卞 全，李玉潔，朱展博，陳念水

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 前言

寬尾墩型式為中國科技人員首創(chuàng)，始于安康水電站，其后應(yīng)用于五強(qiáng)溪、巖灘、百色、大朝山、索風(fēng)營、思林、景洪、阿海、沙陀、馬馬崖、功果橋和魯?shù)乩人娬尽?/p>

經(jīng)過30 多年的研究和開發(fā)，寬尾墩聯(lián)合消能工在我國已得到蓬勃發(fā)展；寬尾墩型式及其與壩面臺(tái)階和挑流、底流、戽流等消能聯(lián)合運(yùn)行的工程相繼建成，解決了一些大型工程中復(fù)雜的地質(zhì)和水文條件下難以解決的高壩泄洪消能問題，極大減少消能工的造價(jià)并縮短了工期，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

在寬尾墩的發(fā)展和應(yīng)用過程中，一些工程曾出現(xiàn)底板破壞等問題。針對(duì)各工程不同的水力特點(diǎn)，寬尾墩的體型也在不斷的改進(jìn)，隨著更深入研究，寬尾墩有更加廣闊的應(yīng)用前景。

1 工程概況

烏弄龍水電站[1]位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江干流上，上、下游分別為如美和里底水電站。壩址控制流域面積8.59 萬km2，多年平均流量749 m3/s，多年平均徑流量234.3 億m3。烏弄龍水電站以發(fā)電為主，水庫總庫容2.84 億m3，正常蓄水位1906.00 m，調(diào)節(jié)庫容0.36 億m3，為日調(diào)節(jié)水庫，電站裝機(jī)容量990 MW。工程于2009 年11 月開工建設(shè)，2014 年11 月成功截流，2019 年7 月最后一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、泄洪底孔、右岸引水發(fā)電及地下廠房系統(tǒng)等組成。最大壩高130.5 m，壩頂軸線長度247.1 m。

3 孔泄洪表孔布置在主河床，2 孔底孔分別布置在表孔壩段的兩側(cè)（左孔為泄洪底孔，右孔為生態(tài)放水孔兼泄洪底孔）。表孔的堰頂高程為1885.0 m, 孔口尺寸為15 m×21 m（寬×高），3 孔最大泄量10466 m3/s, 采用寬尾墩+壩面臺(tái)階+戽式消力池聯(lián)合消能。泄洪底孔和生態(tài)放水孔進(jìn)口底板高程均為1835.0 m，工作閘門尺寸均為3.5 m×6 m（寬×高），單孔最大泄量639 m3/s，采用挑流消能。

2 泄洪消能方案

（1）泄水工程特點(diǎn)

烏弄龍水電站與泄水相關(guān)的工程特點(diǎn)為：①瀾滄江洪峰流量大、洪水歷時(shí)長；②河谷狹窄、順直呈“V”型，右岸山坡陡峻，壩址下游岸坡覆蓋層較厚、范圍較大；③擋水壩采用碾壓混凝土重力壩，最大壩高130.5 m；④泄洪單寬流量大，泄洪水頭高、尾水相對(duì)較淺、洪枯時(shí)下游水位變幅大，消能問題很突出。

（2）泄洪建筑物的布置初擬

工程運(yùn)行條件：電站主要任務(wù)是發(fā)電，無灌溉和供水要求；入庫沙量相對(duì)較小，水庫泥沙淤積不嚴(yán)重；由于生態(tài)保護(hù)的需要，本工程需設(shè)置生態(tài)放水孔。

考慮壩體為碾壓混凝土重力壩，從泄洪安全考慮，泄洪建筑物采用典型的布置格局：以壩身表孔為主、底孔為輔的泄洪方式；按照“集中泄洪、分散消能、按需防護(hù)”的原則布置消能防沖建筑物。

（3）泄水建筑物方案

由于壩址處河床較窄,底孔及生態(tài)放水孔分列表孔兩側(cè),底孔采用長泄水道及挑流消能方式。

表孔[2]擬定了3 種不同的消能方式、5 個(gè)方案的對(duì)比研究，從消能效果、下游流態(tài)、運(yùn)行安全、工程投資等方面綜合考慮,寬尾墩+壩面臺(tái)階+戽流消能方案具有水流霧化輕、消力池短,較好適應(yīng)壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件,工程投資較省的特點(diǎn),優(yōu)勢明顯,因此選用表孔寬尾墩+壩面臺(tái)階+戽流消能方案。校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位以及消能防沖標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對(duì)應(yīng)的淹沒度分別為1.20、1.13，1.25，下游水深滿足寬尾墩消能的要求。

3 新型寬尾墩組合消能技術(shù)

（1）目前寬尾墩不宜單孔全開運(yùn)行

寬尾墩作為一種消能工，已在許多大中型水利水電工程得到應(yīng)用。寬尾墩改變了傳統(tǒng)二元水躍底流的消能形式，將挑流與底流結(jié)合起來，形成空中摻氣、池中多軸漩滾的三元水躍，消能率大為提高，消力池長度可大幅縮短，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但工程運(yùn)行與研究發(fā)現(xiàn)，寬尾墩仍存在流量適應(yīng)性差、底板沖擊壓強(qiáng)大等問題。

X 型寬尾墩是寬尾墩技術(shù)的重要進(jìn)步，是在寬尾墩底部開口所形成的新型寬尾墩。結(jié)合現(xiàn)代RCC 施工技術(shù)，X 型寬尾墩＋臺(tái)階堰面＋消力池的聯(lián)合消能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了寬尾墩與臺(tái)階堰面的有機(jī)結(jié)合；不但充分利用臺(tái)階的消能作用，而且避免臺(tái)階壩面出現(xiàn)負(fù)壓[3]。但是，當(dāng)表孔單孔全開泄洪時(shí)，X 型寬尾墩的跌落水舌未經(jīng)碰撞，消能效果差，消力池底板可能產(chǎn)生一些損壞[4]。因此，目前研究的X 型、Y 型等寬尾墩消力池基本不允許單孔全開運(yùn)行[5]。

（2）烏弄龍水電站可能單孔全開運(yùn)行

烏弄龍水電站主要任務(wù)是發(fā)電，年內(nèi)徑流不均，電站有排漂運(yùn)行要求。若采用兩孔表孔或三孔同步開啟泄洪，對(duì)調(diào)度運(yùn)行要求較高，運(yùn)行不靈活；因此，在實(shí)際運(yùn)行中單孔有全開運(yùn)行工況。為此，應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮單孔全開運(yùn)行工況，并保證單孔全開運(yùn)行時(shí)不出大問題。

在烏弄龍水電站的水工模型試驗(yàn)中，著重研究X 型寬尾墩體型，進(jìn)行超過20 個(gè)方案的體型修改試驗(yàn)[6]，表明X 型、Y 型寬尾墩技術(shù)都不能徹底解決單孔全開泄洪時(shí)的水力問題，為此需研究新型寬尾墩，通過水工模型試驗(yàn)來研究、解決和驗(yàn)證。

4 調(diào)整及成果

4.1 修改和調(diào)整

為解決表孔單孔全開的問題，對(duì)烏弄龍水電站的表孔進(jìn)行了以下體型修改和調(diào)整：①中間孔采用小挑坎方案；②中間孔采用雙窄縫方案；③中間孔采用優(yōu)化X 型寬尾墩；④寬尾墩流態(tài)與底板脈動(dòng)壓強(qiáng)協(xié)調(diào)；⑤戽池體型與寬尾墩體型協(xié)調(diào)；⑥寬尾墩位置調(diào)整。

但依靠X 型、Y 型寬尾墩技術(shù)難以徹底解決問題，特別是單孔全開泄洪時(shí)，消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)大，底板易出現(xiàn)破壞。

4.2 優(yōu)化后成果

通過不斷摸索，大膽試驗(yàn)[7]，針對(duì)烏弄龍水電站的實(shí)際情況，推薦泄洪表孔[8]的中間孔采用I 型寬尾墩、兩邊孔采用改進(jìn)的X 型寬尾墩（見圖1～圖4）。

5 泄洪表孔的最終布置設(shè)計(jì)

泄洪建筑物布置在主河道，由3 孔表孔、1 孔底孔、1 孔生態(tài)放水兼非常泄洪底孔組成。表孔壩段總寬80 m，堰頂高程1885.00 m，堰面為WES 曲線，中墩厚5 m，邊墩厚4 m（見圖1 和圖2）。經(jīng)水工模型試驗(yàn)研究確定，最終表孔全部采用寬尾墩，其中兩邊孔為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)（改進(jìn)的X 型寬尾墩），從距閘墩末端14 m開始過渡為寬尾墩，寬尾墩的收縮比為0.467；中間孔為對(duì)稱結(jié)構(gòu)（I 型寬尾墩），從距閘墩末端13 m 開始過渡為寬尾墩，寬尾墩的收縮比為0.413。寬尾墩的下方開口高度為2.4 m（見圖2）。

兩邊孔的外側(cè)尾墩寬度4.55 m，內(nèi)側(cè)尾墩寬度3.45 m，縮窄后的表孔流道寬度為7 m。中間孔寬尾墩對(duì)稱布置，尾墩寬度4.40 m，縮窄后的中間孔流道寬度為6.2 m。邊表孔和中間孔的寬尾墩尺寸見圖3 和圖4。

為了方便碾壓砼壩體施工和小流量泄流消能，設(shè)置了臺(tái)階式壩面。為臺(tái)階壩面補(bǔ)氣，在WES 堰面末端設(shè)置一個(gè)高2.0 m的摻氣挑坎，摻氣坎尺寸為2.0 m×0.86 m（高×寬）。臺(tái)階為內(nèi)凹型，共32 級(jí)，臺(tái)階尺寸為1.2 m×0.864 m（高×寬）。最末一級(jí)臺(tái)階以下采用1∶0.72 的斜線段與半徑為15 m 的反弧相切，反弧終點(diǎn)與消力戽池底板相連。消力戽池的水平段長度41 m，寬度為55 m。戽池末端設(shè)墩式連續(xù)尾坎，坎高10 m，尾坎下游采用護(hù)坦和護(hù)岸與原河道銜接（見圖2）。

圖1 泄洪建筑物平面布置圖

圖2 泄洪表孔的中間孔縱剖面圖

為避免臺(tái)階破壞，在首個(gè)臺(tái)階頂部設(shè)置摻氣坎、臺(tái)階采用高強(qiáng)混凝土、加強(qiáng)臺(tái)階細(xì)部結(jié)構(gòu)配筋、臺(tái)階設(shè)置10 cm 的倒角、壩面下部臺(tái)階改為光滑壩面等方式處理。

圖3 表孔寬尾墩下游立視圖

圖4 表孔寬尾墩側(cè)視圖

6 實(shí)際泄洪情況

2018 年11 月初，烏弄龍水電站開始水庫蓄水發(fā)電。經(jīng)過近兩年的泄洪驗(yàn)證，表孔、底孔及消力池運(yùn)行總體良好，寬尾墩、堰面、臺(tái)階等流道未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞情況。下泄較大流量時(shí)，表孔的堰面和消力池內(nèi)水流流態(tài)較平穩(wěn)，對(duì)下游河岸沖刷較小。

7 結(jié)語

瀾滄江烏弄龍水電站的泄洪表孔采用“寬尾墩+臺(tái)階壩面+戽式消力池”聯(lián)合消能工技術(shù)。泄洪表孔的中間孔采用I 型寬尾墩、兩邊孔采用改進(jìn)的X 型寬尾墩，以及壩面臺(tái)階、戽式消力池的布置與聯(lián)合消能技術(shù)，解決了寬尾墩不能單孔全開運(yùn)行、消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)大、底板及臺(tái)階易破壞等問題。經(jīng)過泄洪過水檢驗(yàn)，運(yùn)行情況良好，可為國內(nèi)同類工程積累了科研及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高此類消能型式的安全可靠性。