浅析白鹤滩水电站泄洪洞结构设计

孙东旭，顾祥武，熊成凯，欧阳凌云，李兴莲

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，云南昆明 650000）

1 白鹤滩水电站枢纽工程泄洪洞概况

白鹤滩水电站枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、引水发电系统、导流洞、泄洪洞、二道坝及水垫塘等建筑物组成。混凝土双曲拱坝最大坝高289 m，坝顶高程834 m。根据历年水文数据统计，在坝身共布置有7 孔泄洪深孔和6 孔泄洪表孔用于泄洪。此外在左岸还布置有3 条泄洪洞。

泄洪洞均采用进水口短有压接长距离无压段型式，由进水口、闸门段、上斜坡直线段、竖曲线段、下斜坡直线段、挑流鼻坎段组成。3 条泄洪隧洞采用直线发散型布置，无压洞断面为圆拱直墙型，出口位于白鹤滩村对岸，采用挑流消能。坝址设计及校核洪峰流量分别为38 800 m3/s 和46 100 m3/s，3 条泄洪洞设计和校核总泄量分别为11 705 m3/s 和12 254 m3/s，约占总泄洪量的30%。

2 泄洪洞结构

2.1 进水口

泄洪洞进水口位于左岸发电进水口与大坝之间，包括进水渠、进水塔和联系平台。3 个岸塔式进水口近似“一”字齐平布置，从里到外依次编号为1#、2#和3#进水塔。进口呈喇叭形，为短有压进水口，顶曲线采用非完整的1/4 椭圆曲线。3 个进水塔之间相对独立，每个进水塔之间通过混凝土联系平台连接交通和门机轨道，塔后回填混凝土与左岸坝顶平台衔接。

每个进水塔内都设置有一道事故检修闸门和一道工作闸门，其中检修闸门通过布置在进水塔顶部的门机进行启闭。检修闸门下游设2 个通气孔，对泄洪洞进水口段进行通气。弧形工作闸门由液压启闭机启闭，工作闸门下游设通风竖井通向进水塔顶。检修闸门至工作闸门之间的流道周边设钢板衬护，钢衬厚24 mm 并设加劲梁，进水口结构如图1 所示。

2.2 泄洪洞洞身

无压洞段平面布置宜采用直线型，沿线尽量减少结构变化，以保证水流平顺。若无法避免需布置扩散段时，扩散段布置在水流比较平稳的洞段，边墙扩散处宜采用圆弧连接。无压洞段洞身纵断面布置型式有一坡到底直线型、折线型、龙抬头型、龙落尾型等，应综合地形地质条件、水流条件、施工方法等选择合理的型式。无压洞段纵坡坡度应大于水流的临界坡。当洞段水流流速较大时，为满足水流强迫掺气要求，纵坡坡度宜适当增大，同时为方便施工，可采用8%～15%的坡度。无压洞水力设计应根据布置和流量进行水力要素计算，包括无压洞水面线、断面流速、掺气水深、压力分布、水流空化数等[1]。

图1 进水口结构

白鹤滩泄洪洞洞身部分为无压洞段，由上平段和龙落尾段两部分组成。泄洪洞上平段位于进口工作闸门下游，洞身采用城门洞形断面。龙落尾段位于上平段下游，由渥奇曲线段、斜坡段和反弧段三部分组成。1#和2#泄洪洞的反弧段直接与挑流鼻坎连接，而3#泄洪洞受地形条件限制，在反弧段与挑流鼻坎之间增加了一段用于过渡的下平段。

2.2.1 通风洞及通风竖井工程

为补充高速水流拖曵及掺气带走的空气，在进水塔工作闸门后设置有2 个通气孔向闸室和洞内补气。此外在长达近1900 m 的上平段中部布置有1 条通风洞，与施工支洞相结合对泄洪洞进行补气。通风洞底高程与泄洪洞直墙顶同高，位于泄洪洞掺气水深水面以上，后期可兼做检修通道。与交通洞的连接需要封堵或设防风门，以免泄洪洞泄洪产生的高风速影响交通安全。

2.2.2 龙落尾式设计

泄洪洞龙落尾布置形式指上游采用长距离小坡度、下游采用短距离大坡度的设计方式。通过合适的坡度设计，可以使得水流在小坡度段的加速度和流道阻力达到平衡，从而限制水流在进入龙落尾段时的流速，避免出现水流速度过快的现象，达到取消掺气设施、减轻空蚀的目的。此外，在龙落尾段设置短陡坡形成高速水流，设置掺气效果良好的掺气坎，可达到良好的保护效果。

龙落尾式泄洪洞将可能造成空蚀破坏的部位尽量布置的靠近出口，避免高速水流对大坝或洞身造成破坏，同时也对后期的修复工作提供了便利。

2.2.3 掺气坎布置

随着泄水建筑物的泄洪流量和运行水头的增加，流道的空化空蚀已成为最常见的建筑物破坏形式。通过长时间的研究和工程实践发现，增加掺气设施可以有效解决空蚀破坏。

白鹤滩泄洪洞在龙落尾段共布置有3 道掺气设施，用以减少高速水流对流道的破坏。3 道掺气设施均为底部掺气和侧面掺气相结合的形式。其中底部掺气为跌坎型，侧面掺气为突扩型。此外为保证掺气跌坎的通气效果，每道掺气跌坎处均进行局部扩挖，利用混凝土衬砌形成两侧独立进气的结构型式。考虑到高速水流段洞顶空气可能充满水汽混合物，对掺气坎的通气效果造成不利影响，因此设置了独立通风系统对每个掺气坎进行补气。通风系统的3 条主通风洞通过竖井与每个掺气坎通气孔口连通，出口处直接通至泄洪洞出口开挖边坡（图2）。

2.3 出口挑流鼻坎

在河流上修建的大坝、水闸等建筑物会缩窄河道，抬高上游水位，同时改变水流特征，使下泄水流势能增大。当建筑物泄水时，水流较大的势能转换为动能，流速增加。而下游水流流速相对较缓，不同流速的水流衔接不当可能会对河道以及建筑物造成冲刷等严重后果。根据研究，在挑流水舌冲击影响因素方面，主要包括时间、流速、掺气浓度以及下游河床条件（下游水垫深度和特征床沙粒径）等对冲刷坑形态特征（尤其是最大冲坑深度）的影响[2]。

图2 掺气坎结构

白鹤滩泄洪洞出口采用挑流鼻坎设计，在龙落尾段经过掺气坎对水流掺气后，利用较大坡度转化的高流速，将水流挑射到较远的位置，可有效减轻水流对下游河床的破坏。1#泄洪洞出口挑流鼻坎为左长右短的斜切鼻坎，2#和3#泄洪洞出口挑流鼻坎采用右边墙向下游收缩的扭曲鼻坎。

3 结束语

白鹤滩水电站作为单机100 万千瓦级的巨型水电站，是当今世界上在建综合技术难度最大的水电工程。电站具有世界最大规模的无压泄洪洞群，根据电站枢纽布置和地质条件，设计了3 条泄洪洞。从进水口、洞身以及出口工程三部分，对泄洪洞的建筑结构和设计特点进行了详细的介绍，为后续大型水电站在泄洪洞的设计方面提供参考。