小山口二級(jí)水電站引水閘設(shè)計(jì)

（廣東粵港供水有限公司，深圳市，518021） 閆軍南（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州市，450003） 孫永波

1 工程概況

新疆小山口二級(jí)水電站位于巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)的開都河小山口電站下游7.5km 處，無(wú)壓引水電站，工程規(guī)模為中型。發(fā)電引用小山口電站尾水，根據(jù)樞紐布置，需在小山口電站尾水渠左側(cè)修建一座引水閘，即為小山口二級(jí)水電站引水閘。該引水閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)200年一遇，抗震設(shè)防烈度為8度。

小山口二級(jí)水電站引水閘運(yùn)行方式一般是全開引水發(fā)電。該閘直接從小山口水電站尾水渠取水，其縱向軸線與小山口尾水渠軸線夾角41°，閘后連接小山口二級(jí)水電站引水渠。引水閘設(shè)計(jì)引水流量為196.5m3/s，閘前設(shè)計(jì)引水位為1 278.62m，閘前設(shè)計(jì)壅高水位為1 279.11m。為防止泥沙進(jìn)入渠道，在引水閘前引渠首部設(shè)攔沙坎，坎頂高程1 275.10m，高于相應(yīng)位置退水渠底板0.5m。

為使水流平順過(guò)閘，閘室前布置20m的扭曲面段及10m 的矩形斷面段引渠。扭曲面段引渠翼墻由混凝土貼坡翼墻漸變到混凝土半重力式翼墻：貼坡翼墻端部斷面的迎水面邊坡坡度為1：1.75，底部邊坡坡度為1：1.69，翼墻高度為9.60m，齒墻寬度為2.0m，頂部護(hù)肩寬度為0.5m；半重力式翼墻高度9.60m，基底寬度為8.60m，立板墻背設(shè)有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)在離墻頂5.0m 處，坡度為1：0.2；第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下2.27m 處設(shè)第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)，坡度為1：0.8；底板設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，坡度為1：2。矩形斷面引渠采用半重力式翼墻。引渠底板采用0.5m 厚混凝土襯砌，上下游端均設(shè)齒墻。

引水閘采用平底閘，三孔一聯(lián)，單孔凈寬為6.0m，中墩寬度為1.2m，邊墩寬度為1.5m，閘墩頂高程為1 280.95m，閘室底板高程為1 272.35m，閘室總寬23.4m，閘室長(zhǎng)14.5m。為改善閘墩的受力條件，在閘室頂部現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，梁斷面為0.30m×0.6m（寬×高），板厚度為0.30m，其中閘室頂部梁板結(jié)構(gòu)上游側(cè)4.5m范圍為交通橋，其余的為工作橋。閘室采用C25 混凝土，抗凍、抗?jié)B標(biāo)號(hào)分別為F250、W6；二期混凝土和交通橋、工作橋采用C30混凝土，抗凍標(biāo)號(hào)分別為F250。

工作閘門采用平板鋼閘門，啟閉設(shè)備采用卷?yè)P(yáng)機(jī)型式，啟閉機(jī)室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。上、下游側(cè)各設(shè)一道檢修門，采用鋼板疊梁門，啟閉設(shè)備采用定滑輪起吊型式，該起吊設(shè)備布置在工作閘門啟閉機(jī)室的外懸挑梁上。

閘室后布置長(zhǎng)16.4m 深0.7m 的消力池，消力池底板厚0.8m，兩邊為半重力式翼墻，翼墻高度10.30m，基底寬度為9.30m，立板墻背設(shè)有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)在離墻頂5.0m 處，坡度為1：0.2；第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下3.0m處設(shè)第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)，坡度為1：0.8；底板設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，坡度為1：2；消力池后30m的扭曲面渠段，15m設(shè)置一道伸縮縫，由半重力式翼墻漸變到渠道貼坡翼墻，與小山口二級(jí)水電站引水渠道銜接，擋墻體型同閘前段。

小山口二級(jí)電站引水渠為混凝土面板襯砌，底寬為3.80m，渠邊坡坡比為1:1.5，縱坡為1/5 000，糙率取0.014。小山口二級(jí)水電站引水閘平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 小山口二級(jí)水電站引水閘平面布置圖

2 地質(zhì)條件

小山口電站尾水渠地質(zhì)條件為砂礫石層、泥巖（微膠結(jié)）和砂礫巖（微膠結(jié)），基礎(chǔ)承載力為425.0kPa，抗剪摩擦系數(shù)為0.45。小山口二級(jí)電站引水閘即座落該層基礎(chǔ)上。

3 引水閘上下游翼墻形式比選

引水閘上游直段翼墻和下游消力池段翼墻高均為9.60m，適合采用半重力式或扶壁式翼墻。

半重力擋土墻主要由立板和底板組成，可采用低標(biāo)號(hào)的混凝土，不用或僅用少量鋼筋。它的主要特點(diǎn)是施工簡(jiǎn)易，并可分期施工；地基應(yīng)力小而均勻，適用于軟弱地基和地下水位較高的情況。

扶壁式擋土墻是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻，由立板（立壁）、底板及扶壁組成。扶肋把立壁同底板連接起來(lái)，起加勁的作用，以改善立壁和墻踵板的受力條件，提高結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，減小立壁的變形。它的主要特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，墻身斷面較小，自身質(zhì)量輕，可以較好地發(fā)揮材料的強(qiáng)度性能，能適應(yīng)承載力較低的地基。

通過(guò)做兩種擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用單寬1.0m擋土墻計(jì)算工程量，見(jiàn)表1。

經(jīng)比較，半重力式翼墻投資造價(jià)比扶壁式翼墻要略低一點(diǎn)。同時(shí)半重力式翼墻則具有立模較為簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)，本工程選半重力式翼墻為推薦方案。

4 引水閘水力計(jì)算

引水閘過(guò)閘水位差取0.18m。引水閘處于高淹沒(méi)度（hs/H0≥0.9），閘孔總凈寬按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001附錄A公式（A.0.2-1）、（A.0.2-2）計(jì)算：閘孔總凈寬：

淹沒(méi)堰流的綜合流量系數(shù)：

其中，設(shè)計(jì)引水流量為196.5m3/s，閘前水深為H=6.26m，閘后水深hs=6.09m。引水閘過(guò)流能力計(jì)算成果見(jiàn)表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選定閘孔寬度為3×6m（孔數(shù)×單孔寬）。

5 引水閘消能設(shè)計(jì)

表1 擋土墻工程量比較

表2 閘孔總凈寬計(jì)算成果表

當(dāng)引水閘在引水渠道檢修完成后開閘泄水時(shí)，為保護(hù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)，考慮在引水閘后設(shè)置一消力池。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001 附錄B 公式（B.1.1-1）～（B.1.1-4）計(jì)算消力池深度，閘前水深取H=6.27m，渠道下游水深取閘門不同開度下對(duì)應(yīng)流量的臨界水深。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)閘門為小開度0.2時(shí)，消力池深度為0.67m，長(zhǎng)度為16.34m。計(jì)算成果表見(jiàn)表3。

表3 小山口二級(jí)引水閘消力池計(jì)算成果表

表4 閘室穩(wěn)定計(jì)算工況及荷載組合表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，小山口二級(jí)引水閘消力池長(zhǎng)度取16.4m，深度為0.70m，消力池段總長(zhǎng)度18.0m。由《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001 附錄B.1.3 條，對(duì)消力池抗沖抗浮計(jì)算，消力池底板厚度取0.80m，滿足要求。引水閘縱剖面圖見(jiàn)圖2。

圖2 引水閘縱剖面圖

6 引水閘穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)計(jì)算

6.1 閘室穩(wěn)定計(jì)算

引水閘三孔一聯(lián)。閘室總寬23.4m，閘室長(zhǎng)14.5m。閘墩頂高程為1 280.95m，啟閉機(jī)房頂高1 294.00m，閘基高程1 270.85m，閘室總高23.15m。閘基座落在泥質(zhì)粉砂巖基礎(chǔ)上，計(jì)算工況及荷載組合見(jiàn)表4。

由于閘基基礎(chǔ)為泥質(zhì)粉砂巖基礎(chǔ)，屬于極軟巖，類似半巖半土，為確保引水閘穩(wěn)定安全，對(duì)引水閘穩(wěn)定進(jìn)行抗剪計(jì)算。其抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001計(jì)算：

①閘室基地應(yīng)力計(jì)算公式

②抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式

式中：f——閘室基底面與地基之間的抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取0.4；引水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力核算成果見(jiàn)表5。

由水閘設(shè)計(jì)規(guī)范可知，對(duì)于地震工況的水閘，閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值可適當(dāng)增大。綜合分析，引水閘抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

6.2 閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算

表5 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力匯總表

表6 引水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算配筋表

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)，對(duì)閘墩的結(jié)構(gòu)計(jì)算按照偏心受壓計(jì)算；對(duì)閘室底板的結(jié)構(gòu)計(jì)算采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》中《G-2彈性地基梁計(jì)算程序》計(jì)算，結(jié)構(gòu)裂縫限裂寬度為0.30mm，計(jì)算成果見(jiàn)下表6。

7 引水閘上下游擋土墻設(shè)計(jì)

為使水流平順過(guò)閘，閘室上游布置20m的扭曲面擋墻段及10m的矩形斷面擋墻段引渠，矩形斷面引渠段擋墻為半重力式擋墻。閘室后消力池段總長(zhǎng)16.8m。消力池兩側(cè)為半重力式翼墻，并順流向向兩側(cè)擴(kuò)散，擴(kuò)散角為7°。消力池后設(shè)20m 的扭曲面擋墻渠段，從矩形過(guò)流斷面漸變到底寬為3.80m邊坡1：1.5的梯形斷面渠道。

8 結(jié)論

小山口二級(jí)水電站引水閘位于引水渠首端，閘室為三孔結(jié)構(gòu)，每孔寬度為6m，共一聯(lián)。閘室結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單實(shí)用，緊湊合理，功能齊全，運(yùn)行簡(jiǎn)便。小山口二級(jí)水電站引水閘已投入運(yùn)行多年，總結(jié)該引水閘平面布置、水力學(xué)計(jì)算、穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計(jì)算等設(shè)計(jì)思路及方法，實(shí)踐證明，本閘各項(xiàng)參數(shù)取值合適，閘室安全，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。