特大水利枢纽泄洪运行安全实时调控技术

第1章 特大水利枢纽泄洪运行安全需求 长江上中游特大水利枢纽具有泄洪流量大、水头高等特点，大多位于高山峡谷地区，地质地形条件复杂，单宽泄洪消能功率高出国外同规模工程的3～10倍，高速水流产生的冲刷、雾化、振动、空蚀、次声波危害十分突出，急需针对泄洪安全运行提出技术保障措施。 1.1 长江上中游主要特大水利枢纽 长江干流全长6300余km，流域面积约为180×104 km2，水力资源可开发装机容量为28.1×104 MW，年发电量为1.30×1012 kW h，分别占全国的47%和48% ，是我国水电开发的主要基地，形成了规模宏大的特大水利枢纽群。自江源至宜昌为上游，河长4510 km ，多流经高山峡谷，坡陡流急，落差为5360 m，占全江总落差的98.9% ，该区域的较大支流有雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等，流域面积均在8×104 km2以上，国内十三大水电基地中的金沙江水电基地、雅砻江水电基地、大渡河水电基地、乌江水电基地均处于本区域内。 1.1.1 金沙江水电基地 金沙江全流域共计划开发27级水电站，总装机规模相当于4座三峡水电站。本小节介绍梨园水电站、阿海水电站、金安桥水电站、乌东德水电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站6座水电站，均属I 等大（1）型工程。 1.梨园水电站 梨园水电站为金沙江中游河段“一库八级”的第三个梯级水电站，以发电为主，兼顾防洪、旅游等功能。枢纽的主要建筑物有混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、左岸泄洪冲沙洞、左岸引水发电系统等，工程*大坝高为155 m。溢洪道布置于右岸，为枢纽的主要泄洪建筑物，出口采用跌坎式底流消能，*大泄量为15500 m3/s，*大泄洪落差近100 m，陡槽宽73.5 m，高水头、大泄量［*大单宽流量为210 m3/（s m）］带来的消力池表面抗冲磨和结构流激振动稳定问题突出。 2.阿海水电站 阿海水电站是金沙江中游河段“一库八级”的第四个梯级水电站，上游与梨园水电站衔接，下游为金安桥水电站，以发电为主，兼顾防洪、灌溉等功能。枢纽的主要建筑物有混凝土重力坝、左岸溢流表孔及消力池、左岸泄洪中孔、右岸排沙底孔、坝后主副厂房等，*大坝高为138 m。 左岸溢洪道泄洪表孔有5孔，单孔净宽13 m，堰顶高程为1484.00 m，闸墩末端设置X 形宽尾墩，下接阶梯坝（坡度为1：0.75 ，阶梯尺寸为1.2 m×0.9 m）。反弧段末端设置底流消力池。消能区采用底流消力池消能，消力池全长95.5 m，等宽布置，净宽为93 m，底板高程为1400.00 m。二道坝坝高20 m，其后设置混凝土护坦，护坦高程为1405.00 m。 3.金安桥水电站 金安桥水电站是金沙江中游河段“一库八级”的第五个梯级水电站，以发电为主，兼顾防洪功能。枢纽的主要建筑物有混凝土重力坝、右岸溢洪道、右岸泄洪冲沙底孔、左岸泄洪冲沙底孔、坝后主副厂房等，*大坝高为160 m。 右岸溢洪道泄洪表孔有5孔，单孔净宽13 m，堰顶高程为1398.00 m，采用底流消能方式，*大泄量为14926 m3/s，占总泄量的83%，相应的上下游水位差为99 m，泄洪功率较大。溢流表孔短泄槽宽85～88 m，为连续式单槽布置，消力池长177.628 m，入池跌坎高6 m，池底高程为1276.50 m（消力池底板修补后，池底高程为1275.50 m）。 4.乌东德水电站 乌东德水电站是金沙江下游河段4个梯级水电站*上游的水电站，以发电为主，兼顾防洪功能。枢纽的主要建筑物有混凝土双曲拱坝、岸边泄洪洞、地下水电站等，*大坝高为270 m。 工程采用坝身表中孔和岸边泄洪洞相结合的泄洪方式，设计洪峰流量为35800 m3/s，坝身布置5个表孔、6个中孔，左岸靠山侧布置3条泄洪洞，坝身及泄洪洞均采用水垫塘消能方式。表孔堰顶高程为959.00 m，对称布置，每孔堰顶宽度为12 m，各表孔出口处采用不同的挑（俯）角值，1#和5#孔为-20°，2#和4#孔为5°，3#孔为-5°，相应的出口高程分别为910.590 m、943.904 m和941.388 m；泄洪深孔控制尺寸为6 m×7 m，1#、3#、4#、6#中孔为上挑型，挑角为20°，进口底板高程为878.00 m，出口底板高程为886.34 m，2#、5#中孔为平底型，底板高程为885.00 m；坝后采用护岸不护底水垫塘消能，二道坝中心线距坝轴线354.3 m，坝顶高程为825.50 m；泄洪洞采用有压洞接出口明流隧洞形式，进口底板高程为910.00 m，有压出口断面尺寸为14 m×10 m（宽×高），1#、3#泄洪洞出口采用15°俯角入水，单侧向心扩散，鼻坎出口高程为857.64 m，2#泄洪洞出口采用5°俯角，采用舌形坎，两侧扩散且斜切，鼻坎出口高程为860.00 m，各孔扩散角均为5°，扩散段水平距离为35 m，泄洪洞下游采用水垫塘消能，水垫塘底板高程为795.00 m，底长151.3 m，尾部二道坝坝顶高程为825.00 m。 5.溪洛渡水电站 溪洛渡水电站是金沙江下游河段4个梯级水电站的第三级水电站，以发电为主，兼顾拦沙、防洪和改善下游河道航运条件等功能。枢纽的主要建筑物有混凝土双曲拱坝、岸边泄洪洞、地下水电站等，*大坝高为285.5 m。 工程采用坝身表中孔和岸边泄洪洞相结合的泄洪方式，设计洪峰和校核洪峰流量分别为43700 m3/s、52300 m3/s，坝身采用分层设置7个表孔和8个深孔布置方案。表孔堰顶高程为586.50 m，对称布置，每孔堰顶宽度为12.5 m，出口采用下跌式挑流消能，2#～6#表孔出口中间设置双齿坎，4#表孔鼻坎高程为573.56 m，挑角为-20°，出口宽度渐扩至16.88 m，3#和5#表孔鼻坎高程为567.83 m，挑角为-30°，出口宽度渐扩至16.72m；8个深孔分4组采用4个不同的挑角（或俯角），对称布置，进口底板高程为490.70 m，控制尺寸为6.0 m×6.7 m，出口底板高程为499.50～501.00 m；水垫塘底高程为335.00 m，二道坝中心线距坝轴线400 m，坝顶高程为386.00 m；左右岸边各设2条常规泄洪隧洞，*大泄量为16648 m3/s，约占总泄量的34%，闸室后缓坡明流洞段的流速控制在25 m/s 左右，在“龙落尾”段反弧末端的流速约为50 m/s 。 6.向家坝水电站 向家坝水电站是金沙江下游河段*末端的梯级水电站，以发电为主，同时可以改善航运条件，兼顾防洪、灌溉功能，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等作用。枢纽的主要建筑物有挡水建筑物、消能建筑物、冲排沙建筑物、左岸坝后引水发电系统、右岸地下引水发电系统、通航建筑物及灌溉取水口等，*大坝高为162 m。 工程采用中表孔交叉间隔布置的底流消能形式，泄洪建筑物共有12个表孔和10个中孔，由中间隔墙将其分成左右两部分，左右侧各6个表孔和5个中孔。表孔堰顶高程为354.00 m，单孔净宽8 m，单个闸墩宽12 m；中孔进口高程为305.00 m，单孔净宽6 m，与表孔相间布置；采用底流消能方式，挑坎与消力池底板的高差为12 m，挑角为3.8°（坡度为1︰15）的俯角，为多股多层水平淹没射流，消力池长228 m，底板高程为245.00 m，坎顶高程为270.00 m，消力池由中导墙分成左右两部分，左右侧各宽108 m，消力池与水电站尾水之间由左导墙相隔。 1.1.2 雅砻江水电基地 雅砻江干流共规划了21个梯级水电站，利用落差达2813 m。本小节介绍锦屏一级水电站、官地水电站、二滩水电站3座特大型水电站，均属I 等大（1）型工程。 1.锦屏一级水电站 锦屏一级水电站是雅砻江下游卡拉至河口河段水电规划梯级开发的龙头水电站，主要任务是发电。枢纽的主要建筑物有混凝土双曲拱坝（包括水垫塘和二道坝）、右岸泄洪洞、右岸引水发电系统及开关站等，*大坝高为305 m，为目前世界上已建、在建和设计中*高的双曲薄拱坝。 泄洪建筑物具有“高水头、大流量、窄河谷”的特点，泄洪消能问题为该工程枢纽布置的控制因素之一，设计洪峰和校核洪峰流量分别为13600 m3/s、15400 m3/s。 2.官地水电站 官地水电站是雅砻江干流卡拉至江口河段水电规划五级开发的第三个梯级水电站，其上游有锦屏二级水电站和锦屏一级水电站，下游有二滩水电站。枢纽的主要建筑物有碾压混凝土重力坝、右岸地下厂房和消能建筑物等，*大坝高为168 m。 官地水电站采用底流消能形式，校核洪水泄洪流量为15500 m3/s，枢纽泄洪总功率为16118 MW ，单位体积消能率为32.1 kW/m3。溢流坝段布置于河床中部，溢流表孔堰顶高程为1311.00 m，每孔净宽15 m，采用宽尾墩+底流泄洪消能方式；2个中孔坝段分别布置于溢流坝段两侧，中孔进口底高程为1240.00 m，孔口出口尺寸为5 m×7 m（宽×高），其功能为放空水库和特大洪水时参与泄洪，采用侧向挑流进入消力池的消能方式；下游采用斜坡边墙接消力池的底流消能方式，消力池长119 m，底宽95 m，池尾设二道坝，坝顶高程为22.50 m，消力池防护结构的安全问题十分突出。 3.二滩水电站 二滩水电站位于雅砻江下游，距攀枝花市46 km ，是以发电为主、多目标综合开发的水利枢纽工程。枢纽的主要建筑物有混凝土双曲拱坝、泄洪建筑物、地下厂房等，*大坝高为240 m。 工程采用坝身孔口和泄洪洞联合泄洪形式，坝身7个表孔，每孔宽11 m，堰顶高程为1188.50 m，在设计、校核洪水位下的泄量分别为6300 m3/s和9800 m3/s；6个中孔的控制尺寸为6 m×5 m，出口高程为1120.00 m，在设计、校核洪水位下的泄量分别为6262 m3/s 和6452 m3/s，为避免水流径向集中，中孔在平面上实行压力偏转，并用30°、17°、10°3组不同挑角将水舌在横向和纵向散开；右岸布置2条大型明流泄洪洞，单洞设计、校核泄量分别为3700 m3/s 和3800 m3/s，洞内*大流速约为45 m/s ；下游设置水垫塘和二道坝，并将它们作为防冲保护措施，水垫塘底板高程为980.00 m，二道坝轴线距拱坝线330 m，坝顶高程为1010.00（河床）～1017.00 m（两岸）。 1.1.3 乌江构皮滩水电站 乌江水力资源得天独厚，在长江各大支流中居第三位，乌江水电基地为全国十三大水电基地之一。 构皮滩水电站位于乌江干流中游，属I 等大（1）型工程，工程具有发电、防洪、航运及其他综合效益。枢纽的主要建筑物有双曲拱坝、消能建筑物、水电站厂房、通航建筑物等，*大坝高为232.5 m。 构皮滩水电站上下游*大水头差约为150 m，大坝设计、校核泄洪量分别达24016 m3/s 和28807 m3/s，泄洪功率分别达34940 MW 和41690 MW 左右，加之河谷狭窄，地形地质条件复杂，消能区尾部及下游两岸与河床为黏土岩等软岩，泄洪与消能防冲设计难度较大。通过对泄洪布置、消能效果及工程量等多方面的综合比较，确定采用6个表孔和7个中孔泄洪、坝下设置水垫塘的消能布置方案。泄洪表孔堰顶高程为617.00 m，孔口尺寸为12 m×15 m；泄洪中孔进出口均为有压流形式，为了分散入塘水流落点，出口分为上挑压板型和平底型两种，孔口尺寸为6 m×7 m；左岸布置辅助泄洪洞，*大泄量为3100 m3/s，洞内*大流速约为43 m/s ；水垫塘长约303 m，底宽约70 m，底板高程为412.00 m，二道坝坝顶高程为441.00 m。 1.1.4 长江三峡水利枢纽 长江三峡水利枢纽是治理和开发长江的关键性骨干工程，属