果多水電站引水系統(tǒng)設計特點

申顯柱 邵凌峰 駱世威

摘 要：果多水電站為壩后式水電站，工程區(qū)地處高海拔、寒冷地區(qū)，地震烈度較高。引水系統(tǒng)布置于重力壩引水壩段，其壩式進水口布置空間受限、壩后背管存在防寒抗震要求和大型牛腿結(jié)構(gòu)設計等存在深入研究論證的問題。

關(guān)鍵詞：果多水電站 壩式進水口 壩后背管 大型牛腿

1.工程概述

果多水電站位于西藏扎曲河段熱曲匯口上游4km處，水庫正常蓄水位高程3418m，相應庫容為7959萬m3，最大壩高83m，裝機容量160MW（4×40MW），為三等中型工程，樞紐布置由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、壩身泄洪沖沙孔、左岸排沙管、左岸引水壩段及壩后廠房等建筑物組成。地震基本烈度Ⅶ度，水平地震加速度0.09g。壩址多年平均氣溫5.6oC，極端最低氣溫-20.7oC，年平均日溫差為16℃。工程區(qū)地處高海拔、寒冷地區(qū)，地震烈度較高。

引水系統(tǒng)位于左岸擋水壩段，采用單管單機的供水方式，由壩式進水口及壩后背管兩部分組成。單條引水管路長98.74m，引用總流量365m3/s，流速5.25m/s。進水口底板高程為3398.00m，塔頂操作平臺與壩頂同高。進水口由攔污柵、喇叭口、閘門井和通氣孔組成，采用四孔分體式布置，進水口前緣寬度64.50m，順水流方向長17.85m。壩后背管采用全留槽（淺埋管）布置型式，斜井段背管外包混凝土外緣與下游壩面重合。四條鋼管平行布置，中心間距15.8m。鋼管直徑4.8m，外包C20W8F200混凝土厚1.2m，管壁厚度14～18mm（Q345R）。引水系統(tǒng)縱剖面布置見圖1。

2.進水口設計特點

2.1 進水口底板高程確定

考慮如下因素：（1）應高于河床沖淤平衡高程3378.38m。（2）進水口淹沒深度應有一定富余深度。（3）按規(guī)范的要求，淹沒深度要滿足冬季庫區(qū)結(jié)冰后的運行要求。

2.2 進水口結(jié)構(gòu)型式選擇

壩式進水口布置于左岸引水壩段。因為常規(guī)進水口的布置長度較大，所以應盡量縮短進水管道長度，減少喇叭口、閘室、通氣孔等開孔對壩體的削弱。通過對大古力第三電廠、長江三峽等類似工程的分析研究后，提出設計原則：（1）進水口的喇叭口頂板、兩側(cè)邊墻及底板均由不同半徑的圓弧曲線或橢圓曲線組成，并盡量做成四邊對稱的鐘形喇叭口，以便水流流態(tài)穩(wěn)定。（2）將第一道平板檢修閘門布置在喇叭口進口斷面處，第二道平板快速事故閘門布置在喇叭口末端。（3）進水口的過水流道斷面積不宜過大，喇叭口進口斷面面積一般為引水主管道斷面面積的1.8～2倍，末端斷面面積為引水主管道斷面面積的一倍或稍大，其高寬比一般為1.5：1。（4）進水口后緊接的漸變段長度一般為引水主管直徑的一倍或者稍大。（5）結(jié)合引水壩段寬度及冬季庫區(qū)冰蓋厚度對攔污柵的影響，確定攔污柵底板高程3394.80m，底部坐落在壩體上游懸挑7.35m的牛腿上。

根據(jù)以上原則，本電站壩式進水口的孔口面積減小，對壩體的削弱影響減小，孔口曲線簡化，且與進水流線更吻合。

3.壩后背管設計特點

3.1 壩后背管布置型式選擇

（1）布置原則：①需考慮本工程布置特點，使樞紐布置整體協(xié)調(diào)、順暢；②盡量減少對壩體的削弱，減少對大壩混凝土施工與壓力鋼管安裝之間的干擾；③盡量縮短管道長度，節(jié)省工程量；④需考慮管道防寒保溫效果；⑤具有良好的抗震性能。

（2）布置型式選擇。壩后式水電站多采用壩后背管結(jié)構(gòu)布置型式，即管道穿過進水口后的壩體，隨后平行于下游壩面布置，如已建成投產(chǎn)發(fā)電的五強溪、景洪、金安橋、三峽等水電站工程。這種布置型式既能減少壩體混凝土施工與壓力鋼管安裝之間的干擾，又可使壓力鋼管隨機組先期投產(chǎn)運營而提前獲得效益。鑒于本電站鋼管管徑不大，重點對兩種典型的壩后背管布置方案進行研究、比較及選擇，第一種是采用全留槽（淺埋管）方案，第二種是全背管方案。兩個方案剖面布置見圖1、圖2，綜合比較內(nèi)容見表1。

本工程位于西藏高海拔、寒冷地區(qū)，地震烈度較高，因此鋼管的防寒保溫效果和抗震性能不容忽視。最終選擇全留槽（淺埋管）布置方案。

3.2 壩后背管結(jié)構(gòu)計算

（1）常規(guī)計算方法。常規(guī)計算方法是指采用規(guī)范進行各工況結(jié)構(gòu)計算分析，壩后背管按鋼襯鋼筋混凝土管道聯(lián)合承載設計，鋼材選用Q345R，鋼筋選用HRB400，外包C20混凝土厚度1.2m，選取三個典型斷面進行結(jié)構(gòu)計算，成果見表2。

（2）有限元法計算。有限元法計算所采用的模型分為殼單元和實體單元兩類，混凝土和鋼管按共節(jié)點方式處理，并考慮晝夜溫差的不利工況。在內(nèi)水壓力作用下，鋼管的Mises應力分布見圖3，混凝土的第一主應力分布見圖4。

計算成果表明，壩后背管由于受到壩體混凝土的三面約束，鋼管的Mises應力最大值10.32MPa，整體應力水平較低。壩面在垂直于水流方向的低高程區(qū)域第一主應力最大值為1.29MPa，大于混凝土的抗拉強度設計值，會有順水流方向裂縫出現(xiàn)。結(jié)合計算成果進行配筋計算，垂直水流方向的壩面受力鋼筋Φ22@15cm，鋼管外包混凝土迎水面內(nèi)層受力鋼筋Φ25@20cm，裂縫寬度最大值為0.27mm，滿足要求。

綜上所述，通過對壩后背管采用不同方法進行分析計算，其結(jié)構(gòu)應力處于較低水平，且有結(jié)構(gòu)配筋措施，故安全性可以得到保障。

4.大型牛腿結(jié)構(gòu)設計研究

4.1 基本情況

本電站壩式進水口與大壩檢修閘門共用一個門機。根據(jù)壩頂結(jié)構(gòu)布置特點及門機布置、運行需求，需在進水口左右兩側(cè)端部向上游各懸挑7.35m的大型牛腿，牛腿結(jié)構(gòu)采用C20混凝土，鋼筋選用HRB400，門式啟閉機軌道單點荷載作用在牛腿上的豎向輪壓標準值Fvk=770kN。牛腿結(jié)構(gòu)斷面見圖5。

按現(xiàn)行規(guī)范采用常規(guī)方法對牛腿配筋進行計算時，由最小配筋率控制，但是牛腿跨度長、斷面尺寸大，導致鋼筋直徑很大、間距極密，給鋼筋的加工安裝造成難度，也影響到混凝土的澆筑下料施工和振搗密實，同時高海拔、寒冷地區(qū)對混凝土施工質(zhì)量控制要求很嚴格，這些技術(shù)問題處理不當將會影響結(jié)構(gòu)的安全性。因此，在參考已建工程同類型牛腿結(jié)構(gòu)設計資料的基礎上，對本工程所涉及的具體問題進行了重點研究分析。

4.2 牛腿結(jié)構(gòu)配筋計算

經(jīng)過對牛腿高度驗算，滿足裂縫控制條件，現(xiàn)僅對縱向受拉鋼筋配筋計算進行重點研究，按不同計算方法考慮的縱向受拉鋼筋計算成果見表3。

通過上述計算成果表可知，按常規(guī)牛腿方式計算得到的縱向受拉鋼筋面積最小，按簡化牛腿方式、懸臂梁方式及有限元應力圖形法計算得到的鋼筋面積基本相當，按規(guī)范規(guī)定的大體積混凝土方式考慮配筋面積最大，但均遠小于按結(jié)構(gòu)最小配筋率計算結(jié)果。從有限元應力圖形上可以看出，牛腿結(jié)構(gòu)內(nèi)部總拉應力值并不大，按有限元應力圖形法算得的配筋量已基本能滿足要求。最終選配鋼筋為Φ32@15cm（面積AS=5361mm2）。

5.結(jié)語

果多水電站引水系統(tǒng)具有壩式進水口整體布置緊湊且體形合理、壩后背管采用防寒抗震全留槽（淺埋管）結(jié)構(gòu)型式、大型牛腿結(jié)構(gòu)設計配筋計算方法研究等鮮明技術(shù)特色，可為同類工程借鑒。電站自2015年12月首臺機組并網(wǎng)發(fā)電以來，引水系統(tǒng)至今運行良好。

參考文獻：

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