护坡不护底的消力塘工程实例应用

如果消力塘基岩完整，下游又有较深水垫时，不一定要村砌消力塘，只需对冲刷部位预挖、对断层进行处理、基岩锚固和两岸护坡等，其造价比衬砌消力塘低得多。国外已有一些工程采用不衬砌消力塘，虽然泄洪功率较小，但仍有借鉴意义。如土耳其的伯克坝（Berke Dam）和南非的卡其坝（Katse Dam）用加高二道坝形成不衬砌消力塘；巴西的图库鲁伊（Tueurui）溢洪道采用预挖冲坑。国内莲花水电站、水布垭水电站、糯扎渡水电站下游也采用了预挖不衬砌消力塘。

（1）伯克坝（Berke Dam）。位于土耳其中南部的杰伊汉（Ceyhan）河上的伯克坝，距阿达纳市120km，是一座混凝土双曲拱坝。水库库容4.27亿m3，水电站装机容量514.5MW，工程主要用于发电。坝址处河谷地形较窄，在河水位处宽约40m，河谷宽深比值为1.343。坝址位于三叠纪岩层上，主要为石灰岩，其间夹有软黏土和页岩土层。枢纽布置为混凝土双曲拱坝配合远坝区的地下厂房，主要建筑物包括：①混凝土双曲拱坝；②坝顶溢洪道和坝后消力池；③坝内2个底孔；④右岸2条泄洪隧洞；⑤右岸引水发电隧洞及地下厂房；⑥二道坝、补气洞。大坝为60°对数螺旋形混凝土双曲薄拱坝，最大坝高201m，坝顶长270m，坝顶厚4.6m，坝底厚29.9m，坝体厚高比为0.149。坝址处地形和地质条件十分适宜修建拱坝。整个坝体分成14个坝段，每个坝段宽20m，拱坝混凝土方量为73万m3。枢纽布置和大坝剖面如图4.18、图4.19所示。伯克坝上设置的泄洪建筑物：①坝上表孔溢洪道共4孔，设有7.5m×11.5m弧形闸门，可宣泄50年一遇洪水2000m3/s，为了防止冲刷下游河床，布置了二道坝形成不衬砌的消力塘消能，二道坝高47.5m；②右岸泄洪隧洞两条，上游段为圆形断面，直径12m，下游段为宽13m的城门洞形断面，进口设有10m×10m弧形闸门，尾端为挑流鼻坎，两条泄洪隧洞的最大泄量为5500m3/s；③坝内设有两个底孔，用于控制水位，在最高运行水位时可宣泄215m3/s。该工程于1992年开工，1996年建成。

图4.18　伯克坝横剖面图

图4.19　伯克坝枢纽布置图

1—大坝；2—右岸两条泄洪隧洞；3—左岸导流隧洞；4—右岸发电引水隧洞；5—上游围堰；6—下游围堰；7—二道坝；8—底孔；9—补气洞

（2）图库鲁伊水电站（Tucurui Hydropower Station）。位于巴西北部扎坎廷斯河上的图库鲁伊水电站，距贝伦市320km。大坝为土坝，最大坝高98m。水库总库容458亿m3，电站总装机容量796万k W，是巴西第二大水电站。工程以发电为主，兼有航运、渔业、灌溉等多种综合效益。工程于1974年开始施工准备，1975年11月主体工程开工，1984年第一台机组发电，1988年底完成装机400万k W，待上游建库提高径流调节能力和巴西北部用电量需求增长后，再扩大容量至796万k W。

工程主要建筑物包括土坝、溢洪道、厂房、通航建筑物等，图4.20为国库鲁伊水电站总体布置图。图库鲁伊坝挡水前沿总长7810m，由河槽斜心墙堆土石坝、右岸土坝、左岸Y形土坝三部分组成。河槽土坝长1310m，最大坝高98m，坝顶高程78m，上游坝坡1∶1.6，下游坝坡水上部分为1∶1.6，水下部分1∶1.5。大坝上游面在48.5m高程以上采用堆石护坡。右岸土坝坝长2611m，最大高度85m，上游坝坡1∶2.5。下游坝坡35m高程以下为1∶2.5，35～50m，50～65m，65～78m高程之间坝坡分别为1∶2.4、1∶2.2和1∶2。上游面采用堆石护坡，厚度1m左右，下游面植草皮护坡。左岸土坝与右岸土坝相似，全长2330m、最大坝高85m，另外在距河槽土坝8km处，修建了一条长3218m的副坝。

图库鲁伊溢洪道的规模是世界上最大的工程之一，其泄洪能力为10万m3/s。溢洪道采用开敞式，总长580m，最大坝高86m，堰顶高程52m，采用连续式鼻坎挑流消能，鼻坎高程30m，戽底高程24.682m，反弧半径35m，下游采用预挖冲坑（不衬砌水垫塘），并成功地渡过了11000m3/s的洪水。溢洪道上设23孔泄洪孔，每孔最大泄流量4250m3/s。

图4.20　图库鲁伊水电站平面布置图

—推力断层；2—河床堆石坝；3—右岸土坝；4—溢流坝段；5—一期厂房坝段；6—一期纵向堆石坝；7—尾水渠；8—二期厂房坝段；9—左岸Y形土坝；10—上级船闸；11—中间航渠(www.xing528.com)

（3）水布垭水电站。位于湖北省巴东县境内清江上的水布垭水电站，正常蓄水位400m，总库容45.8亿m3，有效库容23.83亿m3。电站装机容量为1600MW（最大出力1840MW），多年平均年发电量39.2亿k W·h。水布垭工程于2001年开始前期准备，2002年10月26日截流，施工总工期8年，计划于2008年底竣工。

水布垭水电站属Ⅰ等大（1）型水利水电工程，主要永久性建筑物为1级，次要为3级，平面布置如图4.21所示。大坝、溢洪道设计洪水标准为1000年一遇洪水，相应入库洪峰流量20200m3/s；校核洪水标准为10000年一遇洪水，相应入库洪峰流量24400m3/s。电站由混凝土面板堆石坝、溢洪道、放空洞、引水式地下电站等主要建筑物组成。枢纽布置如图4.21所示。混凝土面板堆石坝坝顶高程409m，坝顶宽度12m，坝顶长度660m，最大坝高233m，为目前世界最高的混凝土面板堆石坝。溢洪道位于左岸，由引水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游护岸防淘墙等组成。溢洪道引水渠全长890.32m，渠底宽度90m，渠道横断面为复式断面。控制段为混凝土重力坝，设5孔实用堰型表孔。泄槽段由坡度i=0.01的直线段上接溢流堰的反弧段，下接一抛物线曲线段，再接坡度为1∶1.2的陡槽，以阶梯式窄缝鼻坎挑流消能方式与下游河道水流衔接。下游消能防冲保护采用护岸不护底消力塘方案，两岸高程200m以下设置混凝土防淘墙，墙厚3～4m，墙底高程160～185m。在高程178m、186m、196m设置3排预应力锚索锚人两岸山体内。高程200m以上设混凝土护坡，坡顶高程230m。

图4.2 1　水布垭水电站枢纽平面布置图

（4）糯扎渡水电站工程。糯扎渡水电站为澜沧江中下游河段两库八级水电规划的第五级，坝址多年平均流量1730m3/s，如图4.22所示。枢纽工程由砾质土心墙堆石坝，左岸开敞式溢洪道，左、右岸泄洪隧洞，左岸地下引水发电系统及地面500k V开关站等建筑物组成。挡水建筑物为砾质土心墙堆石坝，最大坝高261.5m，正常蓄水位为812m，水库总库容237亿m3；电站装机容量为5850MW。

2004年2月开始筹建工作。预计工程将于2008年11月截流，2014年8月第一台机组发电，2017年6月工程竣工。

图4.22　糯扎渡水电站枢纽平面布置图（单位：m）

糯扎渡心墙堆石坝坝顶高程为821.5m。坝体基本剖面为中央直立心墙型式，糯扎渡电站左岸泄洪隧洞布置在坝与引水发电建筑物之间，由有压洞段、闸门井段、无压洞段和出口明槽及挑流鼻坎段组成。进口底板高程为710m，全长872m，断面为内径12m的圆形，工作闸门为2孔，孔口尺寸5m×8.5m，最大泄流量3191m3/s，其后段与5号导流隧洞结合，结合段长359m。右岸泄洪隧洞布置在坝体右岸山体内，由进口有压洞段、检修闸门井段、工作闸门井段、无压洞段及挑流鼻坎段组成。进口底板高程695m，平面转角600，全长1077m，断面为内径12m的圆形，工作闸门为2孔，孔口尺寸5m×8.5m，最大泄流量3023m3/s。开敞式溢洪道布置在左岸平台靠岸边侧部位，由引渠段、闸室段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段组成。溢洪道水平总长1445m，宽151.5m。进口底板高程775m，共设8个15m×20m（宽×高）表孔，每孔均设检修门和弧形工作闸门，溢流堰顶高程792m，堰高17m，为低堰，最大泄流量31318m3/s，采用挑流及消力塘消能，消力塘（消力塘）为护坡不护底的防护型式。

（5）莲花水电站。莲花水电站位于黑龙江省海林市境内，系牡丹江下游梯级电站之一，电站以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用效益，如图4.23所示。该水电站总库容41.8亿m3，有效库容27.2亿m3，电站装机容量550万MW，多年平均发电量7.97亿k W·h。坝址多年平均流量228m3/s，实测最大流量7920m3/s。设计洪水流量（0.2%）17500m3/s，校核洪水流量（PMF）29800m3/s。

图4.23　莲花水电站枢纽布置图

电站属一等工程，枢纽由拦河坝（包括大坝和二坝）、溢洪道和引水发电系统等组成。大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高71.8m，坝顶高程225.8m，坝顶长度为902m，坝顶宽度8m，上、下游坝坡均为1∶1.4。溢洪道位于右岸低分水岭处，为开敞式岸坡溢洪道，由引水渠、溢流堰体、泄槽、挑流鼻坎及出水渠组成，总长650.5m。溢流堰顶高程205.6m，设7孔宽16m、高13.4m的弧形闸门，设计洪水位220.58m时下泄流量12210m3/s，校核洪水位225.41m时下泄流量为18570m3/s。泄槽由130m宽变至90m，泄槽侧墙为钢筋混凝土衬砌，设有掺气槽。挑流鼻坎半径50m，挑角30°。溢洪道出口距电厂尾水渠较远（约300m），溢洪道下游采用了预挖不衬砌消力塘。