姚德生 李永勝 李 淼

印度某水電站泄洪設計方案優(yōu)化

姚德生 李永勝 李 淼

水庫泄洪問題關系到水庫的安全、工程施工進度以及工程投資，介紹了承擔國外工程項目需復核原設計方案的合理性，依據相關規(guī)范，通過設計方案優(yōu)化對比，選擇施工簡單、安全性好、工程投資小、后期運行管理方便的泄洪方案，為今后類似國外工程項目提供參考。

泄洪 合理性 優(yōu)化 泄洪方案

水電站位于印度某河流上，工程任務為發(fā)電。攔河壩采用黏土心墻堆石壩型，最大壩高112.00 m，水庫總庫容7.57億m3，地面式電站總裝機容量186 MW。工程規(guī)模為大 (2)型。水庫正常運行水位為276.00 m，最低運行水位為250.00 m。上游最高洪水位采用PMF洪水，入庫洪峰流量8 002 m3/s，相應的庫水位為277.45 m，壩下游水位182.11 m。

1 原方案泄洪建筑物設計

根據印度提供的原詳細設計報告，洪水標準采用PMF洪水，入庫洪峰流量8 002 m3/s，經水庫調蓄后最大下泄流量為7 200 m3/s。泄洪建筑物包括左岸溢洪道和右岸泄洪排沙洞，左岸溢洪道為岸邊式開敞溢洪道，最大泄流能力按不低于2 000 m3/s設計，右岸泄洪排沙洞泄洪能力按不低于5 200 m3/s設計。

溢洪道采用WES堰型，堰頂高程264.0 m，共4孔，每孔尺寸10 m（寬）×14 m（高），總寬度52 m。泄槽收縮段長60 m，寬度由52 m漸變到40 m，縱坡為1∶7.8；泄槽長度為664 m，縱坡為1∶7.8；消力池長度為105 m，消力池邊墻高度為4.0 m。

右岸泄洪洞開挖斷面為馬蹄形，襯砌后斷面為內徑11.5 m的圓形，襯砌厚度為600 mm。施工導流洞進口高程172.00 m。改建為泄洪排沙洞后采用 “龍?zhí)ь^”形式將進口高程抬高至215.00 m，隧洞出口高程為168.00 m。

2 泄洪建筑物優(yōu)化調整原則及方案

本工程地質條件較差，而泄洪排沙洞洞徑較大，考慮到本工程左岸雖然缺少天然埡口，但地勢相對低緩，較適宜修建開敞式溢洪道。綜合分析左、右岸地形，地質條件和泄洪建筑物規(guī)模要求，并對原報告中的溢洪道及泄洪洞工程量及工程造價的分析，初步考慮通過優(yōu)化導截流建筑物的形式，減小右岸導流洞規(guī)模，相應減小泄洪排沙洞工程規(guī)模，增加左岸溢洪道的泄流能力。根據上述思路初步擬定兩種泄洪建筑物比選方案。

比選方案1：導流洞兼作泄洪洞。導流洞襯砌后內徑由11.5 m縮減為10 m。導流洞改建為泄洪排沙洞后，PMF洪水時單洞過流能力由3 272 m3/s減少到2 385 m3/s，考慮到15%的富裕度后按2 000 m3/s計，右岸泄洪排沙洞總過流能力減少為4 000 m3/s。為滿足泄洪總量達到7 200 m3/s，左岸溢洪道在PMF洪水時的泄流能力需滿足3 200 m3/s，計入15%的富裕度后應滿足3 680 m3/s。

比選方案2：鑒于泄洪洞直徑11.5 m相對較大，考慮到本工程地質條件較差，隧洞圍巖類別中Ⅳ～Ⅴ類圍巖比例較大，導流洞不再兼作泄洪洞，則運行期洪水全部由溢洪道下泄。PMF洪水時溢洪道泄流能力按不少于7 200 m3/s設計，考慮10%的富裕度取整后按8 000 m3/s確定左岸溢洪道的規(guī)模。

本工程正常蓄水位對應庫容為7.57億m3，多年平均輸沙量455.2萬m3，庫沙比為166<100，按中國規(guī)范不屬于泥沙嚴重型水庫，電站進水口底板高程233.0 m遠高于214.0 m的70年淤沙高程，因此，可不設專門的排沙設施。本工程泥沙沉積率91.24%，排沙比約為8.76%，水庫多年平均含沙量1.7 kg/m3，過機多年平均含沙量0.17 kg/m3< 0.27 kg/m3，可不設沉沙池；因此，從排沙運用方面看，本工程不設泄洪排沙洞是可行的。

3 方案比選

3.1 方案1泄洪建筑物設計

右岸泄洪洞洞徑由11.50 m減小為10.00 m，工程量及工程投資將大大減少。

3.1.1 溢洪道控制段體型比選

左岸溢洪道控制段可通過降低堰頂高程或增加溢洪道過流寬度的辦法，使其泄洪能力由2 000 m3/s增大到3 680 m3/s，為此擬定了4種溢洪道控制段體型的方案，各方案及泄洪能力詳見表1所示。

分別計算上述4種方案的工程量，結果表明方案4的工程投資最經濟，故方案1控制段體型采用方案4。

3.1.2 泄槽寬度及消能方式比選

左岸溢洪道泄槽段考慮兩種方案，分別是保持原寬度40 m，以及將寬度增加到50 m。泄槽末端消能工分別對底流消能工和挑流消能工進行比較。

表1 溢洪道控制段體形方案表

根據 《溢洪道設計規(guī)范》，通過泄槽水面線計算以及底流消能計算，控制段采用方案4時兩種泄槽寬度情況下，泄槽深及消力池計算成果詳見表2所示。

表2 不同泄槽寬度時底流消能計算成果表

采用挑流消能方式時，泄槽段長480 m，縱坡為1∶8。挑流控制段長20 m，挑坎頂高程185.07 m，反弧段半徑20 m，挑角20°。根據挑流消能計算公式，挑流消能計算成果詳見表3所示。

表3 不同泄槽寬度時挑流消能計算成果表 m

通過底流消能及挑流消能方案的工程量對比，結果表明挑流方案工程量較小，投資較少，故此階段選定挑流消能方案。

泄槽寬度40 m和50 m的單寬流量分別為92 m3/s 和74 m3/s，根據表3可知，兩個方案的沖坑深度與挑距比分別為0.25和0.22。由于本階段地質資料較少，且下游沖坑位于河灘地，泄槽寬度50 m方案單寬流量較小，沖坑較淺偏于安全。

3.1.3 左岸泄洪方案的選擇

經比較后，方案1采用的控制段體型為：堰頂高程261.6 m，閘孔寬度10.0 m，閘孔數4孔，總寬度52.0 m；泄槽段寬度為50.0 m，泄槽末端消能方式采用挑流消能的消能方式。

3.2 方案2泄洪建筑物設計

右岸導流洞內徑為10 m，進口高程172.0 m，出口高程168.0 m，施工結束時對導流洞進行封堵，不再改建為泄洪洞。

根據左岸溢洪道泄流規(guī)模要求，溢洪道位置根據地形及地質條件在原溢洪道下游40 m處。根據方案1的比選成果，溢洪道末端采用挑流消能方式，不再進行挑流及底流消能的比選。參考國內設計規(guī)范，溢洪道末端挑流鼻坎設計洪水標準取50年一遇洪水標準，設計泄量為4 260 m3/s，PMF洪水時最大泄流能力滿足8 000 m3/s。

方案2溢洪道采用控制段總寬度104.5 m，共6孔，每孔14.5 m （寬）×15 m（高）。溢流堰采用WES堰型，堰頂高程 262.95 m，每孔設一道弧形工作閘門，工作閘門前設一道平板檢修閘門槽。泄槽段長480 m，泄槽寬度90.0 m，縱坡為1∶10。泄槽段后布置挑流鼻坎，挑流控制段長20.0 m，反弧半徑20.0 m，挑角20°，鼻坎頂高程200.00 m。挑流鼻坎后接15.0 m長鋼筋混凝土護底，護底末端設齒槽。

經計算，在下泄50年一遇洪水 （Q＝4 260 m3/s）時，單寬流量53.25 m2/s，鼻坎斷面平均流速29.93 m/s，挑距127 m，沖坑深29 m，沖坑與挑距比為0.23。在下泄PMF洪水時，單寬流量100 m2/s，挑距148 m，沖坑深40 m，沖坑與挑距比為0.27。

4 方案比選結果

經工程量計算，印度某水電站優(yōu)化比選各方案投資對比見表4所示。

表4 印度某水電站各方案投資對比表 萬元

由表4可知，方案2工程投資最省。在滿足最大泄流量的前提下，方案1比原方案的導流洞洞徑減小，故工程投資減少；方案1中的溢洪道泄流量相較于原方案增加了，但由于降低了溢洪道堰頂高程并減小開孔寬度，故工程投資依舊減少了。方案2比方案1增加了導流洞封堵投資，并且加大了溢洪道規(guī)模，導致投資增加，但由于沒有了泄洪洞改建投資，故總投資依舊低于方案1。另外，方案2運行期全部洪水從表孔下泄，導流洞封堵后沒有高速水流問題，導流洞設計施工簡單，降低了施工期地質風險，運行管理期問題較少。

根據本階段基本資料，經綜合比較后本階段推薦采用方案2。

5 結語

溢洪道和泄洪洞是水利工程常用的泄洪方式，導流洞后期改建為泄洪洞也是工程常見工程措施，這樣可以減少部分工程投資，但并不適用所有工程，有時導流洞封堵對工程投資反而更多。故不同工程，應綜合研究對比，選擇技術可行、施工簡單、運行管理方便、安全性好、工程投資少的最優(yōu)方案。

姚德生 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

李永勝 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

李 淼 女 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

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