劉 文 勝

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京　100024)

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額勒賽下游水電站上電站溢洪道設計研究

劉 文 勝

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

摘要：額勒賽上電站溢洪道落差大，流速高，泄洪消能問題突出。為此在可研階段對溢洪道布置進行了深入研究，結合水工模型試驗報告對消能防沖和各級洪水泄洪建筑物的運行方式進行了多方案比較，設計了適合該工程的分槽泄洪，中孔和右孔用連續(xù)斜鼻坎，左孔消能工應使水舌盡量向左擴散，避免水舌中右側與左孔水舌疊加，有效地解決了消能問題。

關鍵詞：溢洪道布置；溢洪道水力設計；溢洪道水工模型試驗；分槽設計

1工程概況

額勒賽下游水電站(Lower Stung Russei Chrum Hydro- electric Power Project)位于柬埔寨首都金邊以西180 km，戈公省會戈公市以北20 km的額勒賽河下游。該電站由相距8 km的上下兩個電站組成，分別稱為額勒賽下游水電站上電站和額勒賽下游水電站下電站。額勒賽下游水電站總裝機338 MW，是目前柬埔寨已投產(chǎn)的最大的水電項目。

上電站正常蓄水位為260 m，裝機容量為206 MW。電站采用混合式開發(fā)，主要建筑物均由攔河壩、進水口、壓力引水道、調(diào)壓井、壓力管道、地面廠房和開關站等組成。

2額勒賽上電站泄水建筑物布置及特點

額勒賽上電站工程等別為二等大(2)型工程，泄水消能建筑物為2級建筑物。設計洪水標準為500年一遇洪水，相應洪峰流量為7 020 m3/s；校核洪水標準為5 000年一遇洪水，相應洪峰流量為9 450 m3/s。消能防沖建筑物洪水標準：采用50年一遇洪水，相應洪峰流量為3 930 m3/s。

本工程擋水建筑物為面板堆石壩，經(jīng)泄水建筑物布置方案比較論證，采用國內(nèi)同類工程中常用的表孔溢洪道+深孔泄洪洞聯(lián)合泄洪的方式，表孔溢洪道具有較強的超泄能力，深孔泄洪洞可兼起水庫放空作用，溢洪道和泄洪洞既可單獨泄洪，又可聯(lián)合運用，調(diào)度靈活、方便。根據(jù)工程實際地質、地形條件，將泄水消能建筑物布置在右案。

為確保泄洪安全，開敞式溢洪道承擔主要泄洪任務，發(fā)生常遇洪水時，采用溢洪道宣泄；泄洪放空洞，施工期兼顧導流洞的作用，運行期一般在發(fā)生設計洪水及其以上標準洪水時，和溢洪道一起承擔泄洪任務，其最大泄量為1 400 m3/s，其余泄量由溢洪道承擔。在非常情況下，泄洪放空洞承擔降低水位、放空水庫的作用。泄水建筑物調(diào)洪演算成果見表1。

表1　調(diào)洪演算成果表

3溢洪道布置

根據(jù)地形地質條件，右岸岸邊開敞式溢洪道布置于右壩肩內(nèi)側，與右壩頭相接，由引水渠、控制段、泄槽和出口消能工組成。

額勒賽溢洪道布置區(qū)域地層巖性較單一，巖層近水平，巖性主要為侏羅系中統(tǒng)石英砂巖、紫紅色泥巖、泥質砂巖等。以砂巖為主的砂巖巖組與以泥巖為主的泥巖巖組相間分布，層位相對較穩(wěn)定，相鄰巖層均為漸變過渡。250～243 m高程段巖體為弱風化砂巖，巖石飽和抗壓強度30～60 MPa，屬堅硬巖，巖體中厚層狀，巖體較完整，邊坡巖體Ⅲ2類為主。234～243 m高程為J29層微風化石英砂巖，巖石飽和抗壓強度60～80 MPa，屬堅硬巖，巖體中厚層狀，巖體較完整，巖體為Ⅲ1類。216～234 m高程地基巖石主要為J28層弱～強風化泥巖，巖石飽和抗壓強度5～15 MPa，為軟巖，巖體中厚層狀，巖體宜崩解。182～216 m高程地基巖石主要為J27弱風化灰白色石英砂巖夾少量灰黑色泥巖條帶。

圖1　額勒賽下游水電站上電站溢洪道平面布置

3.1引渠段

根據(jù)地形地質條件，引水渠靠右岸一側順直布置；靠壩體一側設置直線段和圓弧段，直線段長40 m，圓弧段半徑110 m，圓弧段與直線段平順連接。引渠段開挖長約140 m，樁號0-002.00～樁號0-040.00范圍內(nèi)設置重力式擋墻，擋墻與開挖邊坡平順連接。引渠段開挖底高程為240 m，240～255 m高程開挖坡比1∶0.5，在255 m高程設置3 m寬馬道，255 m高程以上開挖坡比1∶1.5。

3.2閘室控制段

溢洪道閘室控制段溢流堰分3孔，閘墩厚度4 m，控制段長為40 m。閘門尺寸為14×18 m，為WES實用堰，堰頂高程245 m，堰高5 m，堰上游面坡度3∶1，原點上游采用雙圓弧曲線。每孔設弧形工作門，溢流前沿凈寬50 m，接壩邊墩采用重力式，頂寬4m，坡率為1∶0.3。

3.3泄槽段

泄槽段分為緩坡段、拋物線連接段和陡槽段。緩坡段長度76 m，坡率1∶15；拋物線連接段長度65.68 m；陡槽段長度74.32 m，坡率1∶1.801。泄槽底板厚度為0.5 m～1 m。

3.4出口消能工段

溢洪道出口消能初步設計時采用等寬連續(xù)挑坎，挑坎段長度30 m左右，挑流鼻坎反弧半徑30 m，鼻坎出口高程約178.00 m。

4溢洪道水力設計

4.1泄流能力計算

開敞式溢洪道采用WES型實用堰，按《溢洪道設計規(guī)范》(DL/T5166-2002)規(guī)定泄水能力計算公式為：

式中Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，m；H0為堰上水頭，m；m為流量系數(shù)；溢洪道泄流能力計算成果見表2。

表2　溢洪道泄流能力曲線

4.2溢洪道泄槽水面線計算

選取校核洪水位工況時，溢洪道下泄流量7 457 m3/s進行泄槽水面線推求，水面線推求分為泄槽段水面線推求、消能段水面線推求兩部分。水面線推求公式：

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水面線考慮波動及摻氣影響，摻氣水深按以下公式計算：

式中h為未計入波動及摻氣的水深，m；hb為計入波動及摻氣的水深，m；v為未計入波動及摻氣的計算斷面上的平均流速，m/s；ξ為修正系數(shù)，計算中按不同流速截面取1.15～1.4s/m。

溢洪道水面線計算成果見表3。

表3　溢洪道水面線計算成果

泄槽起始段計算臨界水深6.937 m；臨界流速21.499 m/s。

4.3消能計算

出口采用挑流消能，挑坎頂高程為178 m，初擬挑角在18.79～30°范圍內(nèi)取值。進行挑距近似計算和沖坑深度估算。

挑距計算公式：

L=

式中L為水舌拋距，m，如有水流向心集中者,則拋距還應乘以0.90～0.95的折減系數(shù)；v1為坎頂水面流速，m/s,v為坎頂平均流速，m/s；H0為水庫水位至坎頂?shù)穆洳?，m；θ為鼻坎挑角；h1為坎頂垂直方向水深，m；h為坎頂平均水深，m；h2為坎頂至下游河床高差，m，如形成沖坑，可算至坑底 。

最大沖坑處水墊厚度計算公式：

tk=α1q0.5H0.25

式中tk為最大沖坑水墊厚度，m，q為泄水建筑物出口斷面的單寬流量，m3/(sm)；H為上、下游水位差，m；α1為基巖特征影響系數(shù)，采用1.2。挑流消能計算結果見表4。

表4　挑流消能計算結果

當沖刷坑后坡i

5溢洪道水工模型試驗

額勒賽上電站水工模型試驗首先率定了溢洪道的泄流能力。試驗率定各特征水位泄量均與設計計算值基本吻合，整體泄流能力滿足設計要求。設計和校核洪水位，溢洪道進口引渠右側水流平順，左側導墻曲線段內(nèi)側由于繞流作用水面凹陷。堰上流態(tài)正常，泄槽緩坡段兩側水深沿程逐漸減小，兩中墩后水流交匯形成“水翅”。渥奇段和陡坡段和挑流鼻坎內(nèi)水流平順。挑射水流最大挑距超過130 m，入水偏于左岸并頂沖左岸。

各部位壓力分布正常。溢洪道中線堰頂3#測點(溢0+008.95 m)處壓力最小，校核洪水始其值為-1.65×9.81 kPa，設計洪水時其值為-1.16×9.81 kPa?！兑绾榈涝O計規(guī)范》規(guī)定：對于設計洪水閘門全開情況，堰頂附近負壓值不得大于0.03 MPa(約為3×9.81 kPa)；對于核核洪水閘門全開情況，堰頂附近負壓值不得大于0.06 MPa(約為6×9.81 kPa)。

溢洪道需要經(jīng)常開起宣泄不同的洪水流量，無論從泄洪消能還是從運行角度考慮，對溢洪道進行分槽泄洪是十分必要的。溢洪道經(jīng)模型試驗比較后推薦采用左孔單獨成一槽，中孔和右孔成一槽的分槽方案；推薦在中孔和右孔隔墩末設穩(wěn)流墩。左孔單獨兩槽方案在溢洪道左孔右側設1 m厚的隔墻與其它兩孔隔開，左孔泄槽凈寬17 m。該方案中孔和右孔用連續(xù)斜鼻坎，左孔消能工應使水舌盡量向左擴散，避免水舌中右側與左孔水舌左側疊加。在設計洪水沖刷情況下，沖坑最深點沖刷到122.0 m高程，深23 m；左岸最深點沖刷到127.0 m，沖深18.0 m；右岸最深沖刷到127.8 m高程，沖深17.2 m。50年一遇洪峰流量，可通過三孔均局開8 m泄放。最深點沖刷到129.0 m高程，深16.0 m；左岸最深點沖刷到138.0 m，沖深7.0 m；右岸最深沖刷到130.3 m高程，沖深14.7 m。

推薦方案沒有改變泄洪放空底孔的出口體型和溢洪道的堰面體型，溢洪道進口引渠的修改對流量的影響很小，可以忽略不計。因此推薦方案泄水建筑物的的泄流能力與原方案相同。

本工程設計的泄水建筑物運行方式為：來水量為常遇洪水洪峰流量時采用溢洪道泄洪；來水量大于200年一遇洪水洪峰流量時，同時開啟泄洪洞和溢洪道聯(lián)合泄洪。溢洪道需下泄的流量變化幅度較大各頻率的洪水，而三孔溢洪道閘后只用一道隔墻分成兩槽，運行靈活性較小，有必要對泄洪運行方式進行研究。

泄洪運行方式的選擇應遵循以下幾個原則：(1)流態(tài)良好，避免出現(xiàn)可能危及建筑物安全的不良流態(tài)。(2)下游沖刷較淺，不危及挑流鼻坎的安全。(3)操作簡單。試驗優(yōu)選的各級洪水泄水建筑物運行方式見表5。表中開度為弧門下緣與堰頂?shù)母叱滩?。試驗研究表明，溢洪道各孔局開4 m時，兩泄槽的水流基本能夠挑離本岸，開度小于4 m時水舌砸岸，因此，應避免各孔開度小于4 m。開度過大時，閘前壅水波動較大，漩渦較強，可能危及閘門安全。設計洪水位溢洪道全開時，堰頂處水深約16 m，經(jīng)試驗研究認為，閘門局開開度應小于12 m。2#孔和3#孔公用一個泄槽，兩孔開度應盡量保持相同，2#孔開度可大于3#孔，但當2#孔開度小于3#孔時，水舌絕大部分砸在本岸。

表5　試驗優(yōu)選的各級洪水泄洪建筑物運行方式

水工模型試驗證明溢洪道總體布置是合理的。泄流能力滿足設計要求。推薦的左孔單獨成槽兩槽方案，可滿足泄放各頻率洪水的要求。各

級洪水對下游河道的沖刷不會危及泄水建筑物的安全。

6結語

額勒賽上電站溢洪道落差大，流速高，泄洪消能問題突出。為此在可研階段對溢洪道布置進行了深入研究，結合水工模型試驗報告對消能防沖和各級洪水泄洪建筑物的運行方式進行了多方案比較，設計了適合該工程的分槽泄洪，中孔和右孔用連續(xù)斜鼻坎，左孔消能工應使水舌盡量向左擴散，避免水舌中右側與左孔水舌左側疊加，有效地解決了消能問題。

(責任編輯：卓政昌)

劉文勝(1986-)，男，湖南衡陽人，畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè) ，工程師，現(xiàn)于中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司從事水利水電工程壩工專業(yè)設計工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0098-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV651.1；TG802

收稿日期:2016-02-18