航电工程泄水建筑物设计与研究

娄晓波，余 扬，王晓慧

(中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳550081)

1 工程概况

龙溪口航电枢纽工程为岷江(乐山～宜宾段)干流的第四级梯级航电枢纽，距省会成都市167 km，距乐山市80 km，距犍为县30 km，枢纽布置紧邻犍为县新民镇上游;开发任务为航运为主、结合发电，促进地方社会经济发展。水库正常蓄水位317.00 m，总库容2.29亿 m3，装机容量480 MW，多年平均发电量为19.84亿kW·h，设计通航吨位为1 000 t，航道等级为Ⅲ级航道，枢纽建成后可提高岷江的通航能力，同时向四川主电网输电。

龙溪口枢纽工程为二等大(2)型，由通航建筑物、河床式发电厂房、泄水建筑物、过鱼建筑物及非溢流挡水建筑物组成。泄水建筑物为2级，按100 a一遇洪水设计，设计洪峰流量49 500 m3/s，1 000 a一遇洪水校核，校核洪峰流量68 800 m3/s。泄水建筑物为开敞式泄洪闸，共24孔，孔口尺寸15.0m×19.0m(宽×高)，最大闸高43.0 m。

2 合理布置泄水建筑物重要性

龙溪口航电工程对通航水流纵向流速、横向流速及水流流态要求较高;工程洪峰流量大，校核工况达68 800 m3/s，而河道相对狭窄，导致泄水建筑物单宽泄量达191 m3/(s·m)，对通航水流影响较大，建筑物布置不合理会引起再造河床，危及到通航的安全运行，且需满足施工期通航顺畅。因此，枢纽建筑物布置矛盾较为突出。

本工程库区两岸平缓，滩地发育，耕地较多，人口众多，工程对库区的影响较大，建设征地和移民安置补偿、库区防护投资约占总投资的37%，由此可见，泄水建筑物所控制的库水位对水库淹没、防护投资较为敏感，甚至于泄水建筑物布置不合理会引起较大的移民安置问题和社会问题。

因此，泄水建筑物布置合理与否，是能否实现枢纽工程开发目标、确保工程和库区安全、减少工程及水库淹没、防护投资和确保工程效益的关键，同时对施工期的通航畅通、分期导流的成功与否起到至关重要的作用。

3 影响泄水建筑物布置的因素

3.1 控制水库水位对库区淹没的影响

在枢纽布置时，尽量增加泄水建筑物前缘净宽，降低库水位回水，力争20 a一遇洪水敞泄时，闸前洪水库水位应尽量接近闸址天然水位，并且不高于正常蓄水位时回水位，以减少洪水期对水库淹没的影响。

3.2 满足通航水流条件

闸址河段河道相对狭窄，布置泄水建筑物、船闸、河床式发电厂房相互间矛盾突出，泄水建筑物布置应满足通航水位衔接要求，保证船闸及引航道与枢纽上、下游航道的水位平顺衔接，满足通航水流条件的要求，将发电和泄洪水流对上、下游水流流态的影响控制在通航要求的范围内。

3.3 满足施工期导流布置要求

根据枢纽建筑物施工分期要求，泄水建筑需分两期施工。

一期右侧部分泄水建筑物施工时，导流标准为全年10 a一遇洪水，剩余未建泄水建筑物部位的河床过流应满足2个条件:①库水位不超过库区防洪堤防洪限制水位;②当汛期Q≤12000m3/s(允许通航最大流量)时应满足通航安全的流速要求。

二期施工剩余泄水建筑物时，已完建泄水建筑物及其基坑过流及度汛应满足2个条件:①联合度汛(度汛标准为全年10 a一遇洪水)时，库水位不超过库区防洪堤防洪限制水位;②当来流量为691 m3/s(P=90%)时应满足上游水位不低于施工期最低通航水位307.00 m。

3.4 枢纽运行条件

6—9月为岷江汛期，当入库流量最大通航流量≤15 000 m3/s时，泄水建筑物闸门局部开启，水库水位维持在316 m运行;当入库流量＞15 000 m3/s时，泄洪逐步开启闸门直到整个敞泄，敞泄时水位为309.02 m;当流量为38 300 m3/s(P=5%)时，闸前洪水库水位尽量接近闸址天然水位，该流量对应的水位是库区防护控制的依据，回水不影响犍为县城，泄水建筑物采取敞泄。

4 泄水建筑物设计

4.1 堰面型式选择

低水头泄水建筑物堰面型式有低实用堰和宽顶堰两种，两种堰型各有特点。低实用堰在较大流量下过流能力相对较强，可以适当抬高堰顶高程，降低孔口高度;而宽顶堰可以尽量降低坎顶高程，加大泄量，对于高频率洪水情况降低水库水位壅高的效果明显，这对水库区影响更为有利，且易于排沙的优点。另外，宽顶堰具有结构简单，施工方便的优点。所以，选择宽顶堰堰型。

4.2 堰顶高程选择

闸址河床宽度相对较窄，而船闸布置致使行洪断面面积比天然情况缩窄了约23%;考虑到本工程水库区淹没量较大，移民搬迁安置难度较大，为此，在河床宽度受限制的情况下，泄洪时尽量降低20 a一遇洪水水库水位，减少水库的淹没范围及投资，需尽可能的降低堰顶高程，但当堰顶高程降到河床以下时，泄洪有效断面基本上不变化，泄洪闸的泄流能力基本不变，因此，泄洪闸堰顶高程尽量选择在河床高程附近。

结合该河段地形情况，闸址下游6 km范围内河床地形的行洪控制断面最底高程约为298 m，因此，龙溪口工程泄水建筑物堰顶高程选择为298.00 m。

4.3 前缘净宽选择

闸址处20 a一遇洪水天然水位314.07 m，对应的有效过流面积约为7 200 m2，建闸后船闸占用河道相应的过流面积约为1 650 m2，建闸后水位若需维持天然水位，泄水建筑物前缘净宽约需450 m，经枢纽布置，整个厂房及2/3的泄水建筑物需布置于左岸岸坡内，其枢纽区左岸上、下游开挖范围较大，对新民镇的影响也大，同时，发电厂房的引水流量较大，偏离主河床较远，易改变主河床，对通航不利，因此，从地形地质条件及经济、可行的角度来考虑，泄水建筑物前缘净宽布置在360 m较为合理。

4.4 孔口尺寸选择

泄水建筑物前缘净宽为360 m时，20 a一遇洪水库水位为315.14 m，过流面积为5 785 m2，比天然状况下差了近1 415 m2的过流面积，要保证建闸前后20 a一遇洪水水位尽量接近及枢纽布置合理，需加大单孔宽度，减少闸墩个数。

根据目前国内闸门金属结构的制造加工、吊装及运行受力水平，在19 m的水头作用下，弧形闸门宽度可做到20 m，平门宽度可做到16 m。但布置弧形工作闸门，泄水建筑物闸室顺水流向长度增加了约25 m，导致土石方开挖、混凝土、钢筋等工程量增加。因此，本工程泄水建筑物工作闸门为平板门，孔口尺寸15.0m×19.0m(宽×高)，共24孔。

4.5 水力学计算及模型试验

4.5.1 水力学理论计算

根据《水闸设计规范》(SL265—2001)，泄水建筑物为开敞式，泄流能力按有坎宽顶堰堰流公式计算，即:

计算成果见表1。

在低水头泄水建筑物水力学计算中，河道落差很小，行近流速水头虽不大，但相对比重不小，因此要利用好这宝贵的行近流速水头;对本工程按计入行近流速水头和不计行近流速水头分别对泄水建筑物前缘总净宽进行计算，计算分析可知行近流速水头对闸孔总净宽的影响很大，大流量时，影响更甚，本工程不计行近流速水头比计入行近流速水头所需前缘总净宽约多60 m。

表1 各工况水位—泄量表(闸门全开情况)

4.5.2 模型试验

为验证枢纽泄流能力，进行了龙溪口航电工程的水工枢纽整体和泄洪闸单体模型试验，对枢纽泄洪能力进行了验证。试验结果均表明，泄水建筑物泄流能力满足设计要求，设计规模合理。泄水建筑物泄流能力理论计算与模型试验泄流能力比较见表2。

表2 理论计算值与模型试验值比较表

4.6 结构设计

泄水建筑物堰面型式为宽顶堰，堰顶高程298.00 m，泄水建筑物为24孔，孔口尺寸15.0m×19.0m(宽×高)，泄洪净宽为360 m，为开敞式宽顶堰。每孔设一道工作平板闸门，用固定式钢筋混凝土排架启闭;泄洪闸24孔共用3套检修闸门，每套检修闸门分为上游检修闸门、下游检修闸门，上游检修闸门孔口尺寸为15.0m×19.0m(宽×高)，下游检修闸门孔口尺寸为15.0m×7.50m(宽×高)。泄水建筑物闸段长468 m，闸顶高程324.50 m，最大闸高43.0 m;根据施工导流需要，左边墩及右侧第五个中墩兼作施工导流墙，宽度为8.00 m，其余中墩及边墩厚度4.0 m;闸底板最小厚度为7.0 m，闸室顺水流方向长度40.0 m。

5 结语

龙溪口工程开发任务以航运为主、结合发电，促进地方社会经济发展;工程特点为河道相对狭窄、洪峰流量大、通航对过闸水流条件要求高、枢纽布置矛盾突出、水库淹没大、移民搬迁安置难度大、投资大，为此，泄水建筑物布置从建筑物泄流能力、枢纽建筑物布置制约、通航水流条件、行洪归槽、及水库库区淹没影响等几个因素进行了计算、分析，并经水工水工枢纽整体和泄水建筑物单体模型试验验证，保证枢纽工程布置合理、经济、可行。

［1］水利部.SL265—2001水闸设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

［2］陈宝华，张世儒.取水输水建筑物丛书水闸［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.