烏東德高拱壩壩身不設底孔生態(tài)泄水技術與實踐

漆祖芳　李蘅　徐唐錦　翁永紅

摘要：烏東德水電站建設之前，國內外高拱壩一般采用壩身設置底孔解決下閘蓄水期生態(tài)泄水問題，但壩身設置底孔將使壩體結構和受力變得復雜，且占用大壩澆筑直線工期，投資大、經(jīng)濟性差，部分工程設置底孔仍存在壩址斷流、下游脫流等問題。針對壩身設置底孔解決下閘蓄水期生態(tài)泄水問題存在的上述不足，依托烏東德水電站工程，采用工程調研、水力學計算和水工模型試驗相結合的研究手段，通過4個實體模型、19種方案、157組試驗，研究形成了200～300 m級特高拱壩壩身不設底孔導流技術體系，使烏東德高拱壩成為中國年均流量大于150 m3/s的大江大河上已建壩高超過150 m的16座高拱壩中，唯一一座壩身不設底孔的高拱壩，電站初期蓄水期連續(xù)生態(tài)泄水流量達到400～1 587 m3/s，實現(xiàn)了初期蓄水期向下游連續(xù)大流量供水。相關技術可為類似工程施工導流方案的擬定提供新的解決思路，具有較強的參考應用價值。

關鍵詞：

高拱壩; 生態(tài)泄水; 不設底孔導流; 烏東德水電站

中圖法分類號： TV315

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.025

0引 言

水電是綠色能源，20世紀90年代以來，以二灘水電站等高拱壩建成為標志，中國水利水電建設實現(xiàn)了質的突破;21世紀以來，以三峽、南水北調工程的投入運行為標志，進入自主創(chuàng)新引領世界水電發(fā)展階段，建設技術不斷刷新世界紀錄。在堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念指引下，中國在水利水電工程建設過程中更加關注工程建設與生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展。

高拱壩施工一般采用圍堰一次攔斷河床、岸邊導流隧洞泄流的導流方案。導流隧洞下閘時庫水位未達到壩身過流孔之前無過流通道，這將導致下游河段減水嚴重甚至斷流，對壩下河段水生態(tài)將產(chǎn)生不利影響。目前國內外高拱壩一般采用壩身設置底孔的方案解決上述問題，如目前國外最高的格魯吉亞英古里拱壩[1-2]（壩址年均流量155 m3/s，最大壩高271.5 m），壩身設置3個底孔;烏東德工程建成前后，壩址年均流量大于150 m3/s、壩高超過150 m的已建15座中國高拱壩中，均采用壩身設置底孔方案，如表1所列。

已建高拱壩工程實踐表明：采用壩身設置底孔的方案將使壩體結構和受力變得更為復雜，同時設置壩身底孔存在占用大壩澆筑直線工期、投資大、壩身底孔泄放流量小等問題，底孔布置高程高于導流隧洞下閘水位時，仍存在壩址斷流、下游脫流等問題。為此，采用更加安全可靠的方式保障高拱壩初期蓄水期向下游連續(xù)大流量供水，對提高高拱壩建設安全，維護河流水生態(tài)十分重要。

1工程概況

金沙江烏東德水電站是實施“西電東送”的國家重大工程，是黨的十八大以來開工建設投產(chǎn)的千萬千瓦級世界級巨型水電工程。壩址位于云南省昆明市祿勸縣和四川省涼山州會東縣交界的金沙江上。電站開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運和促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展。

電站樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m，正常蓄水位975.0 m，總庫容74.08億m3;引水發(fā)電系統(tǒng)采用地下廠房布置，左、右兩岸各布置6臺單機容量850 MW的水輪機組，總裝機容量10 200 MW。烏東德水電站總體布置如圖1所示。

2施工導流程序

烏東德水電站施工期導流[18-20]采用河床一次斷流、上下游全年土石圍堰擋水、左右岸隧洞泄流的方案。導流隧洞[21-24]采用“左二右三、四大一小、四低一高”的布置格局，其中左岸1號和2號、右岸3號和4號導流隧洞為大低洞，過流斷面尺寸為16.5 m×24.0 m，右岸5號導流隧洞為小高洞，過流斷面尺寸為12.0 m×16.0 m。初期導流采用上下游土石圍堰擋水，1～5號導流隧洞過流度汛;中期導流采用壩體臨時斷面擋水，1～4號導流隧洞過流度汛;后期導流采用壩體臨時斷面擋水，永久泄水建筑物泄流度汛，烏東德水電站施工導流程序如表2所列。

3200～300 m級高拱壩壩身不設底孔導流技術

3.1200 m級高拱壩壩身不設底孔導流技術

針對已有高拱壩設計時在壩身設置底孔帶來的諸多問題，提出了取消壩身底孔的高拱壩設計新理念。依托烏東德水電站工程，提出導流隧洞改建為弧形閘門控制的生態(tài)放水洞的200 m級高拱壩壩身不設底孔導流技術，解決了現(xiàn)有導流隧洞直接作為放水洞，導致下閘期水流銜接壩身永久泄洪孔水頭大及隧洞平面閘門高水頭動水閉門超出現(xiàn)有技術水平等難題。具體包括：提出將導流隧洞“一洞改高洞、高洞改小洞、平門改弧門”（見圖2），通過改建放水洞銜接200 m級高拱壩壩身永久泄洪孔泄流，優(yōu)化壩體結構，降低下閘風險;簡化施工期水流控制程序，創(chuàng)新高拱壩初期蓄水向下游放水途徑，為壩身不設底孔及下閘期生態(tài)流量保障提供技術解決方案;提出改建生態(tài)放水洞的弧形閘門閘室結構及布置方法，建立了改建生態(tài)放水洞以改建堵頭、泄水孔、洞內弧門閘室等布置結構體系，并提出了相應結構設計方法，拓展了導流隧洞改建形式。

3.2300 m級高拱壩壩身不設底孔導流技術

依托烏東德水電站工程，在導流隧洞改建為弧形閘門控制的生態(tài)放水洞基礎上，采用理論分析，數(shù)值仿真，1∶25局部、1∶60單體和1∶100整體3座實體模型開展了大量科研試驗，探明了300 m級特高拱壩在超百米水頭運行條件下，改建生態(tài)放水洞存在的高速水流帶來的洞內負壓、氣囊、弧門振動等流態(tài)及運行安全問題，提出了改建生態(tài)放水洞“洞塞減流速、控泄降負壓、補氣消氣囊”的高速水流安全控制技術（見圖3），解決了高速水流在洞內短距離消減流速和調整流態(tài)的難題?！岸慈麥p流速”利用內消能理論設置兩級洞塞在短距離內大幅消減流速，模型試驗和數(shù)值分析表明，洞內流速由31.5 m/s減到20.2 m/s，實現(xiàn)洞內消能率達56%，解決了洞內高速水流沖刷、高速水流過彎、出口高速水流破壞等問題;“控泄降負壓”采用弧門控泄，消除改建堵頭段進口處負壓，避免了空化空蝕;“補氣消氣囊”通過補氣方法消除隧洞頂部氣囊。高速水流安全控制技術保障生態(tài)放水洞安全運行，將改建生態(tài)放水洞的適用水頭進一步提高，解決了300 m特高拱壩不設底孔和生態(tài)流量保障技術難題，形成了300 m級高拱壩壩身不設底孔導流技術。

4烏東德水電站運行實踐

烏東德水電站采用200～300 m級高拱壩壩身不設底孔導流技術，將5號導流隧洞改建為“弧門控制+洞塞消能”的生態(tài)放水洞，實現(xiàn)了烏東德高拱壩下部162 m范圍無孔洞（見圖4），明顯簡化了烏東德高拱壩施工程序，縮短了高拱壩施工工期，創(chuàng)新了高拱壩施工導流程序，明顯緩解了大壩一線施工工期壓力，取消了導流底孔過流度汛期移民，將烏東德水電站初期蓄水期移民優(yōu)化為最后一個枯水期晚移民，明顯降低了移民搬遷進度和管理壓力。

2020年1月15～20日最后一批2號、5號導流隧洞下閘期，日均下泄流量400～1 587 m3/s，瞬時最小流量達到238 m3/s，下閘全過程完全滿足環(huán)評批復意見“確保下游不出現(xiàn)斷流”的要求，實現(xiàn)了壩址斷面大流量連續(xù)泄放生態(tài)流量，生態(tài)流量下泄過程優(yōu)于環(huán)評批復意見要求。在尾水下游900 m水廠控制斷面，下閘期日均水位814.2～817.3 m，對應水深18.2～21.3 m，日均水位較天然水位下降幅度僅為3%～17%，尾水下游樞紐區(qū)生活生產(chǎn)水廠取水正常，保證了導流隧洞下閘期樞紐工程正常生活生產(chǎn)用水，如圖5～6所示。

5結 論

本文針對傳統(tǒng)高拱壩采用壩身設置導流底孔解決初期蓄水期下游供水問題存在的系列不足，依托烏東德水電站工程，采用工程調研、水力學計算和水工模型試驗相結合的研究手段，通過4個實體模型、19種方案、157組試驗，研究形成了200～300 m級特高拱壩壩身不設底孔導流技術體系，并在烏東德水電站成功應用，取得了顯著的技術經(jīng)濟效益，可為類似工程施工導流方案的擬定提供新的解決思路?？傮w而言，本文取得了如下結論。

（1） 簡化了高拱壩施工程序，節(jié)省了工程投資。烏東德水電站采用此技術取消壩身底孔后，壩身孔洞減少1層，烏東德大壩下部162 m無孔洞，大壩施工程序明顯簡化，縮短大壩澆筑直線工期65 d，節(jié)省導流底孔工程投資6 600余萬元。

（2） 創(chuàng)新了高拱壩施工導流程序，工期和社會效益明顯。導流隧洞群在最后一個枯水期晚下閘，基坑推遲1 a進水，增加壩后水墊塘、二道壩施工期1 a;蓄水期移民優(yōu)化為一期一次移民，取消了導流底孔過流期1 873人移民（搬遷時間推遲1 a），全庫區(qū)移民27 978人搬遷完成時間推遲2個月，降低了移民搬遷進度和管理壓力。

（3） 擴展了導流隧洞改建形式，提高了下閘安全，實現(xiàn)了初期蓄水期向下游連續(xù)大流量生態(tài)泄水。烏東德水電站采用先弧門動水下閘、后平板門靜水下閘，提高了導流隧洞下閘安全性;下閘期實現(xiàn)大流量連續(xù)泄放生態(tài)流量，最后一批導流隧洞下閘期，日均向下游連續(xù)泄放生態(tài)流量400～1 587 m3/s，尾水下游900 m水廠生產(chǎn)生活用水在下閘期正常取水不影響，結構安全和生態(tài)效益顯著。

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（編輯：胡旭東）