黄登水电站拉关河弃渣场排水工程设计综述

黄登水电站拉关河弃渣场排水工程设计综述

孙碧飞钱斌天

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司昆明650051）

摘要：黄登水电站拉关河弃渣场位于坝址左岸上游约10km的拉关河冲沟内，规划堆渣容量500×104m3，主要堆置大格拉石料场及及部分道路开挖弃渣。渣场截排水设施为：混凝土挡水坝、排水洞、泄槽段和消力池等。目前渣场的截排水措施已经完建，正在进行弃渣。本文仅对拉关河弃渣场的排水工程设计进行简要介绍，作为其它类似项目设计的借鉴和参考。

关键词：黄登水电站；拉关河；弃渣场；截排水；水力计算

ThesummaryofthedrainageengineeringdesignofLaGuanriverdumpingsitesforHuangDenghydropowerproject

SunBifeiQianBintian

（PowerchinaKunmingEngineeringCorporationLimitedKunming650051）

Abstract:TheLaGuanriverdumpingsitesislocatedintheLaGuanriveroftheleftbankdamsiteabout10kmupstream.Theplanningcapacityis500×104m3，mainpiletheexcavationwasteslagofthestonefieldandapartofroad.Thedrainagefacilitiesofdumpingsitesisconcretedam,drainagehole,channelsectionanddissipationpoolEtc.Atpresent,thedrainagemeasuresofdumpingsiteshavebeenbuilt,isbeingcarriedoutintheslag.ThisarticlemainelaborationthedrainagefacilitiesdesignofLaGuanriverslagfield,bythetimetoothersimilarprojectdesignforreferenceandinstructs.

Keywords:HuangDenghydropowerproject;LaGuanriver;slagfild;drainage;hydrauliccalculation

1引言

目前，水利水电工程和矿山工程等大型弃渣场的排水工程平缓段（底坡i＜3%）的排水设计方案相对比较成熟，但在某些特大型渣场（如西南地区高山峡谷中设置的沟道型弃渣场），多数位于沟道下游口，上游汇水面积较大，其排水工程的特点是：流量大、落差大、流速大，尤其排水渠泄槽段的水力学计算情况较为复杂，若设计不合理，则渣场排水功能失效，洪水溢出渠道后从渣场表面及下部渗流，从而导致渣场整体失稳，极易产生泥石流，对下游和周边环境造成极大的危害，如：2009年3月贵州南部持续暴雨后，某高速公路1#、3#弃渣场溜坍，危及蓄饮及农田的事故；2012年6月28日四川宁南县白鹤滩镇暴雨后，矮子沟泥石流造成的人员伤亡和财产损失的事故等。

2工程概况

2.1主体工程概况

黄登水电站位于云南省怒江州兰坪县营盘镇境内的澜沧江上游河段上，该梯级为澜沧江上游曲孜卡至苗尾河段规划八个梯级中的第六个梯级。上游为托巴水电站，下游为大华桥水电站。坝址距营盘镇公路里程约12km，距兰坪县城约67km，距昆明市约631km。

2.2渣场概况

黄登水电站共布置四个弃渣场（拉关河弃渣场、应和村弃渣场、罗松场河弃渣场及布纠河弃渣场）和一个存弃渣场（甸尾存弃渣场），拉关河弃渣场为其中一个弃渣场，位于坝址左岸上游约10km处；规划容量500×104m3，主要堆置大格拉石料场剥离料及弃渣、大格拉砂石系统开挖料及部分道路开挖弃渣；堆渣高程1760m～1920m，最大堆渣高度160m；每20m高差设5m宽的马道，堆渣坡比1:1.6。渣场截排水设施为：混凝土挡水坝、排水洞、泄槽段和消力池等。

3渣场排水工程措施设计

3.1设计依据

水利水电工程弃渣场设计主要依据以下规程规范，参考类似工程经验，结合工程实际情况进行设计：

（1）《防洪标准》（GB50201-94）；

（2）《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）；

（3）《水电工程施工组织设计规范》（SD/L5397-2007）；

（4）《水电建设项目水土保持方案技术规范》（DL/T5419-2009）

（5）《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5397-2007）。

3.2设计标准

根据《水电建设项目水土保持方案技术规范》（DL/T5419-2009）和《防洪标准》（GB50201-94）的规定，作为确定截排水设施的防洪设计标准。参考同类已建工程实践，同时考虑安全经济兼顾的原则，最终确定排水洞及拦水坝防洪标准，见表1所示。

3.3排水工程措施设计

拦水坝采用C20混凝土重力坝，坝顶高程为1848m，最大坝高为26.5m，拦水坝上游侧坝坡为1:0.2，下游侧坝坡为1:0.55。拦水坝底部设1.5m厚C25钢筋混凝土基础。拦水坝上游右岸设置一条断面3.5m×4.5m（宽×高）的排水洞，排水洞进口底板高程为1840.0m，洞身全长为506.9m，纵坡为2.986%；泄水道断面尺寸为3.5m×4.5m（宽×高），长100.5m（水平距离，不含消力池段），纵坡坡比为1:1；消力池断面尺寸为35m×6m×8m（长×宽×高）。

拉关河弃渣场排水洞的布置详见图1～2。

图1拉关河弃渣场排水洞平面布置图

3.4水力计算

3.4.1拦水坝水力计算

拦水坝坝前水深计算公式采用宽顶堰堰流计算公式：

计算得：坝前水深H0=5.205m，由于排水洞进口底板高程为1840m，则坝前水位为1845.205m，考虑到拦水坝安全超高、波浪爬高，以及保证渣场有效堆渣容积等因素后，确定拦水坝坝顶高程为1848.00m。

图2拉关河弃渣场排水洞纵剖面图

3.4.2排水洞水力计算

（1）排水洞流态判别

为无压流；

为有压流；

计算得：为无压流；

（2）排水洞临界水深

计算得：hk1＝3.988m。

（3）排水洞临界底坡

计算得ik＝0.682%。ik<i=3%，排水洞底坡为陡坡。

（4）排水洞均匀流正常水深

计算得h0＝2.377m。h0<hk，排水洞水面线为陡坡S2型降水曲线。

（5）排水洞水面曲线计算

由上游控制水深推算下游水面线，假设上游控制水深为h1＝hk＝3.988m，计算由临界水深～正常水深的流程长度。

3.4.3泄水道水力计算

（1）纵横断面设计

排水洞与下游泄水道连接段采用抛物线连接，泄水道主槽段结合实际地形条件，开挖纵坡坡比1:1，沿程段底板设1m×1m（宽×高）跌坎，横断面采用梯形断面，底宽3.5m，泄槽两侧边坡坡比1:0.5。

（2）泄水道起点连接段体型

排水洞与下游泄水道连接段，底坡由缓变陡，为避免水流产生负压对底板的破坏，连接段采用抛物线连接，根据《溢洪道设计规范》，抛物线方程如下：

计算得抛物线方程为：。

（3）泄水道抛物线段水面线计算

泄水道抛物线段起点水面线深度以排水洞正常水深控制，抛物线段水面线采用能量公式进行计算，由于抛物线段长度小且为渐变段，计算时忽略局部水头损失，公式如下：

计算得：泄水道抛物线段末端（排0+530.762m）水面线深度hxe=1.24m。

（4）泄水道抛物线段末端掺气判别

泄槽高速水流采用斯理斯基公式进行空化特性分析及掺气状态判别，利用斯理斯基判别公式：

计算得B<0，泄水道抛物线段末端未进行掺气。

（5）泄水道直线段水流流态判别

泄水道直线段，设连续型跌坎，跌坎高度a=1m，宽度b=1m，坡度ix=100%，为陡坡。泄水道临界水深hk由下式计算得。

计算得：hkx=3.37m

水流流态判别采用Yasuda公式进行判别，公式如下：

计算得hkx1=0.86m，由于hkx=3.37m>hkx1，泄水道水流为滑行水流。

3.4.4消力池水力计算

泄水道下游出口水流流速较高，为防止高速水流对下游冲沟冲刷危及下游桥梁安全，因此在泄水道出口设消力池进行消能处理。消力池池深、池长采用水跃方程并考虑一定的安全裕度计算而得。

（1）消力池池深S计算

跃后水深采用由水跃方程计算，公式如下：

计算得：跃后水深hc=6.87m，池深S=7.87m，取S=8m。

（2）消力池池长Ls计算

消力池长度按如下公式进行计算：

计算得：Ls=29.92m，为满足消力池出口泄水要求，并考虑一定的安全裕度等，消力池池长取Ls=35m。

结语

（1）弃渣场的排水工程建筑物是与渣场边坡同等重要的建筑物，其设计和施工质量事关渣场的整体安全稳定，必须引起高度重视。若设计不合理，则渣场排水功能失效，洪水溢出渠道后从渣场表面及下部渗流，从而导致渣场整体失稳，极易产生泥石流，对下游和周边环境造成极大的危害。

（2）弃渣场拦水坝、排水洞和消力池的水力学计算采用常规方法即可；泄槽段的水力学计算目前没有专门的规范明确提出一套完整、系统的计算方法，部分计算理论方法相对不够完善（如昌桑水力学计算中没有明确台阶式泄槽段的糙率计算、水面线推求等）。本文参照了台阶式溢洪道设计的相关文献资料，并结合已实施完建的项目进行概述，所提出的水力学计算方法仅供其它类似项目借鉴和参考；可通过计算、实验、统计、工程类比等，选择合适的计算方法。

（3）目前拉关河弃渣场排水设施已于2012年10月底完建过流，经历3个雨季的过流考验（最大暴雨流量Q=45m3/s），排水设施运行完好；根据工程安全监测结果，渣场整体运行安全稳定。

参考文献：

[1]算手册，中国水利水电出版社，2006.6.

[2]电工程施工组织设计手册，中国水利水电出版社，1996.8.

[3]洞设计规范，中华人民共和国国家发展和改革委员会，2004.3.

[4]重力坝设计规范，中华人民共和国国家经济贸易委员会，2000.2.

作者简介

孙碧飞（1981-），男，云南通海人，高级工程师，学士，主要从事水利水电工程施工组织设计、水土保持设计工作．

钱斌天（1987-），男，甘肃张掖人，工程师，硕士，主要从事水土保持设计工作.