貴州水城縣木果鄉(xiāng)七股水水電站擋水與泄洪建筑物設(shè)計(jì)

□余榮?。P水市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院）

1 工程概況

七股水水電站位于長江流域?yàn)踅等砗拥囊患?jí)支流連山河上，為引水式電站，電站正常水位1810m，相應(yīng)庫容68.31萬m3，總庫容184.60m3。電站利用天然落差113m，裝機(jī)5MW，發(fā)電引用流量5.71m3/s，多年平均流量3.69m3/s，水量利用系數(shù)63%。

工程建設(shè)內(nèi)容包括擋水壩、取水口、無壓隧洞、明渠、壓力前池、壓力鋼管及廠房。經(jīng)過綜合比較，電站裝機(jī)容量5MW，多年平均年發(fā)電量1784.32萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3568h。工程施工總工期為31個(gè)月。工程總投資11153.87萬元；靜態(tài)總投資11153.87萬元。

2 擋水建筑物設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 壩頂高程確定

根據(jù)壩址洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果，大壩壩址處P=5%時(shí)的洪峰流量為362m3/s，其壩址處的水位為1807.95m；大壩壩址處P=2%時(shí)的洪峰流量為499m3/s，其壩址處的水位為1811.48m；大壩壩址處P=1%時(shí)的洪峰流量為612m3/s，其壩址處的水位為1812.68m；受下游伏流入口泄洪能力限制。當(dāng)超過20年一遇洪水時(shí)壩體將淹沒于水下，綜合考慮正常水位及進(jìn)水口取水的要求，故壩頂高程確定為1813.00m。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由壩體抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力條件控制擬定壩體斷面。非溢流壩壩頂高程1813m，頂寬4m、壩底寬16m，上游面直立，下游面1810～1808m直立，1808～1800m坡比為1:0.70；溢流壩堰面曲線由WES曲線、直線段、反弧段三部分組成，WES曲線方程為y=0.11X1.85、直線段坡比1:0.87、反弧半徑8m，并在溢流壩下游設(shè)置長40m、寬30m的護(hù)坦。

2.3 抗滑、抗浮穩(wěn)定計(jì)算

2.3.1 計(jì)算工況

鑒于本工程特殊的洪水情況，根據(jù)壩址尾水水位流量關(guān)系曲線，擬定以下兩種工況對(duì)大壩進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

工程一：水庫為正常蓄水位1810m，未下泄洪水，下游最低水位為1803m，此時(shí)上下游水位差最大為7m。

工況二：在校核和設(shè)計(jì)洪水位下壩體完全淹沒于水下的抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算。

2.3.2 壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核

壩體抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算，計(jì)算公式如下：

結(jié)合工程類比法，擬建大壩地基物理力學(xué)參數(shù)為：f=0.80～1.20，c=0.70～1.10MPa，抗壓強(qiáng)度為0.80MPa。經(jīng)計(jì)算，大壩K′＞3.00，故壩體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

2.3.3 抗浮驗(yàn)算

當(dāng)超過20年一遇洪水時(shí)壩體將淹沒于水下，故需復(fù)核校核洪水位（P=1%）和設(shè)計(jì)洪水位（P=5%）下的抗浮安全系數(shù)，計(jì)算公式如下：

經(jīng)抗浮驗(yàn)算，在校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位下的抗浮安全系數(shù)均＞1.10，滿足要求。

2.3.4 應(yīng)力計(jì)算

本工程壩體斷面設(shè)計(jì)時(shí)，抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力計(jì)算的荷載組合考慮在正常蓄水位情況和校核洪水位情況，各種狀況所受荷載見表1。

表1 作用組合表

壩體應(yīng)力計(jì)算方法參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005),壩基截面的垂直應(yīng)力按下式計(jì)算：

取擋水壩最大斷面，河床建基面高程分別為1800.00m的斷面進(jìn)行壩基應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，非溢流壩、溢流壩在各種組合下壩踵垂直應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；而壩趾最大垂直應(yīng)力為0.16MPa，小于壩基的允許承載力3.50MPa，也小于壩體混凝土的允許應(yīng)力值，因此，壩基面應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3 泄水建筑物設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩溢洪道布置于河床段，采用開敞式表孔溢流，溢流前沿凈寬30m，堰頂高程1810m。堰流面曲線上半段為圓弧段，半徑為10m；下半段為反弧段，采用底流消能。堰面采用C20鋼筋混凝土襯護(hù)。因壩頂無交通要求，故不設(shè)閘墩和交通橋。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 泄流能力計(jì)算

溢洪道泄流能力按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319－2005）附錄A.3.1中公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)洪水流量為410m3/s時(shí)，其堰頂下泄流量為75.81m3/s。

3.2.2 消能計(jì)算

本壩的溢流段壩高10m，下游河床和岸坡基巖裸露，壩下河床受該灰?guī)r河段堅(jiān)硬巖石的限制，河床的切割深度受到限制，洪水期壩下游水位高容易形成水墊。因此溢洪道下游選用了底流式消能。底流消能是借助于一定的工程措施控制水躍位置，通過水躍發(fā)生的漩滾和強(qiáng)烈的紊動(dòng)來消除余能。

底流式消能的水力計(jì)算，首先分析建筑物下游的水流銜接形式，亦即判定水躍發(fā)生的位置；然后確定必要的工程措施。建筑物下游水躍的位置決定于通過建筑物下泄水流的特性和下游河道中水深和流速的大小。當(dāng)通過流量一定時(shí)，下游河道中的水深和流速是已知的。通過建筑物下泄的水流，以建筑物下游的收縮斷面作為分析水流銜接形式的控制斷面。

3.2.2.1 下游收縮斷面水深的計(jì)算

溢流壩收縮斷面水深hc計(jì)算公式如下：

3.2.2.2 水躍發(fā)生的位置

在一般情況下，下泄水流多為急流，而下游河道中的水流多屬于緩流，這樣水流就要從急流通過水躍過渡到緩流。為了判別水躍發(fā)生的位置，先假設(shè)水躍在收縮斷面處發(fā)生，即以收縮斷面為躍前斷面，則收縮斷面水深hc應(yīng)等于躍前水深hc′，其共軛水深為hc"。因下游河道中的水深就是發(fā)生水躍時(shí)的實(shí)際躍后水深，因此用來判別建筑物下游是發(fā)生臨界水躍、遠(yuǎn)離水躍或淹沒水躍。

水躍共軛水深計(jì)算公式如下：

式中：Frc—收縮斷面弗勞德數(shù)。

表2 水躍狀態(tài)判別成果表

由表2看出，幾種工況下均為淹沒水躍，故不需要設(shè)置人工輔助消力工。

3.2.2.3 水躍長度的計(jì)算

自由水躍長度按下式計(jì)算：

通過計(jì)算，壩下游40m內(nèi)河床有可能受到?jīng)_刷，故下游設(shè)置長30m護(hù)坦。此處計(jì)算過程不作贅述。

4 結(jié)語

綜上所述，在水電站建筑物設(shè)計(jì)中，擋水建筑物以及泄洪建筑物的設(shè)計(jì)是非常重要的，按規(guī)范要求合理布置、加強(qiáng)設(shè)計(jì)與計(jì)算，保證建筑物設(shè)計(jì)的合理性，以此保證水電站運(yùn)行的安全和壽命。

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