水電工程的泄水設施
2013-09-30新聞來源：中國水電工程顧問集團公司
水電工程攔河築壩必然要渲泄多餘的洪水，衝掉攔載的泥沙，必要時還要降低甚至放空水庫，因此水電工程必須設置泄水建築物。經過多年的技術發展和大量的經驗積累，水電工程泄水建築物可以說花樣繁多、類型複雜。專業設計人員需根據不同的水文氣象條件、地形地質條件、水庫調蓄性能，及以不同的大壩型式和泄水功能要求，經技術經濟比較，選擇合適的泄水方式。水電工程泄水建築物是確保工程安全最重要的設施之一。
根據泄水建築物功能不同，一般可分為泄洪設施、衝沙設施以及降低庫水庫或放空水庫的放空設施，有時泄水建築物可集泄洪、衝沙、放空等多功能於一身，有的利用導流洞進行改建。根據泄水建築物在樞紐工程整體布局中的位置，泄水方式可分為壩身泄水、岸邊泄水及壩身與岸邊結合的組合泄水等三大類。重力壩和閘壩樞紐多采用壩身泄水方式；土石壩樞紐多采用岸邊泄水方式；拱壩樞紐多采用組合泄水方式。壩身泄水建築物可進一步分為壩頂表孔和壩身孔口。壩頂表孔可采用有閘門或無閘門控製的壩頂跌流，也可采用壩麵或廠頂或廠前溢流，還可采用壩肩滑雪道等形式。壩身孔口可設置成中孔、深孔或底孔。岸邊泄水建築物可進一步分為設置在壩肩或岸坡上的岸邊溢洪道，還可布置成堰流式進口或孔流式進口的泄水隧洞。
大量下泄水體攜帶巨大的能量，如何消能和抗衝磨，是風險防控的重點。隨著水電工程技術的進步和技術人員的潛心研究，逐漸形成了形式多樣的消能工形式。泄水建築物的消能方式大至可分為外部消能和洞內消能。外部消能又可分為挑流、底流和麵流等形式。挑流消能是指在泄水建築物末端設挑流鼻坎，使水流向下遊挑射，通過射流在空中的擴散、紊動和摻氣作用，消除部分能量，然後跌落到離鼻坎較遠的河槽中，在衝刷坑和一定的尾水深度所形成的水墊中消能。底流消能是一種在壩趾下遊設消力池，使水流在池內產生水躍，利用水躍進行消能的方式。麵流消能指在泄水建築物尾端設置戽鬥，使水流在戽鬥內產生強迫旋滾，出戽水流形成一個湧浪並伴隨一個底旋滾和一個下遊表麵旋滾而消能。洞內消能主要有旋流豎井消能、水平旋流消能以及洞內混凝土塞或孔板消能。抗衝磨材料有高標號混凝土、抗衝磨混凝土、鋼板、複合材料等。應該說不同的消能方式和抗衝磨材料各有優缺點，一般情況下均通過技術經濟比較、科研試驗等綜合論證確定。
同時，泄水建築物設計還要考慮對下遊河道的衝刷，要防止消能後的水流沿河道兩岸產生危害性衝刷，必要時采用貼坡牆、防衝牆等防衝措施。要防止空中消能中引起的水霧對岸坡的衝刷，必要時采取坡麵加固、噴護和排水等防護措施。施工中還要采取適當的方式和措施確保工程質量。
三峽綜合樞紐、龍灘水電站樞紐是典型的重力壩壩身泄水布置；二灘、小灣水電站樞紐是典型的壩身與岸邊相結合的組合泄水布置；小浪底水利樞紐、糯紮渡水電站樞紐是典型的岸邊泄水布置。大壩建成後隨著水庫逐漸蓄水，庫水位會逐漸壅高，大壩越高、上下遊水位差越大，勢能越高。當大壩泄洪時，大量的洪水從大壩壩身或岸邊通過，形成了壯觀的場麵。下圖即為三峽水電站泄洪的場景。
上世紀50年代以來，我國水電科技工作者針對高速水流問題、摻氣減蝕方法和抗衝耐磨材料等方麵進行了係統、深入的研究，取得了豐碩的成果並應用於工程實踐，在高水頭大流量泄洪消能技術方麵達到了世界先進水平。我國已建泄量最大的是葛洲壩樞紐工程，最大泄量達11萬立方米/秒，泄洪功率最大的是三峽工程，泄洪功率約98吉瓦，其泄洪流量和功率均是世界上最大的。
近年，水電工程泄水設計理念在不斷更新、技術在不斷發展。隨技術的發展，從工程安全、方便建設、運行舒適等方麵考慮，廠頂或廠前溢流以及壩肩滑雪道等布置形式已很少采用。單純的麵流消能方式也很少采用，取而代之的是溢流麵混合消能方式，如消力戽和短消力池相結合的型式。泄水建築物的設計也更注重與環境的友好融合，采取了防止水土流失、環境綠化等環境保護措施。
大型水電工程在前期論證和施工實施中均針對泄水建築物開展大量的計算分析、試驗驗證和施工措施，確保泄水建築物安全可靠。因為泄水建築物設計或施工不當引起的工程安全問題已很少出現。目前，泄水建築物設計還進一步向風險分析和全壽命周期管理方向發展。
（水電顧問集團 鄭林平/供稿）
