古學(xué)水電站尾水渠結(jié)構(gòu)型式研究

梁 劍， 黃 小 春

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 ，湖北 宜昌 443002)

1 概 述

古學(xué)水電站位于四川省甘孜州得榮縣境內(nèi)，為金沙江左岸一級(jí)支流定曲河鄉(xiāng)城、得榮段梯級(jí)開發(fā)中的第八級(jí)水電站。古學(xué)水電站為三等中型工程，采用引水式開發(fā)方式。工程樞紐由攔河壩、左岸引水系統(tǒng)、岸邊式地面廠房等建筑物組成。其中主廠房尺寸為53.3 m×21 m×40.2 m(長(zhǎng)×寬×高)，主副廠房及GIS樓呈“一”字型并排布置，廠內(nèi)安裝兩臺(tái)單機(jī)容量為45 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組安裝高程為2 112 m。

古學(xué)水電站廠址位于得榮縣古學(xué)鄉(xiāng)卡日共村上游350 m處的定曲河左岸一級(jí)階地上。階地沿河呈條帶狀分布，寬17～30 m，地勢(shì)相對(duì)狹窄。場(chǎng)地內(nèi)側(cè)公路以上地表基巖裸露，山勢(shì)陡峻，為順向坡，天然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定，受坡腳開挖影響存在變形失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。廠址處河道對(duì)岸亦為條帶狀一級(jí)階地，寬8～15 m，右岸山體風(fēng)化破碎帶深厚且存在變形跡象。因此，廠址兩岸均不宜大范圍開挖，廠房布置條件十分有限。

由于廠址階地地形狹窄，若尾水渠侵占部分天然河道，束窄定曲河河道行洪斷面，必將加大河道水流流速，該水流將對(duì)右岸河岸造成較為嚴(yán)重的沖刷，嚴(yán)重影響右岸山體的安全。因此，受廠址地形地質(zhì)條件的制約，尾水渠結(jié)構(gòu)型式的選擇至關(guān)重要。

2 尾水渠地質(zhì)條件

擬建的尾水渠場(chǎng)地范圍內(nèi)均為第四系堆積物覆蓋，厚約19.5～42 m，從上往下可分為三層：第一層為人工造田填筑砂土層，厚1～3 m，結(jié)構(gòu)松散；第二層為沖洪積物，厚4.2～10.5 m，稍密～中密，主要為含漂、卵礫石層，間隙充填粘性土及粉細(xì)砂，漂、卵、礫石含量約為75%，砂土含量約為25%；第三層為沖洪積物，厚22～36.5 m，主要由卵礫石、粗礫砂組成，夾有少量漂石，次磨圓狀，結(jié)構(gòu)為中密～密實(shí)。

3 結(jié)構(gòu)型式的擬定與選擇

基于尾水渠地形地質(zhì)條件，我們擬定了兩個(gè)尾水渠布置方案進(jìn)行比較。

方案一(開敞式尾水渠方案)：尾水渠底寬22.14 m，底板以1∶4的縱向反坡與天然河道銜接，尾水管出口高程為2 114.5 m，中軸線總長(zhǎng)26.1 m，尾水渠渠底采用0.4 m厚的鋼筋混凝土板護(hù)面，兩側(cè)為扶壁式鋼筋混凝土擋土墻，墻頂寬度為1 m，最大墻高20.54 m(圖1)。

圖1 開敞式尾水渠方案示意圖(方案一，單位：m)

方案二(箱涵式尾水渠方案)：采用雙箱式尾水箱涵布置型式，縱向長(zhǎng)8 m，橫向?qū)?4.266 m，高19.35 m，兩側(cè)邊墻為梯形斷面，頂寬1.5 m，底寬4 m，中隔墻為矩形斷面，寬2 m，底板厚2.75 m，箱涵后接尾水渠，寬17.2 m，中軸線長(zhǎng)10.15 m，縱向坡度i=0，兩側(cè)為混凝土擋墻，最大高度為7.55 m，如圖2所示。

圖2 箱涵式尾水渠方案示意圖(方案二，單位：m)

在與開敞式尾水渠方案比較后可知，箱涵式尾水渠方案有效縮短了尾水渠長(zhǎng)度，侵占天然河道少，對(duì)定曲河河道行洪影響小。

鑒于尾水渠基礎(chǔ)座落于卵礫石、粗礫砂組成的沖洪積物層上，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)。方案一采用高扶壁式鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)型式，由于其高度大，擋墻斷面尺寸較大，對(duì)地基要求較高。方案二采用整體箱涵結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，整體穩(wěn)定性好。

兩方案導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)相同，根據(jù)廠址地形地質(zhì)條件及水工建筑物布置特點(diǎn)，在采用方案一時(shí)，廠房分兩期施工,一期采用全年圍堰進(jìn)行主副廠房及安裝間施工；二期采用枯水期圍堰進(jìn)行尾水渠施工。方案二可以在一期全年圍堰內(nèi)施工，工期安排合理，減少了導(dǎo)流建筑物工程量，簡(jiǎn)化了施工導(dǎo)流程序。

另外，方案二可利用箱涵頂板布置廠區(qū)道路，使廠區(qū)形成更加便捷的環(huán)形交通。

綜上所述，古學(xué)水電站最終選用了箱涵式尾水渠方案。

4 結(jié)構(gòu)分析

尾水箱涵結(jié)構(gòu)布置情況見圖3。

4.1 計(jì)算力學(xué)模型及計(jì)算方法

我們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元法計(jì)算。箱涵結(jié)構(gòu)按1∶1原型建模，地基考慮了10 m深的覆蓋層以及10 m厚的基巖，基礎(chǔ)上、下游及兩側(cè)面分別延伸20 m。地基的底部為三向約束(X、Y、Z方向均固定)的固定邊界面，地基的四個(gè)側(cè)面為單向法向約束面，地基上部結(jié)構(gòu)各邊界面均為自由面。

總體結(jié)構(gòu)的平衡方程為：

(1)

對(duì)于每一個(gè)桿件，其桿端內(nèi)力為：

圖3 尾水箱涵結(jié)構(gòu)圖(單位：m)

(2)

式中PI，PJ為桿端內(nèi)力；UI，UJ為桿端變位；I，J為點(diǎn)號(hào)；上角碼m表示桿號(hào)；下角碼P表示固端內(nèi)力；[K]m為桿件單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

4.2 基本資料

(1)箱涵混凝土及墻后填土參數(shù)見表1。

表1 箱涵混凝土及墻后填土參數(shù)表

(2)地震參數(shù)。

地震動(dòng)峰值加速度為110 cm/s2，工程設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度，采用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)。

4.3 計(jì)算工況及相應(yīng)荷載組合

尾水箱涵計(jì)算工況及相應(yīng)荷載組合見表2。

荷載施加情況見圖4。

4.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算得到的各工況基底及各方向最大應(yīng)力分布情況如圖5所示。

結(jié)構(gòu)正應(yīng)力大小及分布情況見表3。

表2 尾水箱涵計(jì)算工況及荷載組合表

圖4 荷載施加示意圖

4.5 配筋計(jì)算

根據(jù)線彈性應(yīng)力圖形法配筋計(jì)算原則，當(dāng)截面在配筋方向的正應(yīng)力圖形偏離線性較大時(shí)，受拉鋼筋截面面積計(jì)算公式為：

圖5 基底及各方向最大應(yīng)力分布圖

表3 結(jié)構(gòu)正應(yīng)力大小及分布表

表4 尾水箱涵結(jié)構(gòu)配筋表 /mm2

(3)

T=Ab

(4)

Tc=Actb

(5)

式中T為主拉應(yīng)力在配筋方向上形成的總拉應(yīng)力；Tc為混凝土承受的拉力。

根據(jù)三維有限元法計(jì)算結(jié)果得到的尾水箱涵不同部位的鋼筋配置情況見表4。

古學(xué)水電站廠區(qū)地形狹窄，廠房基礎(chǔ)位于深厚覆蓋層基礎(chǔ)上，尾水出流采用箱涵式尾水渠結(jié)構(gòu)，縮短了尾水渠長(zhǎng)度, 減少了對(duì)河道行洪斷面的影響,同時(shí)簡(jiǎn)化了施工導(dǎo)流程序,對(duì)類似工程尾水渠布置型式具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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