河床式電站泄水閘水工結構設計研究

王偉建，崔金秀

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢430064）

1 工程概況

小漩水電站工程位于堵河中游，電站屬Ⅲ等中型工程。樞紐總布置呈一字型，主要由泄水閘、河床式廠房和升壓站、左右岸連接堆石壩等建筑物組成。工程主體建筑物為3級，洪水標準按50年一遇洪水設計；1000年一遇洪水校核。消能防沖建筑物洪水標準采用30年一遇洪水設計[1]。泄水閘總凈寬90m，單孔凈寬15m，共6孔，下游采用底流消能。河床式廠房布置于泄水閘左側，左、右岸連接壩段為垂直心墻堆石壩。

2 泄水閘孔數(shù)及閘底板高程比選

2.1 泄水閘孔數(shù)比選

2.1.1 方案擬定

在閘孔總寬度相同的情況下，水閘單孔凈寬選用越大，其閘墩數(shù)量則越少，有效過流面積越大，但水閘閘門重量與啟閉機的容量也將增加，當兩者之間達到某個平衡點時，工程量最省。參考類似工程，結合工程實際，選擇閘孔單寬15.00m進行設計。根據選定壩址的地形地質條件，選取6孔和8孔水閘進行比較，閘孔單寬15.00m，其閘孔總凈寬分別為90.00m、120.00m，分別對應方案一（6孔）和方案二（8孔）。

2.1.2 方案布置

方案一（6孔）的工程布置見本文工程概況中的有關敘述。

方案二（8孔）的工程布置與方案一基本相同。由于廠房左側灘地較窄，受進廠道路、回車場等布置要求，廠房不宜過多的往左移動，與方案一相比向左偏移5.00m，泄水閘緊鄰廠房右側布置，總凈寬120.0m，其余建筑物布置與方案一同。根據施工導流的要求，縱向混凝土圍堰將泄水閘分為左3孔、右側5孔，兩岸為連接壩段。由于該方案泄水閘凈寬增加了30.00m，控制閘頂高程的校核水位降低了1.60m，壩頂高程由270.50m降低至268.90m，土石壩壩頂防浪墻高程降低至269.90m。壩頂總長度縮短5.00m，為376.81m。由于下泄單寬流量減小，消力池長度縮短1.20m。由于水閘寬度增加，下游河床疏挖壩下起始寬度增加39.00m。

2.1.3 方案比選及結論

1）工程布置。方案二增加了2孔泄水閘，在布置空間上，泄水閘基本與右岸階地相接，泄水閘的進出水水流條件不如方案一。2方案的廠房平面位置變化很小，廠房的進、出水條件基本相同。工程布置，方案一優(yōu)于方案二。

2）施工條件和工期。2個方案的施工條件和工期基本相同，縱向圍堰的平面布置基本相同，二期導流同樣是利用左側3孔泄水閘。

3）移民征地。由于方案二閘孔數(shù)增加了2孔，水庫20年一遇（P=5%）洪水和5年一遇（P=20%）洪水影響線有所下降，但不涉及集中的農村居民點、集鎮(zhèn)、企事業(yè)單位、專項設施以及大片耕地、園地，方案二減少的淹沒實物指標不多。2個方案壩區(qū)的實物指標相同。根據2個方案征地移民補償靜態(tài)總投資比較，移民征地方案二略優(yōu)于方案一。

4）工程量及投資。根據2個方案的主要工程量和靜態(tài)投資對照計算，工程量及投資方案一小于方案二。經濟指標，方案一明顯優(yōu)于方案二。

5）泄水閘孔數(shù)比選結論。綜上所述，工程布置，方案一優(yōu)于方案二；施工導流及工期，2個方案基本相當；移民征地，方案二略優(yōu)于方案一；工程量及投資，方案一優(yōu)于方案二。綜合考慮，推薦方案一，即6孔水閘方案。

2.2 閘底板高程比選

壩址常水位河床水面寬度110.00m，河床高程249.90～251.00m，河床砂卵石層厚5.25～6.15m，炭質板巖頂板最低出露高程244.85m，壩軸線處一般在246.00m處。

泄水閘采用較低的閘底板高程，有利于增加過閘水深和過閘單寬流量，減少閘室總寬度，有利于泄洪和排沙，但將導致閘身和兩岸結構以及閘門的高度的增加，同時給下游的消能防沖布置帶來困難；較高的閘底板高程，不利于泄洪沖沙，要求的泄水閘過流凈寬大，占用較多的河床斷面，給其他建筑物的布置帶來不便，并且較高的水閘底板亦不容易坐落在完整的基巖上，勢必將增加基礎處理難度，不利于閘室的穩(wěn)定。

對于本工程，泄水閘的主要任務是宣泄堵河汛期洪水，因此，其底板高程應盡量與河床高程平齊，以加大泄流能力。泄水閘閘室段河床高程在250.00～251.00m，基巖頂板線在245.50～246.80m，表層砂卵石覆蓋層比較薄，考慮將其全部清除，底板高程采用249.00m，閘底板厚4.00m，建基面高程245.00m。

3 閘室結構設計

經泄流能力計算，擬定泄水建筑物總凈寬為90.00m，共6孔（與廠房相接的2孔兼作沖沙孔），單孔尺寸15m×15m，因施工導流的需要，泄水閘被施工縱向圍堰分割為左、右邊各3孔，結合閘室段的地基條件和結構穩(wěn)定分析計算，閘室采用兩孔一聯(lián)，靠近縱向圍堰1孔一聯(lián)。經過計算，中墩、邊墩厚度均采用3.00m（靠近廠房側邊墩厚4.0m）。兩孔一聯(lián)閘段寬39.00m，一孔一聯(lián)閘段寬21.00m，閘室前緣總寬度121.00m（未包括縱向圍堰和分縫）。

確定閘頂高程270.50m，閘高25.50m；閘室順水流向尺寸由閘頂交通、弧門布置需要確定，底板長度采用35.0m，閘墩頂部在上、下游側均外挑，順水流向長39.55m。交通橋設在閘頂上游，從檢修閘門的門機下穿過，可有效地減少閘墩順水流向長度，橋面總寬7.40m，門機大梁與交通橋T形板梁支座梁共用。

水閘上游設檢修閘門1套，設計水頭15.0m，由4節(jié)相同的疊梁門組成。閘門啟閉采用壩頂2×500k N門機通過液壓自動掛脫梁操作，門機下游側設置1套轉柱式懸臂吊，用于弧門部件的安裝和檢修。工作閘門采用6扇弧形閘門，設計水頭15.00m，每孔閘門選用1套QHLY2×2000k N液壓式啟閉機操作，液壓啟閉機房設在閘墩下游，縱向圍堰左、右邊3孔各設4個啟閉機房，共4個啟閉機房。

4 消能防沖設計

泄水閘下游采用底流消能工消能。由于消力池內水流最大流速達到18.00m/s，基本達到了設置消力墩的流速上限，水力學模型試驗的結果表明，設置消力墩的效果不太明顯，加之消力墩在高速水流沖刷和泥沙磨蝕下容易損毀，因此，池內不設消力墩。結合泄水閘調度運行方式，進行消能工計算后擬定消力池總長61.06m，池深3.50m，板厚2.00m，池底板高程243.50m，消力池尾坎頂高程為247.00m；消力池上游起始段為2.00m的水平段，再以1∶4的斜坡與底板連接，池身水平段長度35.06m。

通過對池底板的抗浮計算，在檢修工況時池底板不滿足要求，需采取工程措施。考慮到消力池在泄水閘中的重要性，在池底板采取設排水孔和錨筋措施，排水孔間、排距2.00m，孔徑8cm；錨筋直徑32mm，Ⅱ級鋼筋，間、排距1.40m，深入基巖6.10m，梅花形布置。

下游河床疏挖至247.00m的基巖高程后，下游河段斷面面積加大，水流流速相對減小，這對于減小池末端的沖刷是比較有利的。下游沖刷深度計算表明，消能設計工況下，海漫末端的河床沖刷深度3.47m，沖坑底部高程243.53m，為了防止水流淘刷，危及消力池的安全，在池末端設鋼筋混凝土齒槽，以增加嵌入基巖的深度，齒槽底高程239.50m，低于設計沖坑深。消力池后設0.30m厚、15.00m長C15混凝土防護段，以減少對池末端的淘刷。

5 結語

河床式電站的泄水閘是重要的水工建筑物，通過對其的設計研究和方案優(yōu)化，選擇適宜的設計方案，對電站的順利施工和安全運行十分重要。