砬子溝水電站消能防沖設(shè)計(jì)分析

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。