某水電站的壩型設(shè)計(jì)方案比選

張江潮，漆文邦，王 歡

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)05—0042—04

某水電站的壩型設(shè)計(jì)方案比選

張江潮，漆文邦，王 歡

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

結(jié)合壩址的地質(zhì)地形以及水文、泥沙情況， 從水文、防滲、工程投資等方面，對(duì)底格欄柵壩和閘壩2種壩型進(jìn)行了綜合分析比較，結(jié)果表明,某水電站工程大壩的壩型更加適用閘壩，對(duì)以后類(lèi)似工程項(xiàng)目的壩型選擇起到一定的啟發(fā)作用。

底格欄柵壩；閘壩；壩型；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

某水電站壩址位于印度尼西亞北部蘇門(mén)答臘島Peusangan河。電站采用無(wú)調(diào)節(jié)徑流引水式開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)目標(biāo)為發(fā)電，無(wú)其他綜合利用要求。電站主要建筑物由首部樞紐、引水明渠、壓力前池、壓力鋼管、主副廠房、 開(kāi)關(guān)站及尾水渠等組成。電站設(shè)計(jì)引用流量為23.6 m3/s，毛水頭50 m，總裝機(jī)10 MW(2×5 MW)。

1.1 水文條件

氣候資料涵蓋21 a間的降水資料(1979—2008年)，并且記錄著1985年和1991—1998年的降水差距。年平均降雨量為1 721 mm，多雨季節(jié)在4—5月和9—12月。最干燥的月份是6月，平均降雨量為76 mm。最濕潤(rùn)的月份是11月，平均降雨量達(dá)到203 mm。在11—次年5月之間的降雨量較高,在6—10月雨量較少。

1.2 泥沙條件

電站取水口泥沙主要來(lái)源于汛期大氣降雨引起的表土浸蝕和水流對(duì)河床的下切，以及沿河大小支溝兩岸滑坡崩塌等重力浸蝕。由于年汛期雨量集中，同時(shí)巖石風(fēng)化相對(duì)劇烈，故該流域泥沙相對(duì)較多。但又由于該地區(qū)植被豐富，流域內(nèi)人口稀少，人類(lèi)活動(dòng)影響很小，大部分大顆粒粒徑泥沙會(huì)附著到植被上，所以河流中泥沙的主要特點(diǎn)是泥沙含量較多但粒徑很小。

1.3 地質(zhì)條件

該壩址所在地區(qū)最古老的巖石屬于Bampo地層(晚漸新世，3 800萬(wàn)年)，其出現(xiàn)在Peusangan河西部，且被第三紀(jì)中新世Arulsane組和Pameue組覆蓋。Arulsane組和Pameue組輕微地曲折形成了Arulsane向斜，向斜軸線(xiàn)為東西方向，沿渠道中間貫穿。

2 初設(shè)方案

電站初擬首部大壩壩型采用底格欄柵壩，首部取水樞紐建筑物由底格欄柵壩，左、右側(cè)溢流壩、右岸連接壩段、左岸進(jìn)水閘、左岸引水渠、沉沙池等組成。底格欄柵壩布置在主河槽上，壩頂高程707.20 m，建基面高程701.00 m，壩段長(zhǎng)24.0 m，底寬11.0 m，壩面傾斜坡度為1/10。引水廊道采用雙廊道形式，單個(gè)廊道寬為2.0 m，廊道底坡為1/10，引水廊道接左側(cè)混凝土溢流壩段引水暗渠至左岸沉沙池。左、右側(cè)溢流壩段壩頂高程707.70 m，建基面高程701.00 m，寬度11.0 m，長(zhǎng)度分別為10.0 m和5.0 m。右岸連接壩段建基面高程704.85 m，長(zhǎng)4.0 m，寬8.5 m，采用埋石混凝土，該壩段壩頂高程為709.20 m，高于底格欄柵壩段2.0 m。其布置見(jiàn)圖1～3。

壩上游設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋，長(zhǎng)15.0 m，厚0.6 m，前接鋼筋石籠防沖槽；壩下游設(shè)鋼筋混凝土防沖護(hù)坦，長(zhǎng)19.0 m，厚0.8 m。護(hù)坦設(shè)直徑10 cm,間排距2 m梅花狀布置的排水孔，護(hù)坦后接鋼筋石籠防沖槽。

圖1 底格欄柵壩平面布置圖 單位：mm

圖2 底格欄柵壩橫剖面圖 單位：mm

圖3 底格欄柵壩縱剖面圖 單位：mm

3 優(yōu)化的必要性

(1) 根據(jù)該水電站水文報(bào)告資料并通過(guò)進(jìn)一步分析研究比較，可知該水電站所在的河流流域在枯水期水文條件較差，枯水期相對(duì)較長(zhǎng)，且在最枯的3～4個(gè)月平均流量很小。底格欄柵壩僅在豐水期河道來(lái)水流量大于取用流量的情況下才具有通過(guò)引水廊道控制閘調(diào)節(jié)取用流量的能力，在枯水期底格欄柵壩自身沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，這樣常常造成電站在豐水時(shí)段發(fā)生棄水，在枯水時(shí)段流量過(guò)小時(shí)停機(jī)，對(duì)水能資源的利用率較低。而閘壩恰恰可以通過(guò)枯水期蓄水調(diào)節(jié)庫(kù)容來(lái)達(dá)到枯水期正常取水的目的，故優(yōu)化方案宜選閘壩。

(2) 底格欄柵壩適用于河床坡度較陡，水流中帶有大量的卵石礫石及粗砂的山溪河道上，它可以防止大粒徑沙石進(jìn)入引水系統(tǒng)，而根據(jù)對(duì)該河流泥沙條件的分析，該河流泥沙多且粒徑小，若采用底格欄柵壩，河流中的不合粒徑要求的泥沙會(huì)隨水流進(jìn)入廊道造成廊道淤積堵塞，需要定期的進(jìn)行清理和維護(hù)，且需要沉沙池的配合來(lái)防止泥沙進(jìn)入引水系統(tǒng)，因此不能夠充分發(fā)揮底格欄柵壩的優(yōu)點(diǎn)，不適用底格欄柵壩。而采用閘壩，沖沙閘可以保證取水口門(mén)前清，有效降低取水難度，推移質(zhì)可順利排向下游減少庫(kù)區(qū)淤積且運(yùn)行管理方便，并且不用修建沉砂池，從而極大地減少整個(gè)工程的工程量，降低造價(jià)。

如上所說(shuō)，閘壩不設(shè)沉砂池，底格欄柵壩必須設(shè)有沉砂池。初設(shè)方案與優(yōu)化方案的引水渠道、壓力前池、壓力管道以及廠房布置都相同，因此總工程量的比較即大壩及沉砂池的比較，2個(gè)方案的工程量對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 工程量對(duì)比表

通過(guò)表1可以看到:覆蓋層開(kāi)挖量對(duì)比，底格欄柵壩工程比閘壩工程多開(kāi)挖7 944.37 m3;碎石回填量對(duì)比，底格欄柵壩工程比閘壩需多回填3 467.49 m3；C20混凝土量對(duì)比，底格欄柵壩比閘壩多用545.23 m3；C25混凝土對(duì)比，底格欄柵壩工程比閘壩工程需多用8 914.36 m3，鋼筋制安對(duì)比，底格欄柵壩工程比閘壩工程多用319.89 t；而M7.5漿砌塊石量對(duì)比，閘壩比底格欄柵壩需多用4 053.4 m3。由于開(kāi)挖和回填需要耗費(fèi)大量的人力物力，混凝土價(jià)格昂貴且底格欄柵壩用量很大，因此造價(jià)很大。盡管閘壩在M7.5漿砌塊石量用量較大，但漿砌石造價(jià)低廉。綜上所述，閘壩方案總的工程量遠(yuǎn)小于底格欄柵壩總工程量，造價(jià)遠(yuǎn)低于底格欄柵壩，因此本方案選擇閘壩。

(3) 若采取底格欄柵壩，由于在安裝底格欄污柵時(shí),底格欄污柵的表面焊有3排橫向的加固筋板,水流流過(guò)底格欄污柵時(shí),在橫向的加固筋板處被阻擋,形成部分向上躍起的水流,同時(shí),在第1排筋板處被挑起的水流落下時(shí)與后面的水流碰撞,引起水流紊亂,使流過(guò)的水流不能被順暢地引入底欄壩取水廊道。閘壩較底格欄柵壩取水更為通暢。

(4) 底格欄柵壩適用于河床寬度較窄的河流，經(jīng)測(cè)量，該河流河床寬度達(dá)35 m，跨度大，若采用底格欄柵壩，必須要修建很長(zhǎng)的廊道及暗渠，且廊道修建技術(shù)要求高，難度大。而采用閘壩，除修建溢流壩和非溢流壩外只設(shè)沖沙及進(jìn)水閘門(mén)，引水暗渠修建長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，施工容易，難度小，從施工難度角度來(lái)看，選閘壩為宜。

(5) 該地區(qū)處于印度尼西亞，森林覆蓋率高，河流中夾雜的樹(shù)枝棍棒容易使底格欄柵的柵格堵塞，水流進(jìn)入廊道更加困難，造成過(guò)水?dāng)嗝娴臏p小，需要一定的運(yùn)行管理人員定期進(jìn)行檢查和清理造成電站取水及運(yùn)行管理困難。采用閘壩，取水簡(jiǎn)單順暢，運(yùn)行便于管理，因此選閘壩。

通過(guò)以上5個(gè)方面的分析和比較，可知某水電站更加適合修建閘壩來(lái)替代初設(shè)方案中的底格欄柵壩。

4 優(yōu)化方案

圖4 閘壩平面布置圖 單位：m

首部取水樞紐建筑物由溢流壩、沖砂閘、取水閘、兩岸連接壩段等組成。溢流壩布置在主河槽上，采用實(shí)用堰形式，壩頂高程731.00 m，建基面高程723.00 m，壩段長(zhǎng)50 m，底寬14 m，壩體采用鋼筋混凝土和漿砌石組合材料。溢流壩左側(cè)依次布置沖沙閘和進(jìn)水閘。根據(jù)沖沙、排污要求和壩址地形地質(zhì)條件擬定單孔沖沙閘，閘底板高程726.00 m，閘頂高程735.80 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為10 m，凈寬為4 m；進(jìn)水閘底板高程728.20 m，閘頂高程735.80 m，凈寬3.5 m，閘墩從右至左厚度依次為1.8 m、2.0 m和2.0 m，閘室內(nèi)均設(shè)置檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)。兩岸連接壩段壩頂高程為735.80 m，高于溢流壩段4.8 m，以使汛期水流包括校核洪水順利從溢流壩上通過(guò)，保證兩岸的安全。左岸連接壩段采用重力壩形式，長(zhǎng)30 m，底寬7.225 m；右岸連接壩段采用重力壩形式，長(zhǎng)17 m，底寬6.725 m，均為混凝土結(jié)構(gòu)。其布置見(jiàn)圖4～6。

圖5 閘壩縱剖面圖 單位：mm；高程，m

圖6 閘壩橫剖面圖 單位：mm；高程，m

為降低滲透比降及有利排泄推移質(zhì)，溢流壩及閘室上游設(shè)置鋼防滲鋪蓋，鋪蓋長(zhǎng)度30 m，厚度0.8 m，分2層，表層為0.3 m厚鋼筋混凝土，底層為0.5 m厚漿砌石。溢流壩下游設(shè)漿砌塊石護(hù)坦，護(hù)坦長(zhǎng)35 m，厚1 m，內(nèi)設(shè)Φ20 cm，間排距3 m梅花狀布置的排水孔。閘室下游接39 m長(zhǎng)、厚1 m漿砌塊石護(hù)坦。護(hù)坦設(shè)反濾層和排水孔，以減小護(hù)坦揚(yáng)壓力、提高允許滲透坡降和防止細(xì)顆粒被帶走。

5 結(jié) 語(yǔ)

底格欄柵壩和閘壩各自都有自己的優(yōu)勢(shì)，且技術(shù)都比較成熟，但結(jié)合本工程的水文、地質(zhì)、泥沙等實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)水電站首部樞紐設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比選，可以看出本工程更適于閘壩而不宜采用底格欄柵壩。采用閘壩可以使工程量以及造價(jià)大大縮減，并且施工難度小，技術(shù)要求低，施工、檢修、運(yùn)行管理方便。為以后類(lèi)似的項(xiàng)目首部選擇提供了一定的借鑒作用。

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[2] 胡建春.某水電站樞紐建筑物布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案探討[J].控制工程，2014,(4)：148-152.

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[4] 胡建春.某電站首部樞紐優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2014,(2)：54-58.

[5] 彭薇薇.大流量底格欄柵壩取水設(shè)計(jì)探討[J].四川水力發(fā)電，2004，(3)：58-60.

Comparison and Selection of Dam Type Design Schemes

ZHANG Jiang-chao, Qi Wen-bang, WANG Huan

(College of Water Resources and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065，China)

Both bottom trashrack dam and gate dam are analyzed and compared, in combination of geology, topography and hydrology at dam site, in terms of hydrology, impermeability and investment, etc. The analyzing result approves that the gate dam is the most suitable one for this hydropower project. This analysis will provide the dam type selection of the similar projects with reference in future. Key words:bottom trashrack dam; gate dam; dam type; optimized design

2014-12-15

張江潮(1989- )，男，河北省石家莊市人，碩士研究生，從事水工結(jié)構(gòu)研究.

TV649;TV7

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.012