海林市雙橋橡膠壩工程設(shè)計(jì)應(yīng)用及研究

柳美娜

【摘 要】文章概述了海林市雙橋電站渠首橡膠壩的工程設(shè)計(jì)，工程布置、運(yùn)行管理，為梯級(jí)電站開發(fā)，下一級(jí)電站渠首引水型式提供了一個(gè)范例。

【關(guān)鍵詞】電站；渠首橡膠壩；設(shè)計(jì)

0.工程簡介

雙橋水電站位于牡丹江一級(jí)支流三道河中下游，海林市三道鎮(zhèn)工農(nóng)村，壩址以上集水面積670平方公里，最大壩高23米，壩長481米，壩型為堆石壩，庫容為400萬立方米，電站裝機(jī)容量為6500千瓦，年發(fā)電量2680萬度，工程全部完成后預(yù)計(jì)總投資9800多萬元，是海林市在建和已建小水電項(xiàng)目中的最大一個(gè)。電站工程主要由攔河壩、引水隧洞、發(fā)電廠房和機(jī)電設(shè)備安裝及送出工程組成。

雙橋水電站為V等工程，主要建筑物為5級(jí)建筑物。10年一遇洪水設(shè)計(jì)，30年一遇洪水校核。設(shè)計(jì)洪水流量471m3/s，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位248.50m；校核洪水流量780m3/s，相應(yīng)校核洪水位249.10m。

雙橋水電站工程特點(diǎn)：電站引用流量有兩部分組成。一是由雙橋發(fā)電尾水流量直接進(jìn)入雙橋水電站引水隧洞中，流量為15m3/s；二是雙橋水電站大壩溢流堰的棄水，滲流以及大壩至雙橋水電站壩址間的區(qū)間流量，引用流量6.43m3/s，進(jìn)入雙橋電站隧洞的流量為21.43m3/s。

由于將區(qū)間的流量引入雙橋電站引水隧洞中，故需在雙橋引水隧洞進(jìn)口處建2.2m高的壩。

1.壩型比較

壩型比較考慮兩種壩型。一是橡膠壩；二是漿砌石溢流壩。由于兩個(gè)原因，選擇了橡膠壩。第一個(gè)原因，壩高僅2.2m，建橡膠壩是可行的。正常水位247.20m，因壩較低，沒有泥砂淤積的庫容，所以沖砂是建壩所要考慮的主要問題。橡膠壩可在洪水期將壩袋放空，恢復(fù)原河道行洪斷面，不改變原河床面貌，這樣就不存在洪水期在壩上游有淤砂的問題。如采用漿砌石溢流壩，因壩前水深較淺，很快被泥砂淤滿，多余的泥砂將被水帶入引水隧洞。經(jīng)計(jì)算泥砂淤積至堰頂247.2m高程約4年時(shí)間，如果在漿砌石壩上設(shè)沖砂閘，沖砂效果不理想，只能在壩前沖刷一個(gè)漏斗，來大洪水時(shí)能沖一個(gè)條帶狀泥砂。遠(yuǎn)離壩處的泥砂，因流速較小，沖不走泥砂，在沖砂效果上，橡膠壩明顯優(yōu)越于漿砌石溢流壩。第二個(gè)原因，修建漿砌石溢流壩，泄洪時(shí)，壩上游壅水，不淹地。因此不存在因建壩所產(chǎn)生的防洪問題，這是橡膠壩優(yōu)越于漿砌石溢流壩的第二個(gè)原因。橡膠壩本身比漿砌石溢流壩建設(shè)投資又少3.47萬元。在運(yùn)行上，橡膠壩優(yōu)越于漿砌石溢流壩，故選擇橡膠壩。兩壩型的工程量及投資比較見表一。

表一 橡膠壩與漿砌石溢流壩工程量及投資比較表

2.橡膠壩的設(shè)計(jì)與布置

2.1壩軸線的確定

橡膠壩壩軸線是根據(jù)雙橋水電站尾水暗渠軸線確定的。尾水暗渠在樁號(hào)0-088.22m轉(zhuǎn)20o角，轉(zhuǎn)變半徑R=25m。轉(zhuǎn)角后中心線與原尾水渠軸線交點(diǎn)為k3點(diǎn)，k3點(diǎn)坐標(biāo)：X=7166.4216，Y=8754.361。轉(zhuǎn)彎后的軸線垂直河道，該軸線即為雙橋電站的壩軸線，壩軸線方位角90o。壩長62.80m，右岸壩端樁號(hào)：0-066.30；左岸端樁號(hào)：0-003.50。

2.2橡膠壩布置

橡膠壩由右邊墻、左邊墻、壩體（含下游消力池、海漫）及右岸泵房組成。

橡膠壩的作用，一是擋水，形成水庫，水庫與壓力前池相通，作為前池的調(diào)節(jié)容積，二是橡膠壩抬高河水位至前池正常水位247.20m，該水位也是水庫正常水位。將區(qū)間6.43m3/s引用流量通過進(jìn)水池、前池引入雙橋水電站的引水隧洞中。

2.2.1橡膠壩壩高的確定

雙橋水電站正常水位是由雙橋水電站尾水暗渠在樁號(hào)0+586.20m，新樁號(hào)0-131.22m處，通過引用流量15m3/s時(shí)的水位確定的，水位為247.20m，雙橋電站水庫正常水位為247.20m，雙橋電站壩址處河高程245.00m，正常水位247.20m，則河底以上壩高為2.2m。橡膠壩的鋼筋砼底板即下部暗渠的頂板。暗渠為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，矩形斷面，暗渠凈寬4m，高3.5m，砼壁厚0.6m，由于橡膠壩砼底板需布置充水管路及錨固結(jié)構(gòu)等，要求底板厚為0.8m，因此，在橡膠壩范圍內(nèi)，暗渠頂板厚度由0.6m改為0.8m。包括砼壁厚，暗渠寬5.2m，高4.9m，規(guī)范要求橡膠壩底板高程高于河底0.2～0.4m，本設(shè)計(jì)橡膠壩底板高程高出河底0.2m，為245.20m，壩袋擋水高為2.0m，因橡膠壩與暗渠成正體布置，因此，橡膠壩高為6.9m，（含暗渠）。其中河底以上為2.2m，河底以下為4.7m，壩高6.9m。

2.2.2橡膠壩順?biāo)鞣较虻装彘L度

Ld=L+L1+L2+L3

式中：Ld—底板順流方向長度，m；

L—壩袋底墊片有效長度，m；

L1、L2—上、下游安裝、檢修通道，m；

L3—壩袋坍落貼地長度，m。

計(jì)算結(jié)果，Ld=6.82m。

2.2.3左、右邊墻高程確定

邊墻高度應(yīng)滿足壩袋錨固的布置要求，同時(shí)要求高于壩頂溢流時(shí)的水位，考慮以上的要求，邊墻高程248.50m，于原設(shè)計(jì)洪水位齊平。由于洪水時(shí)，壩袋放空，原河道行洪，故墻頂高程沒有按校核洪水位確定。

邊墻長度，右邊墻，壩軸線上游2.95m，下游9.22m，長12.17m。墻寬0.8m，鋼筋砼矩形結(jié)構(gòu)。墻底高程（暗渠以外部分）243.20m。下游側(cè)接8m長的漿砌石擋墻，墻體結(jié)構(gòu)，墻頂寬0.5m，前坡垂直，后坡1：0.6。左邊墻，鋼筋砼擋墻長12.17m，與右邊墻等長，寬2m，矩形砼結(jié)構(gòu)。在墻中部布置一Φ50cm放水鋼管，管壁厚5mm。放水管中心線高程245.70m。進(jìn)水口設(shè)一Z45T-2.5放水閥。砼邊墻上游側(cè)接5m長砼板護(hù)坡，板塊厚0.08m，長1m，寬0.5m，下部鋪0.2m厚的砂礫石墊層。護(hù)坡伸入岸坡5m。護(hù)坡底部設(shè)1×Σ2m的漿砌石固腳。護(hù)坡坡度1：1.5。砼邊墻下游側(cè)接8m長的砼板護(hù)坡，護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式上與上游側(cè)護(hù)坡相同。

2.2.4壩袋設(shè)計(jì)

橡膠壩袋設(shè)計(jì)，考慮橡膠壩冬季運(yùn)行的安全，冬季壩袋內(nèi)結(jié)冰，為使壩袋不被冰脹力脹破，壩袋充水后，留有冰膨脹的空間。擋2m高水的壩袋，選用2.5m高的壩袋，即將2.5m高的壩袋充水至2m高即可。

壩袋長度確定，橡膠壩袋溢流長度是由雙橋電站機(jī)組事故停機(jī)時(shí)，雙橋電站尾水暗渠不因雍水而變成滿流狀態(tài)，使尾水渠15m3/s及區(qū)間6.43m3/s，合計(jì)21.43m3/s的引用流量及時(shí)泄向下游河道。經(jīng)水力計(jì)算，除前池54m長的溢流堰泄水外，還需60m的橡膠壩泄水。橡膠壩底板及以下部分，每15m長設(shè)永久縫，永久縫設(shè)一道塑料止水帶止水。

壩袋結(jié)構(gòu)枕式充水壩，壩袋型號(hào)為JBD2.5-1414-2，壩袋厚8.50mm，設(shè)計(jì)內(nèi)壓比1：1.40，要求壩袋膠布除必須滿足強(qiáng)度要求外，還要具有耐老化、耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊、抗屈撓、耐水、耐寒等性能。壩袋布置形式為單跨，壩袋長60m。

壩袋錨固方式為螺栓壓板錨固，壓板規(guī)格IM—130型壓板，螺栓直徑24mm，螺栓間距250mm，螺栓長度667mm。

2.2.5控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橡膠壩充、坍壩時(shí)間的選用，根據(jù)電站工程的運(yùn)用條件確定，采用充壩時(shí)間2.2小時(shí)，坍壩時(shí)間為1.5小時(shí)。充水方式采用動(dòng)力式水泵充水，坍壩采用自流坍壩。

①壩袋充水容積計(jì)算。

壩袋的充脹與排放所需時(shí)間與工程的運(yùn)用要求相適應(yīng)，采用動(dòng)力式充水，自流排放。本工程充水水源來自壓力前池，水質(zhì)潔凈。根據(jù)橡膠壩技術(shù)規(guī)范表B、2.2—1充水式橡膠壩壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)表計(jì)算，壩袋充水容積為1.533×2.5×2.5×60=583m3。充水至設(shè)計(jì)高程247.20m（壩袋高2m）時(shí)，壩袋體積為370m3。

②水泵選型。

水泵流量計(jì)算

Q=V/T

式中：Q—水泵流量，m3/h；

V—壩袋體積，m3，V=370m3；

T—充水時(shí)間，h，T=2.2h。

Q=370/2.2=168m3/h

水泵吸水管從前池里吸水，吸水最底高程為245.2m，水泵安裝高程250.88m。吸程5.68m，滿足要求。

選擇IS150—125—250（B）型單機(jī)單吸離心泵（安徽三聯(lián)泵業(yè)）吸入口直徑150mm，排口直徑125mm，設(shè)計(jì)流量170m3/h，相當(dāng)于0.047 m3/s。電機(jī)功率11kw。

流速計(jì)算：

V=Q/π×（150/1000/2）2

式中：V—進(jìn)水壩袋水管中流速，m/s；

Q—設(shè)計(jì)流量，m3/s，Q=0.047m3/s；

V=2.66m/s。

③排水管道計(jì)算。

選排水管管徑200mm，排水管面積W=πr2=0.0314m2

V=∮（2gZ0）1/2

式中：V—排水管中流速，m/s；

∮—流速系數(shù)，∮=0.82；Z0—上、下游水位差，m，Z0=0.4m；

V=2.3m/s。

每小時(shí)的泄流量Q=0.0314×2.3×3600=260m3/h。放空壩袋所需要的時(shí)間為370/260=1.5小時(shí)。壩袋放空時(shí)，排水管將水排入前池的側(cè)槽泄水道中，經(jīng)泄水道排入下游河道。

充水壩袋的排水口設(shè)置兩個(gè)水帽，壩內(nèi)設(shè)置導(dǎo)水裝置。為了安全考慮，在充水壩左側(cè)墻設(shè)置安全溢流管，壩袋上設(shè)排氣閥，溢流管高程為248.20m。

2.3橡膠壩下游消能設(shè)施

橡膠壩運(yùn)行特點(diǎn)，在洪水期（包括春汛和大汛）將壩袋放空，不擋水，原河道行洪。正常情況下?lián)跛?。只有在雙橋電站機(jī)組事故停機(jī)時(shí)，橡膠壩袋才泄水。由于雙橋電站引用流量為21.43m3/s較小，壩上水頭0.23m，下游不存在消能問題，為了偏于安全，另外，前池側(cè)槽泄水道的水進(jìn)入橡膠壩下游的消力池，故設(shè)5m長，池深0.5m的消力池，消力池為砼結(jié)構(gòu)。消力池下接8m長的海漫。海漫由厚0.35m干砌石構(gòu)成，干砌石下部鋪設(shè)0.4m厚的砂礫石墊層。

3.橡膠壩穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算

荷載與荷載組合

鋼筋砼容重γ=0.025N/cm3，砂礫石飽水容重0.021N/cm3。

正常情況，電站正常運(yùn)行時(shí)，壩體（含暗渠）自重、水重、砂礫石重、揚(yáng)壓力，上游水壓力，下游水壓力。

特殊情況，引水隧洞檢修時(shí)，暗渠內(nèi)無水，壩體自重，砂礫石重、揚(yáng)壓力、上游水壓力、下游水壓力。

壩址處基巖埋深較深，河底以下9m為強(qiáng)風(fēng)化的白崗質(zhì)花崗巖深度達(dá)40m，故壩體不建在巖基上，建在砂礫石基礎(chǔ)上。橡膠壩與下部的鋼筋砼暗渠為一整體，壩基與砂礫石基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)f=0.45。

壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算，按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，正常情況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.55，大于1.05，特殊情況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.07，大于1.0。

穩(wěn)定計(jì)算公式：

K=fΣG/Σp

式中：K—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

f—壩體砼與壩基砂礫石間的摩擦系數(shù)，f=0.45

ΣG—作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的垂直力總和（N）

Σp—作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的水平力總和（N）

壩體應(yīng)力計(jì)算：

壩基上、下游應(yīng)力計(jì)算公式：

δ上、下=ΣG/T±6ΣM/T2

式中：δ上、下—分別為壩基上、下游應(yīng)力（N/cm2）

T—壩基寬度（cm）

ΣM—作用在壩基中心點(diǎn)的彎矩之和（N-cm）

計(jì)算結(jié)果見表二。

【參考文獻(xiàn)】

[1]橡膠壩技術(shù)規(guī)范，SL227-98.