩岸的沖擊動(dòng)水壓力，3個(gè)表孔均采用跌流形式，俯角為30°，出口底高程2 069.23 m。

3.3 泄洪中孔體型設(shè)計(jì)

由于泄洪中孔水頭高，斷面尺寸大，孔內(nèi)最大流速約35 m/s，中孔事故檢修門槽、孔身彎道段及出口處易遭空蝕破壞。且中孔位于拱壩中部高度，一旦遭到空蝕破壞，檢修困難并會(huì)危及到壩體安全。因此為防止高速水流的沖刷造成中孔孔道空蝕磨損破壞，為確保大壩運(yùn)行安全，中孔全孔道采用鋼板襯護(hù)，鋼板厚度取24 mm，并在整個(gè)孔道鋼板上每50 cm設(shè)置一道環(huán)向加勁肋。

為盡量避免中孔水舌向心集中，同時(shí)使水舌縱向拉開，減少入水單寬流量，提高消能效果，孔口出口設(shè)置對(duì)稱的寬尾墩，出口寬度由5.5 m收縮到3.3 m，收縮比為0.60，寬尾墩收縮段長為7 m。

3.4 壩下消能建筑物設(shè)計(jì)

根據(jù)楊房溝工程泄洪建筑物的特點(diǎn)，為防止泄洪消能區(qū)河床及兩岸邊坡受泄洪水流的沖刷破壞，確保大壩及抗力體的安全，壩后消能建筑物采用水墊塘和二道壩結(jié)合的方式。

3.4.1 水墊塘布置

水墊塘緊鄰拱壩下游布置，位于1 953 m高程以下河床部位。在壩0+214.10 m樁號(hào)前，水墊塘中心線與拱壩泄洪中心線重合。在壩0+214.10 m樁號(hào)后，為有利于水墊塘末端和二道壩下游水流歸槽，水墊塘中心線向右岸偏轉(zhuǎn)10°，方位角為N18°W。

水墊塘自拱壩壩趾到二道壩前總長約199.62 m，相應(yīng)的樁號(hào)為壩0+14.48 m～壩214.10 m。其斷面形式采用混凝土襯砌的復(fù)式梯形斷面，底板采用平底設(shè)計(jì)，厚度為3 m，底板頂面高程根據(jù)底板建基條件分別確定，水墊塘上游側(cè)采用1 953.00 m、中部為1 949.00 m、下游側(cè)為1 952.00 m。根據(jù)壩后地形、地質(zhì)條件及抗力體穩(wěn)定要求，自上游向下游方向水墊塘底寬為75～45～67 m不等。水墊塘兩岸邊墻每隔20 m左右設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬約3 m，其中2 002 m高程為滿足檢修等要求馬道寬為5 m。邊坡坡度均為1∶0.3。水墊塘兩岸邊坡采用鋼筋混凝土砌護(hù)：1 988.5 m高程以下混凝土厚度為3 m；2 002～1 988.5 m高程混凝土厚度為2 m；2 002～2 020 m高程混凝土為1 m；2 020 m高程以上混凝土為0.5 m。

3.4.2 二道壩布置

二道壩軸線位于壩下0+225.55 m樁號(hào)，垂直于水墊塘末端中心線布置，壩軸線長108.35 m，壩軸線方位為NE72°。壩頂高程1 988.50 m，壩頂寬為6.0 m，建基面高程1 950 m，最大壩高38.50 m。壩體剖面采用上游壩坡為1∶0.3，下游壩坡為1∶0.5的實(shí)體溢流式重力壩。二道壩壩基部位布置灌漿排水廊道和排水廊道，廊道斷面尺寸為2.5 m×3.5 m(寬×高)，并與上游水墊塘底板周邊的主排水廊道銜接。灌漿排水廊道內(nèi)設(shè)置排水孔幕和灌漿帷幕。

3.4.3 水墊塘抽排水系統(tǒng)布置

水墊塘底板下部設(shè)置有主、副排水廊道相結(jié)合的封閉式抽排水系統(tǒng)，并在廊道內(nèi)設(shè)置排水孔幕，以充分降低底板揚(yáng)壓力。其中，水墊塘底板近兩岸坡腳部位順?biāo)鞣较驗(yàn)橹髋潘鹊溃瑪嗝娉叽鐬?.5 m×3.0 m（寬×高），向上游延至壩趾處，下游與二道壩灌漿排水廊道銜接形成封閉回路。在壩0＋64.00 m、壩0＋116.00 m及壩0＋172.00 m樁號(hào)處分別設(shè)置3條橫河向副排水廊道，斷面尺寸為2.0 m×2.5 m（寬×高），均與兩側(cè)主排水廊道銜接。

互為連通并封閉的主、副排水廊道在左岸主排水廊道壩0＋172.00 m樁號(hào)通過水墊塘主排水洞與左岸抽水豎井（集水井）連通，由布置在2 002 m高程壩肩排水洞內(nèi)的抽水泵房將主、副排水廊道內(nèi)的地下水和滲漏積水抽排至二道壩壩后河道。

4 水工模型試驗(yàn)

根據(jù)上述泄洪消能建筑物布置進(jìn)行整體水工模型試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1）泄洪消能建筑物布置總體布局合理，方案可行。

2）泄洪表孔和中孔試驗(yàn)泄流能力比計(jì)算結(jié)果稍大，滿足樞紐泄洪要求。

3）各試驗(yàn)工況下，庫區(qū)來流平順，水面平穩(wěn)，泄洪表孔閘門局部開啟有陣發(fā)性微凹漩渦，泄洪中孔無吸氣漩渦。

4）表、中孔水面線高度均滿足閘門結(jié)構(gòu)布置要求，中孔出口由于寬尾墩消能工對(duì)水舌的影響，局部水面線束窄抬高，但不影響閘門啟閉運(yùn)行。

5）泄流水舌消能設(shè)計(jì)工況水舌沒有碰撞現(xiàn)象，設(shè)計(jì)工況偶有擦碰現(xiàn)象，校核工況各相鄰水舌間有間斷性擦碰現(xiàn)象。

6）水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)在校核工況聯(lián)合泄洪時(shí)達(dá)最大值，最大值為14.10×9.8 kPa，小于設(shè)計(jì)允許值15×9.8 kPa，水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)主要由表孔泄流水舌控制。

7）水流出二道壩后受河道地形以及電站出水渠隔墻的影響，主流偏右岸。由于流速偏大，下游河道建議采取護(hù)坡處理。

5 泄洪霧化預(yù)測及邊坡防護(hù)

1）泄洪霧化預(yù)測。楊房溝水電站位于“V”型河谷，最大壩高155 m，最大泄量達(dá)11 200 m3/s，最大泄洪功率10 960 MW。其泄洪消能型式采用表、中孔鼻坎挑流，在實(shí)施縱向拉開的基礎(chǔ)上，盡量減少表、中孔水流空中碰撞。根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)消能和正常水位水舌沒有碰撞現(xiàn)象，設(shè)計(jì)洪水工況偶有擦碰現(xiàn)象，校核洪水工況相鄰水舌間有間斷性擦碰現(xiàn)象，表、中孔水舌空中碰撞情況明顯減弱，但仍存在水舌入水所產(chǎn)生的霧化問題。由于楊房溝水電站為地下廠房，出線場等主要電氣設(shè)備均布置在大壩上游，尾水閘門井布置在山內(nèi)，故霧化對(duì)發(fā)電及電氣設(shè)備基本沒有影響，僅對(duì)左、右岸進(jìn)場公路及兩岸邊坡有一定的影響。

結(jié)合楊房溝水電站整體水工模型試驗(yàn)成果及參考已建工程原型觀測資料類比成果，對(duì)楊房溝水電站泄洪霧化范圍進(jìn)行初步預(yù)測，見表1。

表1 泄洪霧化預(yù)測表

2）邊坡防護(hù)。根據(jù)楊房溝工程泄洪霧化預(yù)測成果，考慮到薄霧降雨區(qū)范圍相對(duì)較大，已超出樞紐區(qū)建筑物范圍。同時(shí)考慮到薄霧降雨區(qū)雨強(qiáng)較小，對(duì)兩岸邊坡及公路影響有限，因此薄霧降雨區(qū)不進(jìn)行防護(hù)，僅對(duì)水舌裂散及激濺區(qū)和濃霧暴雨區(qū)進(jìn)行防護(hù)。防護(hù)范圍為：邊坡防護(hù)高程為2 020～2 102 m(壩頂高程)，沿河道縱向到壩下游500 m范圍內(nèi)，其中左岸從壩下到楊房溝溝口上游側(cè)；右岸從壩下到1號(hào)導(dǎo)流洞出口。

結(jié)合楊房溝工程邊坡特征，原則上不對(duì)兩岸陡壁進(jìn)行大規(guī)模開挖，依邊坡陡壁順勢支護(hù)。主要防護(hù)措施：高程2 002 m以下為水墊塘，底板及側(cè)墻采用2～3 m厚鋼筋混凝土板并布設(shè)錨筋樁或錨筋；高程2 002～2 102 m兩岸邊坡主要采用0.5～1.0 m厚的鋼筋混凝土板或噴混凝土保護(hù)，并設(shè)置系統(tǒng)錨桿和排水孔。對(duì)于兩岸邊坡存在的可能滑移塊體，采用預(yù)應(yīng)力錨索或其它錨固措施進(jìn)行加固。

6 結(jié)語

1）楊房溝水電站泄洪消能采用表孔和中孔壩身集中泄洪、壩下水墊塘消能的布置方案，較好地適應(yīng)了該工程的地形地質(zhì)條件及泄洪消能特點(diǎn)。

2）表孔出口采用平面收縮、中孔采用對(duì)稱寬尾墩布置，可有效地減少表、中孔水舌空中碰撞，減輕泄洪霧化對(duì)兩岸邊坡的影響。水工模型試驗(yàn)也驗(yàn)證這一點(diǎn)：消能設(shè)計(jì)工況泄流水舌沒有碰撞現(xiàn)象，設(shè)計(jì)工況偶有擦碰現(xiàn)象，校核工況各相鄰水舌間有間斷性擦碰現(xiàn)象。

3）由于表、中孔水舌空中少碰撞，使得表孔下泄水舌對(duì)水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)較大，在校核工況聯(lián)合泄洪時(shí)達(dá)14.10×9.8 kPa。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化表孔布置型式，以減少表孔下泄水舌對(duì)水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)。

［1］王仁坤.溪洛渡水電站高拱壩大流量泄洪消能技術(shù)研究［J］.中國三峽建設(shè).2005（6）.