水電站進(jìn)水口攔污漂結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定分析研究

王建新，殷　亮，彭　育

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江　杭州　310014)

?

水電站進(jìn)水口攔污漂結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定分析研究

王建新，殷亮，彭育

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州310014)

摘要：目前處理大型水電站進(jìn)水口前污雜物的有效手段是攔污漂技術(shù)。為此，針對富春江水電站攔污漂工程，采用有限元方法對岸端、壩端攔污漂錨固墩結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析復(fù)核，揭示結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特性，配置相應(yīng)的鋼筋。采用極限平衡方法對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定進(jìn)行研究，評價建筑物的安全性。通過數(shù)值計算與工程經(jīng)驗(yàn)的參考，驗(yàn)證進(jìn)水口攔污漂設(shè)計的合理性。

關(guān)鍵詞：進(jìn)水口；攔污漂；錨固墩；結(jié)構(gòu)設(shè)計；穩(wěn)定分析

1問題的提出

水電站上游庫區(qū)受沿岸水土流失、生產(chǎn)及生活設(shè)施對環(huán)境污染的影響，造成各種污雜物流入庫區(qū)，大量的污雜物流至壩前，容易造成進(jìn)水口攔污柵堵塞，電能損失，嚴(yán)重者壓垮攔污柵，直接導(dǎo)致停機(jī)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的發(fā)電效率和運(yùn)行安全，給國家?guī)泶罅拷?jīng)濟(jì)損失。采用攔污漂技術(shù)是綜合治理壩前污雜物的最有效手段，可以有效解決污雜物對進(jìn)水口、機(jī)組的影響。

本文在深入研究壩端老混凝土長期性能、岸端巖體物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，針對富春江攔污漂工程的錨固墩結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定分析研究，驗(yàn)證攔污漂設(shè)計的合理性。

2工程概況

富春江水電站進(jìn)水口攔污漂工程水工建筑物包括：壩端錨固墩、岸端錨固墩、壩端攔渣墻等。攔污漂的一端設(shè)在廠壩間魚道壩段頭部(壩端混凝土錨固墩)，另一端設(shè)在庫區(qū)左岸泵房上游側(cè)的公路邊(岸端混凝土錨固墩)。其攔污漂軸線長約321 m，與壩軸線約成71°角。

壩端混凝土錨固墩布置在廠壩間魚道壩段頭部，現(xiàn)魚道混凝土為R100素混凝土，質(zhì)量相對較差，頂面高程為25.00 m，對魚道部分老混凝土進(jìn)行拆除重建。進(jìn)行加高至32.00 m高程。錨固墩采用寬5.0 m，長8.0 m(沿攔污漂軸線)的矩形截面，基底高程17.00 m，頂高程32.00 m，采用二級配C25混凝土。為增強(qiáng)新老混凝土接觸面的抗滑能力，對接觸面采用表面混凝土鑿毛、植入錨筋束3φ32，L=4.5 m(插入老混凝土3.0 m，@1.5 m×1.5 m)，在側(cè)向植入φ32，L=4.5 m(插入老混凝土3.0 m，@1.5 m×1.5 m)。為避免遭遇大洪水時污物進(jìn)入發(fā)電進(jìn)水口，在錨固墩與大壩之間增設(shè)4.00 m高混凝土攔渣墻，同時按原體形在下游側(cè)重建魚道。

攔污漂岸端混凝土錨固墩布置在庫區(qū)左岸泵房上游側(cè)的公路邊，利用浮式自動升降裝置控制攔污漂。岸端混凝土錨固墩采用頂寬5.0 m，底寬8.0 m，長10.0 m(沿攔污漂軸線)的梯形截面，建基面采用平臺開挖，基礎(chǔ)底高程17.00 m(視現(xiàn)場開挖揭露的基巖情況進(jìn)行調(diào)整)，頂高程32.00 m，采用C25二級配混凝土。為增強(qiáng)基底面的抗滑能力，在基底面布置錨筋束3φ32，L=4.5 m(插入基巖3.0 m，@1.5 m×1.5 m)，增強(qiáng)穩(wěn)定。

攔污漂整體布置見圖1，壩端、岸端固定端見圖2～3。

3攔污漂結(jié)構(gòu)設(shè)計

河中攔污漂結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，對荷載計算目前沒有統(tǒng)一的規(guī)程規(guī)范可循，如何正確地認(rèn)識和分析其受力，是攔污漂建設(shè)是否成功的關(guān)鍵。根據(jù)富春江水電站攔污漂布置方案，對其在各種工況下受力條件的初步分析，參考有關(guān)行業(yè)規(guī)范的設(shè)計計算方法，結(jié)合攔污漂的具體特點(diǎn)進(jìn)行計算。

攔污漂金屬結(jié)構(gòu)躉船主要承受圓拱外側(cè)荷載和圓拱內(nèi)側(cè)荷載。受外側(cè)荷載時在泄洪工況時受水流力、風(fēng)力、水壓力和風(fēng)浪壓力等聯(lián)合作用時為最不利工況。根據(jù)攔污漂河中躉船結(jié)構(gòu)布置，采用相應(yīng)的端頭錨固墩布置方式，岸端、壩端錨固墩均布置滑槽，浮箱軌道在滑槽內(nèi)根據(jù)水庫水位變化上下變動，保證庫內(nèi)污雜物不進(jìn)入進(jìn)水口攔污柵。

3.1魚道改造的壩端結(jié)構(gòu)設(shè)計

進(jìn)水口處壩端錨固墩布置在廠房壩端與溢流壩端之間的魚道進(jìn)口上游閘墩上，利用原魚道進(jìn)行改建而成，魚道進(jìn)口高程為20.50 m，出口高程為14.50 m，頭部建基面底高程約-12.00 m，頂高程25.00 m，完建后錨固墩高程32.00 m(見圖2)。

本工程采用卷揚(yáng)機(jī)牽引切縫施工技術(shù)，工程質(zhì)量符合設(shè)計和規(guī)范要求，縮短了工期，減少了施工成本，施工工藝更加便捷。施工過程中極大地規(guī)避了安全隱患，適用面較廣泛，施工更加簡便。

由于建造時期的特殊性，魚道采用R100混凝土，新老混凝土標(biāo)號與強(qiáng)度等級存在以下?lián)Q算關(guān)系[2]：

式中：δfcu,15為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)，取0.23；R為原混凝土標(biāo)號，魚道混凝土為100號混凝土。

根據(jù)上述關(guān)系，則原魚道采用R100混凝土換算為新規(guī)范混凝土強(qiáng)度等級為C9.24，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為6.19 MPa，軸線抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為4.46 MPa。

攔污漂壩端新建錨固墩布置在原魚道頭部進(jìn)口靠上游側(cè)墩墻老混凝土上，魚道與大壩間設(shè)結(jié)構(gòu)縫，單獨(dú)將魚道頭部與錨固墩聯(lián)合建模，改造后的魚道結(jié)構(gòu)、錨固墩有限元模型(不含地基)見圖4，模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)151 769，單元總數(shù)141 160。

攔污漂壩端錨固墩設(shè)計荷載主要包括：自重、庫水壓力、揚(yáng)壓力、攔污漂浮箱的拉力，其中浮箱的拉力3 400 kN。

富春江水電站為日調(diào)節(jié)低水頭河床式水電站，水庫常年保持正常蓄水位23.00 m。正常蓄水位工況下，浮箱對錨固墩作用點(diǎn)橫剖面主應(yīng)力等值線分布見圖5。

從主應(yīng)力分布結(jié)果看，在庫水位高程，滑槽受浮箱集中作用力影響，傳遞至錨固墩的拉應(yīng)力平面上呈明顯的發(fā)散分布，空間上呈半球形分布。局部存在應(yīng)力集中，最大主拉應(yīng)力3.66 MPa，大于1.00 MPa范圍均集中在1 m范圍內(nèi)。

原魚道壩段建基面高程-12.00 m，攔污漂結(jié)構(gòu)頂高程32.00 m，最大懸臂高度44.00 m，向上游測最大位移2.2 mm。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力分布，采用SL 191—2008《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中非桿系結(jié)構(gòu)配筋章節(jié)采用有限單元法進(jìn)行配筋，豎向受力筋采用φ32@20布置，滿足工程需要。

3.2岸端結(jié)構(gòu)設(shè)計

攔污漂岸端混凝土錨固墩布置在庫區(qū)左岸泵房上游側(cè)的公路邊，利用浮式自動升降裝置控制攔污漂。錨固墩開挖底高程17.00 m。

根據(jù)攔污漂岸端錨固墩開挖以及結(jié)構(gòu)布置，建立有限元模型(不含地基，見圖6)，模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)96 182，單元總數(shù)87 988。

攔污漂岸端錨固墩設(shè)計荷載主要包括：自重、庫水壓力、揚(yáng)壓力、攔污漂浮箱的拉力，其中浮箱的拉力3 400 kN。

正常蓄水位工況下，主應(yīng)力最大橫剖面等值線分布見圖7。

從主應(yīng)力分布結(jié)果看，在庫水位高程，滑槽受浮箱集中作用力影響，傳遞至錨固墩的拉應(yīng)力平面上呈明顯的發(fā)散分布，空間上呈半球形分布。局部存在應(yīng)力集中，最大主拉應(yīng)力2.01 MPa，大于1.00 MPa范圍均集中在1 m范圍內(nèi)，逐漸減小至0.20 MPa。

岸端錨固墩建基面高程17.00 m，結(jié)構(gòu)最高32.00 m，最大懸臂高度15.00 m，明顯小于壩端錨固墩，故最大向下游測位移0.3 mm，小于壩端錨固墩向下游側(cè)位移。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力分布，采用《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中非桿系結(jié)構(gòu)配筋章節(jié)采用有限單元法進(jìn)行配筋，豎向受力筋采用φ32@20布置，滿足工程需要。

4攔污漂穩(wěn)定分析

錨固墩穩(wěn)定分析采用極限平衡方法，分別針對岸端及壩端錨固墩沿基底面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定復(fù)核。

沿基底面的抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷公式[1]計算：

(1)

式中：Kc為錨固墩沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在錨固墩上全部垂直于基底面的荷載，kN；∑H為作用在錨固墩上全部平行于基底面的荷載，kN；A為錨固墩基底面的面積，m2；f′為新老混凝土間的抗剪斷摩擦系數(shù)，取1.08；c′為新老混凝土間的抗剪斷粘結(jié)力，取1.16MPa。

錨固墩的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，應(yīng)按下式[1]計算：

(2)

式中：K0為錨固墩抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對錨固墩基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m3；∑MH為對錨固墩基底前趾的傾覆力矩，kN·m3?；炷铃^固墩抗滑穩(wěn)定計算見表1，混凝土錨固墩抗傾覆計算見表2。

5結(jié)語

富春江水電站攔污漂工程2014年底開工，按照工期要求，2015年汛期前正常投入運(yùn)行，采用對魚道改建形成壩端錨固墩的設(shè)計思路，在進(jìn)水口上游側(cè)形成攔污漂攔擋污雜物，為今后老電站攔污漂的設(shè)計提供了有益的工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 水電水利規(guī)劃設(shè)計總院. 水工設(shè)計手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2011.

[2]國家能源局.DL/T 5057—2009 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2009.

(責(zé)任編輯姚小槐)

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：王建新(1982-)，男，高級工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

中圖分類號：TV134

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-701X(2016)02-0083-03

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.024