江邊水電站進水口設(shè)計

高 悅，柳成熙

（中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014）

1 概述

江邊水電站位于四川省甘孜藏族自治州東南部九龍縣，是九龍河干流“一庫五級”開發(fā)方案中的最末一級水電站。電站總裝機330 MW，共裝3臺混流式發(fā)電機組。電站采用引水式布置形式，工程樞紐由首部低閘、引水系統(tǒng)以及尾部地下廠房三大部分組成，首部閘壩高27.5 m，引水隧洞長約8.5 km，為一低閘、長隧洞、高水頭引水式電站。工程等級為二等大（2）型。

電站進水口位于九龍河流域，進水口區(qū)域懸移質(zhì)泥沙多年平均輸沙量為197萬t，推移質(zhì)泥沙輸沙量為16.7萬t，多年平均輸沙總量為213.7萬t，為多泥沙河流。

2 進水口設(shè)計位置選擇

2.1 選擇基本原則

選擇需要考慮的因素主要有：

①進水口布置需滿足樞紐總體布置功能；

②宜選擇穩(wěn)定河段，并靠近河流主槽布置；

③滿足取水防沙要求，確?！伴T前清”。

2.2 地形地質(zhì)條件

閘壩左岸地形相對右岸地形地面自然坡度較陡，且河流主槽位于左岸。經(jīng)現(xiàn)場勘查，左岸地形1 800 m高程以上為陡崖，坡度60°~65°，坡高約90 m；1 800 m高程以下，地形坡度稍緩，以30°~40°為主，坡高約 18 m。

據(jù)地質(zhì)鉆孔ZK13，ZK32揭露，陡崖外側(cè)1 800 m高程以下岸坡基巖面坡度較陡，約40°~65°，覆蓋層厚度變化較大，厚度10~50 m，進水口地基地質(zhì)特性如下：

1）覆蓋層為河床沖洪積（Qa4l+pl）漂（塊）卵（碎）石層，厚度13.5~24 m，層底高程1 753~1 757 m，以漂塊卵碎石為主，充填砂礫，局部含塊石較大。承載力特征值fk=550~600 kPa，變形模量E0=30~35 MPa，滲透系數(shù) K=5~8×10-2cm/s，允許坡降 J=0.1~0.15。

2）基巖為黑云母石英片巖，風化淺薄。據(jù)ZK13及ZK32孔揭露，1 800m高程以下部位，弱風化巖厚1~5 m，以下為微風化巖，RQD=80%~96%，巖體較完整~完整。據(jù)PD2平硐及ZK16孔揭露，1 800 m高程以上部位，陡崖由弱~微風化組成，屬較完整~完整巖體，局部因斷層f1及f2通過，巖體完整性差。另據(jù)PD2平硐揭露，陡崖弱卸荷帶水平埋深約8 m，多表現(xiàn)為卸荷節(jié)理及裂隙，面多微張，鐵錳質(zhì)渲染，局部夾巖屑。

從地形地質(zhì)條件，左岸具備布置進水口條件。

（2）打造精英型組織或團隊，由其專門負責構(gòu)建和完善我國航空用金屬材料標準和標準體系。一個優(yōu)秀的組織或團隊是所有體系運行的基石。要汲取國外已經(jīng)成熟的航空用金屬材料標準和標準體系運用及管理模式的精髓，結(jié)合我國實際情況，由專業(yè)組織或團隊對我國航空用金屬材料標準體系進行實時跟蹤、不斷更新和持續(xù)維護，確保技術(shù)領(lǐng)先、科學管理。

2.3 進水口防沙設(shè)計

由于九龍河為多泥沙河流，因此，在進水口布置過程中對該河段的水文泥沙情況展開了細致的調(diào)查研究，經(jīng)對水文泥沙資料分析認為進水口布置需解決取水防沙問題。通常的防止泥沙淤積的處理措施主要有3種：①設(shè)置攔沙坎；②進水口底板高程高于電站使用期泥沙淤積高程之上一定安全距離；③采用進水口與沖沙泄洪建筑物結(jié)合布置形式，即“正向沖沙，側(cè)向取水”。鑒于江邊電站為日調(diào)節(jié)水庫，為了增大水庫運行期的有效庫容，減少泥沙淤積對庫容的影響，簡單的攔沙無法解決泥沙影響，防沙的主導原則以排為主，因此，首部樞紐閘壩設(shè)置了沖沙閘，進水口的泥沙淤積防治與沖沙閘結(jié)合，即防沙措施主要采用上述第③種措施，同時又組合采用了第①種過程措施即在進水口前緣設(shè)置了攔沙坎。

2.4 位置選擇

綜合首部樞紐地形地質(zhì)條件、沖沙閘布置及取水防沙要求，進水口布置在靠近閘址左岸壩頭上游位置，與沖沙閘結(jié)合布置。進水口平面位置布置見圖1。

3 進水口結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)上述布置原則以及地形地質(zhì)條件、取水防沙功能需要，選擇岸塔式進水口布置形式，進水口布置于左岸，進水口前緣緊鄰沖沙閘，進水口軸線與壩軸線成15°夾角，形成“正向泄洪沖沙，側(cè)向取水”的布置形式。整個進水口建筑物主要分為進水口前部擋沙坎、攔污柵段、事故閘門室段，總長41.5 m，寬由最前緣26.5 m逐漸收縮至閘室部位9.6 m，進水口建基面高程為1 772.50 m，進水口平臺高程為1 799.50 m，塔體高度27 m。擋沙坎設(shè)在進水口前5 m處，坎頂高程1 783.00 m，攔污柵段底板高程為1 780.00 m，為滿足進水口滿足淹沒深度要求，攔污柵段后的喇叭口進口段閘門室段底板高程1 774.50 m，兩者之間用1∶3斜坡過渡。攔污柵孔口尺寸為10.00 m×9.00 m（寬×高），為2孔。事故閘門孔口尺寸為5.6 m×7.2 m。攔污柵設(shè)置2柵工作柵1扇備用柵，同時工作柵前設(shè)置了清污耙機，啟閉采用雙向門機。事故閘門采用固定卷揚啟閉，啟閉機室設(shè)置在事故閘門井頂部，由排架柱及啟閉機室組成。因進水口基礎(chǔ)分別位于覆蓋層和巖基上，在兩種地層分界處設(shè)置沉降縫。進水口縱剖面見圖2。

4 水工模型試驗

為了驗證進水口與沖沙閘布置形式的防沙效果，進行了進水口整體水工模型試驗，模型比尺為1∶50。模型試驗結(jié)果表明，每年汛期6—9月份限制運行水位在1 789.0 m，此時當流量大于400 m3/s，全閘敞泄排沙，通過排沙運行，進水口前水庫於沙高程控制在1 781.0m，低于進水口攔沙坎高程1 783.00 m，驗證了進水口布置能夠滿足要求。通過模型試驗研究，增設(shè)了進水口弧形導流墻、束水墻等結(jié)構(gòu)措施，進一步提高了排沙效果。模型試驗結(jié)果同時表明，在各級流量與不同運行水位下電站取水口進流流態(tài)良好，沒有產(chǎn)生側(cè)收縮與漩渦，進水口進流較均勻，各種運行工況下流道比界于1～1.15之間。

5 進水口穩(wěn)定分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 抗滑穩(wěn)定

進水口緊靠后側(cè)洞臉巖石邊坡布置，巖石邊坡穩(wěn)定，進水口整體為空腔結(jié)構(gòu)，運行期塔內(nèi)部水體與庫水可保持平壓狀態(tài)，因此不存在使進水口整體沿基礎(chǔ)抗滑失穩(wěn)的荷載條件。對于深層抗滑穩(wěn)定，現(xiàn)場開挖揭露的地質(zhì)條件表明，不存在對塔體穩(wěn)定不利的深層滑動面，即深層抗滑穩(wěn)定也滿足要求。因此，進水口整體抗滑穩(wěn)定滿足設(shè)計要求。

5.2 抗傾覆穩(wěn)定

進水口塔體抗傾覆穩(wěn)定按下式計算：

式中：K0——抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MS——建基面上穩(wěn)定力矩總和；∑M0——建基面上傾覆力矩總和。

計算荷載包括：自重、靜水壓力、揚壓力。計算工況分別為完建工況和正常蓄水位工況。

經(jīng)計算，正常蓄水位工況為控制工況，相應(yīng)的抗傾覆安全系數(shù)為K0＝3.47＞1.35，抗傾覆穩(wěn)定滿足要求。

5.3結(jié)構(gòu)計算

進水口結(jié)構(gòu)計算采用三維有限元計算軟件ANSYS進行計算。計算荷載主要考慮：①進水口結(jié)構(gòu)自重（結(jié)構(gòu)重量及永久設(shè)備重）；②靜水壓力；③頂部活荷載；④風壓力；⑤浪壓力；⑥揚壓力；⑦地震慣性力；⑧地震動水壓力。其中④風壓力和⑤浪壓力較小，忽略不計。⑦、⑧為動荷載，按擬靜力法計算。

計算工況及荷載組合如表1所示。

表 1計算工況及荷載組合

按照1∶1實體比例建立有限元模型。有限元模型采用代號為solid 186的20節(jié)點二次六面體單元組成，接觸單元采用conta174劃分，接觸面單元采用targe 170單元劃分。在進水口主體混凝土結(jié)構(gòu)與漂（塊）卵（碎）石層、基巖、C15混凝土墊層之間均采用接觸對單元模擬，接觸單元的工作特性為綁定，即接觸面可以傳遞應(yīng)力和位移，且兩者不會脫開。進水口結(jié)構(gòu)和基巖的材料不同，采用接觸單元可以避免網(wǎng)格劃分時出現(xiàn)不同材料共用一個節(jié)點而造成在交接面上單元等值劃分所引起的計算誤差。計算參數(shù)見表2。

幾何模型由46 421個solid 186單元，2 125個接觸對構(gòu)成，總節(jié)點數(shù)193 586個。

表2 計算基本參數(shù)

有限元分析計算結(jié)果見表3。

表3 進水口主體結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)應(yīng)力計算成果 MPa

基礎(chǔ)沉降計算成果見表4。

表4 進水口基礎(chǔ)沉降計算成果表

根據(jù)計算結(jié)果分析，表明：

1）主體結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力值基本小于混凝土抗拉、抗壓強度設(shè)計值。

2）僅攔污柵軌道梁端部出現(xiàn)拉應(yīng)力值較大現(xiàn)象，實際通過采取增大結(jié)構(gòu)斷面和加強配筋措施來降低應(yīng)力水平。

3）覆蓋層基礎(chǔ)壓應(yīng)力水平在0.18～0.58 MPa之間，實際漂（塊）卵（碎）石層地基承載力為550～600 kPa，地基承載力滿足要求。

4）位移計算表明覆蓋層上進水口整體結(jié)構(gòu)與巖基上進水口整體結(jié)構(gòu)沉降差在4.22～7.33 cm，塔體沉降縫位置處上下游側(cè)最大沉降差為4.07 cm，沉降縫位置處沉降滿足SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》中最大沉降差不宜超過5 cm的要求。

6 結(jié)語

進水口設(shè)計應(yīng)結(jié)合河流具體特性，充分考慮泥沙、地形地質(zhì)條件、與周邊建筑物關(guān)系等多方面因素。江邊水電站進水口在取水防沙、適應(yīng)地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)體型功能以及水力學條件等方面均較好地適應(yīng)了工程布置需要。進水口已于2010年3月投入運行，目前運行情況良好。

［1］楊欣先，李彥碩.水電站進水口設(shè)計［M］.大連：大連理工大學出版社.

［2］DL/T5398-2007,水電站進水口設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］四川省九龍河江邊水電站可行性研究報告工程地質(zhì)篇［R］.中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，2006.

［4］四川省九龍河江邊水電站可行性研究首部樞紐水工泥沙模型試驗研究專題報告［R］.四川大學、華東勘測設(shè)計研究院，2006.