【文章內(nèi)容簡介】 500MW；國內(nèi)已建工程中，泄洪功率最大的是二灘水電站，泄洪功率為39 000MW，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溪洛渡工程100 000MW的泄洪功率。因此，溪洛渡工程泄洪消能問題十分突出，是世界水平的高難度問題。表7 國內(nèi)外部分高拱壩樞紐泄洪功率比較序號 工程名稱 國家 壩高/（m）落差Z（m）Q（m3?s)流量（m3?s)泄洪功率 N（MW）河槽寬B（m）巖基巖性 完建年份設(shè)計1 溪洛渡 中國 278 205 52300 10000 枯水期 70～110 率武巖 2 二灘樞紐 中國 240 23900 39000 80～100 正長巖 1998年 3 二灘壩身 中國 240 16300 26500 80～100 正長巖 1998年 4 唉而卡洪 洪都拉斯 231 184 8590 15500 ≈100 石灰?guī)r 1985年 5 里?羅克斯 南非 107 21500 14800 135 泥巖 已建 卡博拉?巴薩 莫桑比克 13300 13400 100 片麻巖 1975年 7 莫西洛克 美國 185 7800 8100 ≈70 玄武巖卡里巴 贊比亞 128 85 9500 8080 120 片麻巖 1962年 9 英古里 前蘇聯(lián) 272 230 2500 5040 25 白云巖 石灰?guī)r 1982年 卡瓦基 日本 140 100 4400 4570 30 1981年 11 莫拉丁其 南斯拉夫 220 175 2200 3890 35 1975年 12 隔河巖 中國 151 100 2780 20700 120 石灰?guī)r 1997年 13 東風(fēng) 中國 173 110 14200 15000 50 石灰?guī)r 1994年 14 李家峽 中國 165 119 6300 73500 ≈50片 巖、混合巖為解決泄洪消能問題，結(jié)合壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，溪洛渡工程泄洪消能設(shè)計以“分散泄洪、分區(qū)消能、按需防護(hù)”為原則，采用壩身孔口、兩岸泄洪洞和適當(dāng)臺數(shù)機(jī)組共同承擔(dān)泄洪任務(wù)的布置方案。主要泄水建筑物由壩身7個表孔、8個深孔和兩岸5條泄洪洞組成。在設(shè)計中解決了以下關(guān)鍵技術(shù)問題：(1)增大壩身孔口泄量溪洛渡河道順直，基巖裸露，抗沖流速高，有條件增大壩身孔口泄洪流量，減輕壩外泄洪任務(wù)，從而縮小泄洪洞的規(guī)模，或者保持原有泄洪洞的規(guī)模，減少泄洪洞數(shù)量，降低工程造價，經(jīng)濟(jì)效益顯著。壩身采用表孔、深孔相結(jié)合，分層出流，上下差動，空中擴(kuò)散，水舌空中碰撞。射流水舌在入水處縱向盡可能的分散；在水舌不砸岸坡的條件下，充分利用下游水深大的特點，使水舌橫向拉開與擴(kuò)散，有效地削弱人水射流的集中程度；利用射流和淹沒水躍的消能原理在水墊塘中集中消剎下泄洪水的能量，并減少水舌沖擊壓力，以減輕射流對水墊塘底板的沖刷破壞。并對水墊塘進(jìn)行襯護(hù)。形成“分層出流、水舌碰撞、水墊塘消能”的消能方式。通過壩身孔口泄洪功率達(dá)到57 000MW，為二灘的2倍，是技術(shù)上的重大突破。多個水力學(xué)模型試驗的成果表明，通過表孔采用舌形坎或差動坎，縮短表孔閘墩、優(yōu)化表孔和深孔體型等工程措施后，當(dāng)壩身宣泄30 000m3／s流量時，表孔和深孔水舌能適當(dāng)碰撞、剪切形成散落狀水股，水舌擴(kuò)散充分。碰撞后的水舌大量摻氣，形成摻氣水流，消能效果較好。多股水流入射壩下水墊塘后，在水墊塘內(nèi)形成復(fù)雜的三元水流，在水墊塘內(nèi)縱向、橫向和垂向擴(kuò)散，加之與水墊塘邊壁的碰撞折沖，下泄水流劇烈紊動消能。利用水墊塘內(nèi)水深達(dá)80m左右的有利條件，大大地減少底板上的動水壓力。，在設(shè)計的允許范圍之內(nèi)。通過模型試驗，驗證溪洛渡拱壩壩身宣泄30 000m3/s流量，壩身孔口泄流能力，水流流態(tài)，消能效果，水墊塘底板上的最大時均沖擊壓力和底板穩(wěn)定均能滿足要求。再通過拱壩泄洪振動水彈性模型試驗，壩身泄洪時誘發(fā)的壩體振動是有感振動，其數(shù)量級不會對壩體安全構(gòu)成威脅，也不會對環(huán)境和人造成危害。通過多項指標(biāo)的綜合分析，下游河道具有承受由壩身孔口下泄30 000m3／s流量的能力。因此設(shè)計采用壩身孔口宣泄30 000m3／s流量是可行的。壩身泄洪消能指標(biāo)與國內(nèi)外高拱壩工程比較見表8。(2)采用反拱型水墊塘溪洛渡工程的泄洪消能設(shè)計采用壩身設(shè)兩層孔口，壩后設(shè)水墊塘消能的布置方式。這樣布置方式使樞紐布置緊湊，泄洪水流方向與原河道基本一致，順應(yīng)河勢，避免下泄水流對兩岸的直接頂沖，是一種既安全又經(jīng)濟(jì)的布置方式。在設(shè)計中首先注意水墊塘的開挖不能危及大壩的壩肩安全，水墊塘的邊坡不宜太高；其次，水墊塘底板的穩(wěn)定性。因為大量的能量在水墊塘內(nèi)消剎，一旦水墊塘底板失去穩(wěn)定，河床基巖遭受沖刷，勢必影響大壩及壩肩的穩(wěn)定。溪洛渡水電站壩址河谷形態(tài)為對稱的窄“U”型，枯水期水面寬70～1lOm，河床420m高程以下的坡度較緩，僅為20176?！?5176。，420m以上則為55176。～75176。陡坡。從適應(yīng)河谷形態(tài)，減少岸坡的開挖，增加底板穩(wěn)定的安全度考慮，采用反拱形底板水墊塘。注：L一水墊塘長度；b1b2一水墊塘頂?shù)讓挘篢一水墊塘水深。表8 高拱壩壩身泄洪消能指標(biāo)比較表水墊塘尺寸 塘內(nèi)單位水 體消能率 最大沖擊動 水壓力壩高（m）總泄流量（m3/s)壩身泄流量（m3/s)水頭 壩身泄洪工程名稱 工況功率 L T b1/b2（m）（MW）（m）(m）（m)kW/m3 小灣 292 校核 20572 15260 33900 400 48 180/70 設(shè)計 14682 9060 19700 42 拉西瓦 250 校核 6000 6000 213 12500 217 36 104/60 設(shè)計 4000 3740 8350 30 二淮 240 校核 23900 13600 2660 330 57 126/40 設(shè)計 20600 13200 21500 54 構(gòu)皮灘 225 校核 29100 29100 42400 311 77 140/70 設(shè)計 23600 23600 35900 72 摩西羅克 184 7800 7800 8100 140 73 1012 15 溪洛渡 278 校核 50153 30902 59734 224/107 設(shè)計 40921 21717 41588 400 注：L水墊塘長度；b1b2水墊塘頂?shù)讓?；T水墊塘水深。為研究水墊塘內(nèi)的水流特性，專門制作了樞紐整體模型，并開展了反拱型水墊塘底板的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的試驗研 究，得出以下結(jié)論：①反拱型水墊塘的流態(tài)與平底板水墊塘沒有本質(zhì)的區(qū)別，壩身多股射流，在水墊塘內(nèi)形成復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)，塘內(nèi)水流紊動和混摻劇烈，消能比較充分。采用先進(jìn)的測試手段，細(xì)致地分析了水墊塘復(fù)雜的三元流動結(jié)構(gòu)，按照不同的受力情況對水墊塘各部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，可以保證工程的安全運行。②反拱型底板的受力特性與平底板不同。平底板塊以升浮穩(wěn)定為控制條件，其抗力主要是單塊的自重和錨固力，一旦止水破壞，抽排系統(tǒng)失效，動水壓力沿裂縫傳到板塊底部，對底板穩(wěn)定形成直接危險，特別是水墊塘動水壓力較大的水舌入水區(qū)，容易產(chǎn)生底板塊失穩(wěn)。反拱型水墊塘底板，當(dāng)動水壓力產(chǎn)生的上舉力超過底板塊自重時，底板塊間形成拱，靠拱端產(chǎn)生的推力來維持其穩(wěn)定。反拱型底板在上舉力作用下產(chǎn)生的推力在摩擦力和錨筋剪切的力的耗損下傳至拱底，因此拱端產(chǎn)生的推力不會很大，拱座容易保持穩(wěn)定。③反拱各底板塊上舉力相關(guān)性差，各單塊底板穩(wěn)定失穩(wěn)受相鄰兩塊底板制約大，從而保證了各單塊底板有足夠大的穩(wěn)定性；反拱型底板較之平底板有更大的安全度，在模型上不設(shè)抽排和止水措施，也末見底板塊發(fā)生失穩(wěn)。(3)大泄量的“龍落尾”泄洪隧洞溪洛渡工程40％的泄量山兩岸多條泄洪洞負(fù)擔(dān)，單洞泄量高達(dá)4 000m3/s。泄洪隧洞分流后可減輕壩下消能防沖的負(fù)擔(dān)和泄洪霧化的影響，增大樞紐泄洪設(shè)施運行的靈活性利可靠性。，汛期庫水位基本上要維持在560m運行，汛期泄洪設(shè)備主要為泄洪洞和壩身深孔。泄洪洞加上部分機(jī)組運行可以宣泄常年洪水。因此，對泄洪洞的安全運行要求頗高。根據(jù)樞紐布置，～，平面上布置要轉(zhuǎn)彎，泄洪洞水頭高，反弧段流速達(dá)45m/s以上。在總結(jié)國內(nèi)外大型泄洪洞設(shè)計和運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出進(jìn)口為有壓段，后經(jīng)地下工作閘門室接無壓洞，無壓洞洞內(nèi)“龍落尾”型式，將總能量的80％左右集中在尾部占全洞洞長的15％的洞段之內(nèi)。泄洪隧洞洞內(nèi)流速大多控制在25m／s左右，僅在龍落尾段流速才由25m／s增加至反弧段末端的45m/s。這種布置型式的優(yōu)點：絕大多數(shù)洞段由于流速低，不致產(chǎn)生空化空蝕，襯砌要求低；高速水流集中，減少襯砌工程量，增加了洞身運行的安全度。由于出口水流流速較大，挑射水舌能挑至主河床，水流歸槽條件好；加之高流速無壓段短且與大氣連通條件好，水流表層自摻氣充分，提高了水流的空化數(shù)，增加高流 速段抗空化空蝕能力。(4)將一條導(dǎo)流洞改建為泄洪洞溪洛渡電站采用全年斷流圍堰隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，左布岸各設(shè)3條18mX20m導(dǎo)流隧洞。其中左右岸各2條導(dǎo)流洞擬與廠房尾水洞相結(jié)合，將剩下的2條中的1條改建為泄洪隧洞。山于水頭高(約200m)、泄量大(3000m3/s)、技術(shù)難度大，在“八五”、九五”攻關(guān)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多種體型的對比試驗，深入研究改建中存在的關(guān)鍵技術(shù)難題，提出采用豎井旋流與孔板消能整流相結(jié)合的消能方式和豎井與洞塞相站合消能的方式，并經(jīng)模型試驗驗證，消能率達(dá)90％，洞內(nèi)流速控制在25m/s左右，這兩種改建方式都是可行的。由于導(dǎo)流洞結(jié)合段內(nèi)流速低、壓力小，在結(jié)構(gòu)上不需要作特殊處理，完全可以利用原導(dǎo)流洞。豎井段結(jié)構(gòu)簡單，投資不入片：可以提前施了，改建占用直線工期少，因此被設(shè)計采納。樞紐整體模型試驗和單體水力模型試驗表明，這會樞紐泄洪建筑物的設(shè)計方案，其泄洪能力、消能效果和布置格局是安全可行的，完全可以在遭遇特大洪水時投入使用。 超大型地下洞室群設(shè)計溪洛渡水電站裝機(jī)容量12 600MW，發(fā)電廠房分左、右兩岸對稱布置。每個廠房各裝機(jī)9臺，單機(jī)700MW。左、右岸地下工程包括地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、引水隧洞、尾水隧洞、母線洞、電纜豎井以及交通洞、通風(fēng)洞等輔助洞室，形成規(guī)模巨大的地下洞室群。主廠房尺、(長X寬X高)，地下洞室總開挖量近1 500萬m3，超過已建的二灘、拉格朗德二級以及丘吉爾電站地下廠房。廠區(qū)洞室多、尺寸大、布置密集、立體交叉，在世界上是沒有先例的。參見圖3。在地下工程的設(shè)計中，工程布置、圍巖穩(wěn)定評價以及加固處理措施等都屬關(guān)鍵技術(shù)問題，對工程建設(shè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響甚大，設(shè)計給予了充分重視。溪洛渡工程兩岸地下廠房洞室群的水平和垂直埋深均大于300m。圍巖新鮮堅硬、完整性好，呈塊狀結(jié)構(gòu)，斷層不發(fā)育，以Ⅰ、Ⅱ類圍巖為主，圍巖成洞條件好。初始地應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力為主，～。巖層近水平展布、垂直裂隙不發(fā)育，主要構(gòu)造形跡為近水平的巖流層層間層內(nèi)構(gòu)造錯動帶。巖體內(nèi)地下水活動弱，透水性低，水文地質(zhì)條件相對較簡單。兩岸均具備修建大型地下洞室群的良好工程地質(zhì)條件。緩傾角層間、層內(nèi)錯動帶對大跨度頂拱、高邊墻及洞室交叉部位圍巖的穩(wěn)定不利。影響圍巖穩(wěn)定的因素很多，結(jié)構(gòu)面的組合、地下水的運移規(guī)律、施工程序、開挖方法、圍巖力學(xué)參數(shù)等都有一定的不確定性，這些不確定因素給超大型地下洞室群的設(shè)計、施工及圍巖臨時與永久支護(hù)帶來極大的困難。在溪洛渡工程的研究設(shè)計中，結(jié)合“九五”國家科技攻關(guān)和特殊專題研究，開展了前所未有的分析、試驗研究工作，重點研究地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定與支護(hù)、合理的施工順序、無支護(hù)時圍巖靜力穩(wěn)定特性、有支護(hù)時圍巖靜力穩(wěn)定特性(包括彈塑性損傷有限元分析、FLAC3D拉格朗日元分析及三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗)和洞室群的抗震穩(wěn)定分析。建立了地下洞室群的動力分析系統(tǒng)和施工動態(tài)仿真分析模擬系統(tǒng)。利用這些先進(jìn)方法和手段能充分考慮優(yōu)化開挖順序、確定加錨支護(hù)參數(shù)、施工爆破參數(shù)，對地下廠房洞室群的圍巖穩(wěn)定作出合理的評價，使地下廠房的設(shè)計有較大的提升和突破。結(jié)束語成都勘測設(shè)計院積幾十年的經(jīng)驗，集中優(yōu)勢力量，針對工程規(guī)模大、技術(shù)難度高、設(shè)計周期短等問題，在可研設(shè)計中注意采用國內(nèi)外最新的科研成果和新技術(shù)。針對重大技術(shù)問題列出專題，與國內(nèi)的科研單位和大專院校通力合作，并依托國家“九五”科技攻關(guān)，攻克了這些技術(shù)難題，保證了可研報告的質(zhì)量。目前溪洛渡工程已批準(zhǔn)立項開工，我們將在下階段設(shè)計和工程實施的過程中，繼續(xù)深化研究和落實這些重大技術(shù)問題。(編輯：胡少華)收稿日期：20040407 作者簡介：肖白云，成都勘測設(shè)計研究院，教授級高工、溪洛渡工程設(shè)計總工程師。來源:中國水利科技網(wǎng)第三篇：溪洛渡電站設(shè)計中的重大技術(shù)問題研究(下)溪洛渡電站設(shè)計中的重大技術(shù)問題研究（下） 壩體應(yīng)力分析、(1)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)系根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》和《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，以國內(nèi)外高拱壩容許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合我國近期高拱壩的建設(shè)經(jīng)驗及溪洛渡拱壩工程特點，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便等要求而確定的。溪洛渡拱壩應(yīng)力分析以拱梁分載法為主。相配套的容許應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表2和表3。(2)壩體應(yīng)力分析壩體應(yīng)力分析以多拱梁法為主，有限元法及模型試驗為輔。通過對各種工況包括施下：期的壩體應(yīng)力分析以及甚礎(chǔ)特性等參數(shù)的敏感性分析，拱壩應(yīng)力分布良好，應(yīng)力水與二灘拱壩相當(dāng)，不僅滿足設(shè)汁要求，而且對基礎(chǔ)變模的浮動具有較好的適應(yīng)能力。壩身設(shè)有表孔、中孔后，對大壩整體應(yīng)力分布從拱壩整體穩(wěn)定無影響，儀導(dǎo)致孔口附近局部應(yīng)力集中，通過配筋即可解決。大壩混凝土強(qiáng)度以R180 350控制。采用拱梁分載法(9拱17梁)，在荷載基本組合工況和特殊荷載組合工況下，壩體應(yīng)力位移汁算成果見表表5從計算結(jié)果可知：在基本組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工況作用下，，壩體位移平順光滑；壩休應(yīng)力狀態(tài)良好，壩體大部分處于受壓狀態(tài)，只在中部高程壩踵部位局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大主拉、主壓應(yīng)力值滿足應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。說明拋物線體型設(shè)計符合要求。在特殊荷載組合工況下，壩體應(yīng)力滿足應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力分布規(guī)