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      砬子溝水電站消能防沖設(shè)計(jì)分析

      2022-02-18 11:32:34
      小水電 2022年1期
      關(guān)鍵詞:消能率水躍砬子

      劉 力

      (丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,遼寧 丹東 118000)

      1 工程概況

      砬子溝水電站位于遼寧省丹東市寬甸縣古樓子鄉(xiāng)砬子溝村的蒲石河之上。蒲石河為鴨綠江下游右岸的一級(jí)支流,水系發(fā)育良好,水量豐沛,多年平均徑流量7.47億m3;而且蒲石河河道平均比降為2.44‰,坡降較陡,流速亦大,蘊(yùn)藏著豐富的水能資源。砬子溝水電站作為以發(fā)電為主的水利樞紐工程,經(jīng)改造后裝機(jī)容量擴(kuò)大到2 640 kW,該水電站工程消能防沖建筑物設(shè)計(jì)中,按30 a一遇(P=3.33%)洪水設(shè)計(jì),并復(fù)核不利情況。

      2 消能防沖設(shè)計(jì)

      為使過(guò)閘水流順利消能,不致于沖刷河岸,應(yīng)根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)設(shè)置鋼筋混凝土護(hù)坦。護(hù)坦座落在覆蓋層上,并在護(hù)坦下游設(shè)置20 m長(zhǎng)的塊石海漫,消能方式采用消力池形式(底流消能)。為防止水流貼壁沖刷和沖坑回流淘刷基礎(chǔ)覆蓋層,消力坎下設(shè)置防淘墻進(jìn)入基巖[1]。

      2.1 消力池水力計(jì)算

      本項(xiàng)目閘孔后接混凝土護(hù)坦進(jìn)行底流消能,消力池深度d和底板厚度t均計(jì)算依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35023—2014),分別見(jiàn)公式(1)、(2)[2],計(jì)算結(jié)果如下所示(見(jiàn)表1)。根據(jù)以上計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn),最終確定本項(xiàng)目消力池長(zhǎng)度42.0 m,消力池底板厚度2.0 m。

      d=σ0hc-hs-ΔΖ

      (1)

      表1 不同流量和頻率下消力池尺寸計(jì)算值

      式中,σ0為水躍淹沒(méi)系數(shù),取值1.05~1.10;hc為躍后水深(m);hs為出水河床水深(m);△Z為出池落差(m)。

      (2)

      式中,k為消力池底板計(jì)算系數(shù),取值0.15~0.2;q為過(guò)閘單寬流量(m3/s);△H為閘口泄水時(shí)上下游水位差(m)。

      2.2 消力池結(jié)構(gòu)計(jì)算

      (1)消力池底板結(jié)構(gòu)計(jì)算

      消力池運(yùn)行期在水下工作,由于滲透作用可以基本保證上下水壓的平衡,不會(huì)產(chǎn)生彎矩。在自重作用下,由于地基的不均勻沉降可能產(chǎn)生局部彎矩作用;同時(shí)考慮到剛開(kāi)始放水時(shí),上下水壓平衡尚需要一定時(shí)間,最不利荷載即出現(xiàn)在此時(shí)。計(jì)算時(shí),采取理正軟件中彈性地基梁法(梁與地基共同作用)進(jìn)行地基梁計(jì)算[3]。

      經(jīng)過(guò)計(jì)算,彎矩最大值為346.20 kN·m,配筋面積為595.4 mm2,小于最小配筋率下的配筋面積,則按構(gòu)造要求進(jìn)行配筋;配筋面積為2 454 mm2,配5φ25@200,上下雙層配筋[4]。

      (2)消力池?fù)鯄?衡重墻)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

      本項(xiàng)目消力池?fù)鯄Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定采用材料力學(xué)法,擋墻前后的基底應(yīng)力按公式(3)計(jì)算[5]。經(jīng)計(jì)算,消力池?fù)鯄Φ撞科骄讐簯?yīng)力均小于0.4 MPa,其中最大基底壓應(yīng)力0.378 MPa,小于地基允許承載力的1.2倍(即0.52 MPa),滿足規(guī)范要求。

      (3)

      式中,δ為邊墻基底應(yīng)力的最大值或最小值(kPa);ΣG為作用在邊墻上的全部豎向荷載(kN);ΣM為作用在邊墻上對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向形心軸力距(kN·m);A為邊墻基底面的面積(m2);W為邊墻基底面對(duì)于該底面垂直水流方向形心軸的載面距(m3)。

      2.3 消力池消能率分析

      本項(xiàng)目委托沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院的技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)砬子溝水電站水工整體模型進(jìn)行試驗(yàn),以此驗(yàn)證各建筑物設(shè)計(jì)體型及工程樞紐布置的合理性,并最終確定不同泄洪工況下的最佳消能效果。

      2.3.1 流態(tài)分析

      通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn):一是在下泄大流量情況下,泄洪閘和沖沙閘門(mén)全開(kāi),下游消力池內(nèi)為淹沒(méi)水躍或波狀水躍流態(tài)。二是在高水位下泄小流量情況下,3孔閘門(mén)均勻局部開(kāi)啟,消力池內(nèi)均產(chǎn)生穩(wěn)定水躍,消能效果好,池內(nèi)及池后流態(tài)均佳。若只開(kāi)啟一孔或二孔閘門(mén),池內(nèi)及池后流態(tài)不佳,消能效果不好,特別是在大開(kāi)度單開(kāi)一孔閘門(mén)時(shí),水流可直接沖出池外,消能效果最差[6]。

      因此,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)盡可能保證泄洪閘3孔閘門(mén)均勻同步開(kāi)啟,避免單孔開(kāi)啟。沖沙閘在局部開(kāi)啟和全開(kāi)情況下,閘后出現(xiàn)波狀水躍或淹沒(méi)水躍。

      2.3.2 消能率分析

      (1)將消能率計(jì)算值與測(cè)得值對(duì)比,均表明在3孔泄洪閘門(mén)全部敞開(kāi)下泄大洪水時(shí),消力池內(nèi)為低佛氏數(shù)水躍,躍前佛氏數(shù)為2.5

      圖1 敞泄時(shí)消力池消能率曲線

      (2)由于在高水位小流量情況下,局部單開(kāi)或開(kāi)啟兩孔閘門(mén),閘下游流態(tài)均不及3孔閘門(mén)均勻局部開(kāi)啟時(shí)的流態(tài)好,因此建議在控泄小流量時(shí)盡可能3孔閘門(mén)均勻開(kāi)啟。

      (3)正常蓄水位情況下,3孔閘門(mén)均勻局部開(kāi)啟時(shí)消能率大小。通過(guò)計(jì)算、觀測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)在不同開(kāi)度下,躍前佛氏數(shù)為Fr>4.5,消能率為45%~75%;而且隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大消能率逐漸減小。在這些工況下池內(nèi)消能效果好,消能效率高,說(shuō)明消力池設(shè)計(jì)是合理的。

      3 下游河床護(hù)岸結(jié)構(gòu)布置分析

      根據(jù)地質(zhì)勘查和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖基礎(chǔ)揭露情況:本項(xiàng)目消力池左岸護(hù)坡基礎(chǔ)基本出露完整基巖;右岸護(hù)坡基礎(chǔ)為覆蓋層。

      (1)左岸下游靠左側(cè)方向有基巖出露,形成巖埂,對(duì)堆積體的阻滑作用顯著,因此設(shè)計(jì)左岸護(hù)坡基礎(chǔ)坐落于基巖之上,并應(yīng)減少對(duì)巖梗阻力的削弱。

      (2)右岸基礎(chǔ)及邊坡為覆蓋層,邊坡上部為通鄉(xiāng)公路,經(jīng)過(guò)幾個(gè)汛期右岸邊坡本身是自穩(wěn)的。為兼顧邊坡開(kāi)挖量小、邊坡穩(wěn)定和通鄉(xiāng)公路,綜合分析將貼坡齒槽寬度擴(kuò)大到3.0 m,既能保證邊坡穩(wěn)定,也能經(jīng)得起沖沙閘泄洪沖刷[8]。

      (3)根據(jù)模型試驗(yàn)成果,消力池末端沖坑深度約為29 m左右,沖刷坑最深處在消力坎后30 m左右,基本位于下游貼坡中部。在電站蓄水發(fā)電后,即便沖坑對(duì)貼坡穩(wěn)定有一定的影響,但不會(huì)影響電站運(yùn)行;汛后加強(qiáng)對(duì)貼坡的檢查,并在坡腳埋設(shè)粒徑大于30 cm大塊石護(hù)腳。

      (4)末端設(shè)消力坎,與原河床持平。為防止水流貼壁沖刷和沖坑回流淘刷基礎(chǔ)覆蓋層,消力坎下設(shè)置防淘墻進(jìn)入基巖,并在護(hù)坦下游設(shè)置20 m塊石海漫,厚度6.50 m。

      4 結(jié) 語(yǔ)

      水電站消能防沖對(duì)于維護(hù)下游河床及護(hù)坡穩(wěn)定十分重要,砬子溝水電站的消力池結(jié)構(gòu)主要通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)P蛠?lái)確定基本形式,對(duì)后期施工有著明確指導(dǎo);但同時(shí)這種方式也面臨一定問(wèn)題,可能計(jì)算和模擬結(jié)果過(guò)于理想化,導(dǎo)致與現(xiàn)場(chǎng)存在偏差,這就需要技術(shù)人員在設(shè)計(jì)時(shí)留有一定改進(jìn)余量。

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