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1.簡述

高壩洲水利樞紐壩址為寬緩的丘陵谷，河床高程42.0m，河谷橫斷面枯水期寬120.0m，洪水期寬350.0m，橫斷面上寬大于高，這種地形有利于分期導流。壩址出露的基巖為寒武系中統的白云巖、砂巖互層，巖層走向280~290。，與壩線交角34~40。，傾向SW（傾向上游偏右岸），傾角一般30~35。，陡者可達40。。

壩址控制流域面積15650Km2，占清江流域的92%，多年平均流量436m3/s，多年平均徑

流量138億m3。根據《水利水電工程等級劃分及設計標準》，本樞紐工程為大（2）型水電工程，等別為二等，相應泄水建筑物為二級建筑物，消能工為三級建筑物。二級建筑物設計洪水重現期100年，入庫洪峰流量為17240m3/s，校核洪水重現期1000年，入庫洪峰流量24070m3/s。三級建筑物設計洪水重現期50年。

樞紐工程距清江口僅12Km，壩址水位受長江水位頂托的影響較大，因此，壩址水位流量關系是以河口水位為參數的H~Q曲線簇。考慮下游航道整治與洪水的沖切影響，以河口水位為參數推求出H~Q曲線簇，作為同級流量的“下限水位”；以天然河床H~Q曲線簇的最高水位作為同級流量的“上限水位”；當泄量大于10000m3/s時，長江水位頂托的影響不明顯，H~Q曲線近于單一線。

2.泄洪消能設計特點

(1)高壩洲河谷較寬，樞紐主要建筑物均布置于河床，應盡量使建筑物少向岸邊擴展以節省工程量，因此溢流前緣宜短勿長；

(2)清江洪水陡漲陡落，峰高量大，泄水建筑物必須有足夠的泄流能力和超泄能力，故泄水建筑物應考慮以堰流為主；

(3)泄水建筑物布置須考慮臨時與永久相結合，滿足二期導流和初期發電的要求。當庫水位為62.0m時，泄流能力不小于3000m3/s，同時閘門能控制運用，以維持發電水位。另外，泄洪建筑物調度運用須滿足2000m3/s流量以下的安全通航要求；

(4)消能工的特點是單寬大、佛氏數低，下游水位變幅大，設計中應很好地解決此類的消能問題。

3.泄洪消能建筑物布置

經多方案比較論證，泄洪布置采用“堰孔結合，以堰為主”的布置型式。即在一期工程中布置3個泄洪深孔，兼作導流之用，在二期工程布置6個表孔，作為主要的泄洪設施。

3.1泄洪深孔設計

泄洪深孔布置在縱向圍堰壩段與廠房之間的三個深孔壩段，前緣總長54.00m，采取墩中分縫，除1#孔左墩為8.0m外，其余閘墩厚均為3.80m。

深孔體型采用有壓短管型式，有壓段出口尺寸為9.0×9.4m，有壓段長14.30m。進口底坎高程為45.0m，底緣曲線為近1/4圓弧，頂緣曲線為的一部分，進口側面為斜橢圓柱面，其水平截面為1/4橢圓曲線，方程為；有壓段后為明流泄槽，泄槽底部采用二次拋物線Y=0.007X2，泄槽出口兩側閘墩53.0m高程以下采用擴散出口，擴散園弧半徑為41.10m，擴散順流向長度為5.72m，由此閘墩厚度由3.80m變至3.40m。在有壓段設有兩道胸墻，其間設事故檢修門槽，事故檢修門由壩頂門機啟閉。有壓末端設弧形工作門，由布置在下游側71.00m高程平臺的固定卷揚機操作。

3.2泄洪表孔設計

六個表孔跨13#—19#壩段的橫縫布置，溢流前緣長度116.50m，孔口尺寸14.00×18.00m（寬×高）；中墩厚4.20m，13#壩段邊墩厚4.50m，19#壩段邊墩厚7.00～4.00m。表孔泄槽由直段和寬尾墩側邊構成的收縮段組成，其中直段水平投影長度為23.80m，收縮段位于閘墩尾部，由閘墩逐漸展寬形成，長度為9.0m，收縮比β=0.5。出口立面高程53.94m以下孔寬為7.0m，高程53.94m至67.00m孔寬由7.0m變至14.00m，由此形成“Y”型出口。

表孔溢流堰堰頂高程為62.00m，堰頂距堰頭4.80m。堰頂上游面為1/4橢圓，橢圓方程（以堰頂0點為原點建立的坐標系），堰頭與上游壩面齊平。堰頂下游面由WES堰面曲面、斜面及反弧段組成。WES型堰面曲線方程為Y=0.0415X1.85,斜面坡度為1：0.75，反弧段半徑R=16.00m，中心角為39.5384°。表孔設平板事故檢修閘門和弧形工作門，平板事故檢修閘門由壩頂2×1600KN門機啟閉，弧形工作門支鉸中心線高程70.00m，弧形工作門由布置在閘墩頂部的液壓啟閉機操作。

4.消能工設計

根據高壩洲樞紐水頭低、單寬大這一水力特性，施工詳圖階段之前曾對消能型式進行了多方案比較。挑流消能因挑距近，不適宜于本工程；底流消能對流量和水頭的適應范圍較大，是水利工程中較為常用的消能措施，但對池長、池底高程有較嚴的要求，因而工程量大；戽式消能特別是寬尾墩加戽式池乃近年發展的新型消能工，對低佛氏數水流的消能效果甚好，相對于底流消能，可以減少消能工工程量。經比較，本工程選擇戽式池為消能建筑物。

4.1水力學設計

在泄洪布置和消能型式基本確定后，計算各級流量下戽流、底流的第二共扼水深（或臨界水深），與相應的下游水位進行比較，以選擇合理的消能型式和消力池尺寸、體型等，再通過水工模型試驗驗證或修改。表孔用公式一和公式二進行計算，深孔利用公式二和底流消能公式計算。

公式一——郭子中公式

h1=E[1-2cos(60。+)]

arcos(1-13.5)

η==-0.4+1.3639Fr

公式二——王世夏等人公式h1=0.71EK0.9h2=1.4Frh1

式中a——尾坎高度；h1——第一共扼水深，h2——第二共扼水深；K——流能比，K=；ψ——系數，ψ=1.1K

表孔、深孔的水力計算結果分別列于表1、表2。計算結果表明，表孔消能工用兩種公式進行計算，均能滿足穩定戽流時σ=1.1的要求；深孔用底流公式和戽流公式進行計算，淹沒度σ差值在1～3.4%范圍，流量越小，σ值越低，特別是在下游水位為“下限水位”時，消力池設計工況下淹沒度小于1.0，池長、池底高程略顯不足。經在模型上進行論證，與計算結果基本吻合：表孔戽式池對下游水位的適應性較好，各級流量情況下池內均能產生穩定的淹沒水躍，躍尾在池內；深孔戽式池對下游水位較敏感，一般情況下，水躍位于池內，但當Q=1500~2000m3/s，而下游出現“極限低水位”時，戽式池長度略顯不足。由于清江漲水而長江不漲水的可能性幾乎不存在，再者下游水位可通過發電來調節，因此，出現此種極端的情況完全可以避免。

表1表孔戽式池水力計算

頻率樞紐總泄量表孔泄量表孔單寬流量上游水位下游水位公式一計算結果公式二計算結果

P%Q(m3/s)Qb(m3/s)q(m3/s-m)Zu(m)Zd(m)h1(m)h2(m)σh1(m)h2(m)σ

0.10%2267016620143.382.959.15/57.819.122.631.11/1.055.6823.321.08/1.02

1%168101108095.578.556.7/55.466.818.791.21/1.144.0819.591.16/1.10

2%15660995085.87856.05/54.236.317.931.23/1.133.7118.761.18/1.08

表2深孔戽式池水力計算

頻率

樞紐總泄量

深孔泄量

深孔單寬流量

上游水位

下游水位

戽流消能計算結果

公式二計算結果

P%Q(m3/s)Qs(m3/s)q(m3/s-m)Zu(m)Zd(m)h1(m)h2(m)σh1(m)h2(m)σ

0.10%226705600112.082.959.15/57.817.5721.771.16/1.104.5521.541.17/1.11

1%168105280105.678.556.7/55.467.3321.131.07/1.024.4620.461.11/1.05

2%156605260105.27856.05/54.237.3221.081.05/0.964.4620.361.08/0.99

4.2消能工結構設計

消能工結構型式比較了封閉抽排和錨固自排兩種方案。本工程因消力池面積與周長比偏小，封閉后消力池結構減少的工程量不足以補償基礎滲控工程量，此外封閉抽排方案要設置廊道和抽水系統，增加了施工難度和運行費用。錨固加自排的方案施工方便，運行簡單，當基巖較好時，錨樁的錨固效果有充分保證，并能取得較好的經濟效益。經比較采用錨固加自排的結構型式。

錨樁的布置按抗浮穩定計算而得，Kf≥1.1，通過現場試驗，深孔上峰尖組基巖內單樁（4φ36）錨固力取為60t，表孔黑石溝組基巖錨固力取為80t。錨樁間排距2～3m，樁長9.0m，進入基巖的錨固長度為7.0m。護坦基礎設由主、付排水溝形成的排水網，以降低護坦揚壓力，此項措施在設計中僅作為安全儲備。

5.泄洪消能建筑物設計優化

5.1深孔布置調整及消能型式優化

初步設計階段，深孔壩段前緣長度51.00m，消能工為戽式池。戽式池能產生戽流流態，呈現“兩滾一浪”，出戽后的涌浪降低，涌浪后的漩滾消失，但由于深孔屬大單寬流量、低佛氏數這一水力特性，使得消能效果不很理想，下游河床沖刷深度和下游水位波動值較大；另外，由于深孔兩側導墻在平面上均存在不對稱臺階形，且泄洪中心線左、右側過流斷面不均（左小右大），在戽池內形成回流，使深孔兩邊孔躍頭下移，尤以左側更甚。為解決上述問題，施工詳圖階段，隨著設計工作和水工模型試驗研究的不斷深入，對深孔的布置及消能工的體型作了修改和調整：

（1）深孔孔口尺寸不變，通過減少右邊墩及縫墩（中墩由兩縫墩組成）厚度0.2m（厚度由4.0m減至3.80m），即相應減少10#、11#壩段寬度各0.4m，將減少的寬度增加至9#壩段左墩，從而達到泄洪深孔整體右移的目的，此措施使深孔泄洪中心線右移0.6m；

（2）將廠房壩段減少3.0m，增加到深孔中心線以左的左邊墩上，再加上右邊墩及中墩減少的寬度，左邊墩厚度由4.0m增至8.0m，相應深孔壩段由總長的51.00m增至54.00m，相應廠閘導墻中心線左移2.04m，從而增加消力池左側的過流面積。

（3）在1#、3#深孔的出口直立邊墻與左、右導墻的正常斷面間設29.00m長的扭面過渡段，以使水流平順入池并減小回流。

（4）將坡度1：2.5、高度5.0m的連續式尾坎優化為雷伯克齒坎，高坎高度7.0m，低坎高度4.0m，上、下游均以1：2的坡度分別與消力池底板、護固段相接。

經對深孔壩段布置的調整和消能工的體型進行優化后在1/100水工模型上驗證，各種運用工況下，池內能夠產生穩定的水躍漩滾，躍頭前移，坎頂水面平穩，出池水流相對較均勻；消能效果充分，坎頂流速和不均勻系數降低，下游沖刷深度減小3.0～6.0m，下游水位波動值降低1.50m左右。

5.2表孔泄洪消能型式優化

在初步設計的基礎上，著重對寬尾墩加戽式池的消能型式進行了研究，對表孔泄洪消能設計作了如下優化：

(1)為減少泄槽內的單寬流量及擋水閘門高度，并結合取消上游碾壓混凝土圍堰，利用壩體臨時擋水發電的要求，將表孔壩頂高程由61.00m抬至62.00m，孔寬由13.00m抬至14.00m；

(2)將閘墩由平尾墩改成上“Y”口型寬尾墩，改善了收縮射流水流入池條件，堰上水流以收縮射流進入戽池，在池內產生穩定完整的三元戽躍漩滾，紊動強烈，消能率顯著提高。

(3)為減少消力池開挖，將池底高程由32.5m抬高至34.00m，尾坎高程也相應抬高1.5m；

(4)為改善水流出池流態，將池長由原來的40.87m增長至60.245m；

(5)將二期下游橫向圍堰42.00m高程以下予以保留，以此阻擋底部回流對縱向圍堰下縱段基礎的淘刷，取得了很好的效果。

表孔泄洪消能設計通過上述優化，既節約了工程量，又縮短了工期，為二期工程在一個枯水期內完成基礎開挖和壩體62.00m高程以下的混凝土澆筑創造了條件，從而使提前發電的計劃得以實施。同時，消能效果顯著提高，下游流態得到改善，表現為壩頂流速由12～13m/s降低至7.5～8.5m/s，垂線流速不均勻系數減小，下游河床的沖刷減弱，沖坑深度減少了3～8m。