积石峡水电站泄水建筑物设计

益 波，任 苇，高月仙，王康柱，魏坚政

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065）

1 工程概况

积石峡水电站位于青海省循化县境内，主要任务是发电。该工程水库为日调节水库，正常蓄水位1 856 m，最大坝高 103 m，总库容 2.94亿 m3，最大发电水头73 m，总装机容量1 020 MW，保证出力 332.3 MW，多年平均年发电量 33.63亿 kW·h。

积石峡水电站工程枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、左岸引水发电系统、坝后厂房等组成。工程规模为二等大（2）型，大坝为1级建筑物，泄水建筑物、引水发电系统及厂房均为2级建筑物，临时建筑物级别为4级。

2 泄洪消能规模及布置特点

积石峡水电站泄水建筑物按500年一遇洪水设计，5 000年一遇洪水校核，其入库洪峰流量分别为5 850 m3/s和7 550 m3/s；泄水建筑物消能防冲按50年一遇设计。校核洪水情况的上下游水位差约80 m，最大下泄总功率约5 100 MW，最高泄流流速约35 m/s。

积石峡水电站枢纽利用河道弯段布置，峡谷深度超过300 m，两岸山体陡峻，左岸存在纵向深槽及阶地，坝址下游为I号滑坡体。坝址区工程地形、地质条件复杂，拦河坝、泄水消能建筑物、引水发电系统及电站厂房、导流建筑物等可供选择的布置场地有限，同时根据枢纽布置需要，泄水建筑物要求按高程分层布置，并兼顾泄流、水库放空及下游消能防冲等功能，泄水建筑物布置相对困难。

3 泄洪消能建筑物设计原则

根据积石峡水电站泄洪消能的规模及特点，并结合工程开发任务与水库调度运行方式，确定泄洪消能建筑物的设计原则如下：

（1）泄洪建筑物布置应尽量利用左岸凸岸的有利地形，使其短而直，以改善水流条件。

（2） 本工程的大坝为混凝土面板堆石坝，泄洪建筑物应有一定的超泄能力，因此应布置开敞式溢洪道。

（3）根据积石峡工程泄洪排沙要求，泄洪建筑物按表、中、底三层布置，以适应水库运用特点。水库排沙运行方式，在汛限水位1 854 m下，分层设置的各泄水建筑物总泄量满足五年一遇洪峰流量（3 160 m3/s）的泄流要求，保持水库冲淤平衡。

（4）利用导流洞后期改建成泄洪洞，以减少泄洪建筑物投资，泄洪洞断面尺寸结合导流洞断面尺寸确定。

（5）泄洪排沙底孔和中孔泄洪洞的设置满足水库放空要求，在上游公伯峡电站两台机发电的情况下，可放空水库水位至1 819.0 m，满足机组进水口检修要求。

（6）为防止枢纽在运行中出现因尾水抬高下游水位或下游水位不稳定等问题，泄洪建筑物布置时应注意下游流态顺畅、均衡、稳定，且出口宜布置在距电站尾水下游足够远处。

（7）在选择泄洪建筑物消能形式时，尽量避免泄洪水雾对下游Ⅰ号滑坡的影响。

（8）各泄洪建筑物为永久建筑物，应充分考虑其频繁运行的特殊性和维护检修的可能性。

4 泄洪建筑物设计

4.1 泄洪建筑物布置形式

根据洪水标准及上述布置原则，泄洪建筑物采用了分散分层布置，包括左岸一孔岸边溢洪道、左岸中孔泄洪洞（与导流洞结合）、左岸泄洪排沙底孔（兼放空洞）。泄洪建筑物工程特性见表1。

表1 泄洪建筑物工程特性

溢洪道、泄洪排沙底孔消能工为挑流消能，中孔泄洪洞消能工为底流消能，通过消能组合，避免泄洪雨雾对下游Ⅰ号滑坡的影响。

4.2 表孔溢洪道设计

溢洪道布置在左岸，为开敞式岸边溢洪道，由引渠段、堰闸段、泄槽段、挑流鼻坎段组成。引渠段、堰闸段、泄槽段和鼻坎段的长度分别为30.000、46.200、344.302、38.181 m，堰闸段至鼻坎段溢洪道总长428.683 m。

4.2.1 预应力闸墩结构

溢洪道弧门总推力49 200 kN，若采用普通钢筋混凝土结构不能承受弧门大推力产生的拉应力，为改善弧门支撑结构的应力条件，闸墩按预应力结构设计。溢洪道闸墩采用对称锚块预应力形式，弧门支撑结构预应力混凝土采用简单锚块式。上游锚固端设计为锚拉竖井，锚拉竖井应位于拉应力区以外部位，锚拉竖井在主锚索施工完成后用微膨胀混凝土回填。

主锚索的布置在闸墩立面方向采用扇形，共5层，主锚索沿弧门推力方向扩散布置；平面方向共4排，其中闸墩最外侧一排为平衡索。次锚索的布置采用水平布置方式，在锚块颈部附近布置2排横向水平次锚索，锚块下游布置1排横向水平次锚索，共3排，每排4束。

4.2.2 泄槽段

溢洪道泄槽段净宽15 m，全长344.302 m，泄槽段底板厚2 m，边墙顶部宽1.5 m，底部宽4 m，墙体高度沿程变化（17～14 m），其中泄槽1～5段的右边墙为与大坝结合的重力式挡墙，采用分离式结构，底板在靠近边墙3 m处分缝，缝内设止水。6～24段为整体式结构。泄槽底板设置纵横排水盲管，汇集到左侧边墙下部排水廊道。

4.2.3 挑流鼻坎

挑流鼻坎为整体式钢筋混凝土结构，经多次模型试验比选，鼻坎体形确定采用两侧导墙前后交错收缩的舌形挑流鼻坎，挑流鼻坎反弧半径为20 m，挑角 37.97°。

4.3 中孔泄洪洞设计

中孔泄洪洞布置在左岸山体中，是由导流洞改建的 “龙抬头”式有压短管进口的泄洪洞，全长828 m，包括进口引渠、进水塔、 “龙抬头”斜洞段、反弧段、与导流洞结合段、明槽及消力池段等。

4.3.1 进水口

中孔泄洪洞进水口为岸塔式，塔身分为塔座、塔筒两部分。进水口整体稳定计算主要考虑了抗滑、抗倾、抗浮及基底应力等。进水口结构计算包括塔座及塔筒，均视为由等截面杆件组成的平面框架结构，结构计算采用力矩分配法，地基反力假定为均匀直线分布。

4.3.2 泄洪隧洞

中孔泄洪隧洞断面形式为城门洞形，帷幕灌浆线上游衬砌厚度2.5～1.5 m；帷幕灌浆线下游衬砌厚度1.5～1.2 m。帷幕灌浆线下游边墙、顶拱设排水孔（水面线以上）。衬砌结构计算考虑山岩压力、衬砌自重、外水压力、灌浆压力等荷载。闸室末端洞室围岩外水压力按水库全水头计算，帷幕灌浆线上游侧按0.7的折减系数，闸室末端～帷幕灌浆线之间以直线相连；帷幕灌浆线之后，考虑排水孔的作用，按0.3的折减系数计算。

4.3.3 消力池

消力池为整体式结构，消力池边墙基本镶嵌于岩体之内，底板与边墙之间不设结构缝。考虑结构安全，消力池底板按脱离边墙复核其抗浮稳定性，消力池边墙按悬臂梁取单宽计算，底板按弹性地基梁取单宽计算。

4.4 泄洪排沙底孔设计

泄洪排沙底孔进口位于左岸电站进水口2、3号引水钢管之间，与电站进水塔结合为一体，洞身段在平面上有两个弯道，其轴线走向由SE 159°经弧形变为SE 159°，洞身段全长332 m，洞身后接27.2 m长的工作闸室，闸室后为泄槽及鼻坎。

4.4.1 有压洞

依据DL/T 5195—2004《水工隧洞设计规范》第6.2条洞线选择中推荐的国际通用公式，即垂直向准则、雪山准则及挪威准则，分别进行复核计算。为了安全起见，对电站引水压力管道下部及出口段隧洞按明管设计。

4.4.2 工作闸室

闸室顺水流方向长27.2 m，弧形工作门最大推力57 240 kN，推力与水平线呈33.523 2o的夹角，弧形工作门前设胸墙，胸墙底缘高程为1 800.30～1 800.75 m，以1∶10的斜坡与上游隧洞连接；1 803.80 m高程以下胸墙厚3.73 m，1 803.80～1 817.00 m（闸室顶高程）胸墙厚2.94 m。闸墩下游侧上部设弧门支承大梁，大梁截面尺寸为不规则的六边形，弧门支铰布置于桩号底0+400.245、1 804.50 m高程处，大梁与闸墩采用预应力结构。闸室基础宽14.00 m，两侧在1 788.50～1 803.50 m高程范围内以 4∶1的坡与基础边坡相连接，1 803.50 m高程以上闸室宽16.00 m。孔口两侧闸墩对称布置，闸墩厚4.0 m，闸墩与底板、胸墙、弧门支承大梁以及闸室顶部启闭机室操作平台连接在一起。

工作门闸室段闸墩锚索布置分主锚索和次锚索。左、右闸墩主锚索对称，在闸墩立面上作扇形布置，设5层，奇数层3束，偶数层2束，共13束，主锚索上游端锚固在工作门前的锚固竖井内。次锚索水平布置于弧门支承大梁内，并通过大梁与闸墩相连接，次锚索沿垂直弧门推力方向分3排布置，每排4束，共12束。

4.4.3 泄槽及鼻坎

工作闸室末段接明渠泄槽段，水流出工作弧门后即成明流状态，整个明渠段流速较大，库水位为1 856.0 m、工作闸门全开时，槽内最大流速为27.3 m/s，局部开启时槽内最大流速近30 m/s。为了使槽内流态均匀平顺，出口水舌形态达到较好的消能效果，结合渠线地质地形情况，明渠底板设置陡坡段、反弧段和挑流鼻坎段。

明槽标准剖面为整体凹形框架结构，泄槽宽8 m，边墙高9 m，墙顶宽1 m。左右侧墙有墙背岩石弹性抗力作用，墙底宽3 m，底板一般厚2 m。鼻坎反弧半径20 m，挑射角37.12°。

4.5 水工模型试验主要结论

经过多个方案的水工模型试验研究和分析论证，提出的推荐方案可较好地解决枢纽的泄洪消能问题，主要结论如下：

（1）枢纽布置（推荐方案）基本是合理可行的。

（2）各泄洪建筑物的泄流能力均大于设计计算值，满足设计要求，并有一定的富余量，实测值较相应的设计值大2.2%～2.4%。

（3）各种工况下，库区水面平静，各泄洪建筑物泄槽内流态较好，沿程压力分布正常，明渠段水面沿程波动不大，横断面水深较均匀，从水力学条件来看，各泄洪建筑物体形设计是适宜的。

（4）溢洪道及底孔泄洪洞采用两侧导墙前后交错收缩、设小半径反弧鼻坎的消能方式，使水舌立体扩散，并能自身碰撞，较好地解决了挑射水舌对下游河床和两岸的冲淤问题，使下游流态较好，岸边流速小，不致危及下游Ⅰ号滑坡体的稳定。

（5）左岸中孔消力池内水跃跃首发生在隧洞出口下游25.86 m后，水跃衔接形式均为淹没式，消能充分。

5 结语

（1）积石峡水电站枢纽工程泄水建筑物布置充分适应了地形地质条件，因地制宜地将溢洪道布置在左岸Ⅱ级阶地上，中孔泄洪洞布置于左岸山体中，泄洪排沙底孔结合电站进水口布置，使整个枢纽布置紧凑合理。

（2）按不同高程布置表、中、底泄水建筑物，可满足施工期、运行期的下游供水和泄洪安全要求，消能方式采用挑流、底流相结合，避免了泄洪雨雾对下游1号滑坡的影响。

（3）表孔溢洪道、泄洪排沙底孔通过预应力闸墩结构较好地解决了高水头、大弧门推力下泄水建筑物控制段的受力状况，使泄水建筑物泄量分配、孔口拟定更加灵活。

（4）中孔泄洪洞为由导流洞改建的 “龙抬头”式有压短管进口的泄洪洞，与导流洞结合大大降低了工程投资，缩短了工程建设周期。

（5）泄洪排沙底孔通过两个平面弯段布置，兼顾电站进水口排沙和溢洪道布置，为枢纽布置提供了新的思路。

［1］中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.黄河积石峡水电站工程可行性研究报告（等同原初步设计报告）（审定本）［R］.2006.

［2］中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.黄河积石峡水电站工程整体水工模型试验报告［R］.2005.