梅江干流合江水電站增效擴(kuò)容改造安全復(fù)核研究

黃學(xué)宇

（梅州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 梅州 514000）

1 項(xiàng)目背景

合江水電站位于梅江干流上游，壩址位于廣東省五華縣水寨鎮(zhèn)善坑村。電站主要由閘壩、調(diào)節(jié)閘、電站廠房、升壓站、綜合樓及其他附屬建筑物組成，是以發(fā)電為主兼顧航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游的綜合水利工程，正常蓄水庫(kù)容1510 萬(wàn)m3?，F(xiàn)電站廠房?jī)?nèi)裝有12 臺(tái)600 kW 立式軸流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為7200 kW，原設(shè)計(jì)水頭3.8 m，設(shè)計(jì)發(fā)電總流量231 m3/s，年利用小時(shí)3574 h，改造前多年平均發(fā)電量2573萬(wàn)kW·h。攔河閘壩為3孔凈寬60 m的橡膠壩，橡膠壩和廠房之間設(shè)有3 孔凈寬10 m 的調(diào)節(jié)控制閘。電站正常蓄水位為99.56 m（85 高程）。水電站工程樞紐等別為Ⅲ等，主要永久性建筑物為3級(jí)，按50 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核。

電站自2010 年開始投產(chǎn)發(fā)電。目前存在主要問(wèn)題為：因電站機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，致使運(yùn)行管理不便；由于機(jī)電設(shè)備陳舊老化，水資源不能充分利用；因電站下游河床下切嚴(yán)重，水輪機(jī)尾水管外露及機(jī)組振動(dòng)，不僅影響工程效益，還存在較大安全隱患；運(yùn)行管理自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致管理效率較低。為充分利用水資源，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，擬對(duì)合江水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容技術(shù)改造：拆改原有廠房和攔河閘壩；拆除原發(fā)電機(jī)組，改造后的水電站總裝機(jī)容量為27200 kW，安裝5 臺(tái)軸流定漿式水輪發(fā)電機(jī)，其中1 臺(tái)2000 kW 生態(tài)機(jī)組靠左岸、另外4 臺(tái)6300 kW大機(jī)從左至右依次排開。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 水文氣象條件

梅江干流屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，洪峰以熱帶氣旋引發(fā)暴雨為主。梅江流域徑流年際變化較大，年內(nèi)分配極不均勻：夏季高溫濕熱，水汽含量大，常帶來(lái)大雨、暴雨，歷史有水文記載以來(lái)最大洪峰流量為6810 m3/s。

本次水電站增效擴(kuò)容改造在原址建設(shè)新廠房和攔河閘壩，更換發(fā)電機(jī)組，正常蓄水位99.56 m，計(jì)算采用1954—2018 年水文資料，多年平均洪峰流量2146 m3/s。

2.2 地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆陞^(qū)，地勢(shì)開闊，山體高程一般在150.0～250.0 m，山體雄厚，覆蓋層較厚，少見(jiàn)基巖出露。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性斷層。素填土結(jié)構(gòu)松散，承載力低，不宜作為基礎(chǔ)持力層；細(xì)中砂、卵石工程性質(zhì)一般，承載力一般，滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)可考慮作為基礎(chǔ)持力層；強(qiáng)風(fēng)化礫巖、弱風(fēng)化礫巖工程性質(zhì)好，承載力較高，是良好的基礎(chǔ)持力層及下臥層。

3 安全穩(wěn)定分析

3.1 廠房安全穩(wěn)定分析

3.1.1 工況條件

按照地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工現(xiàn)狀進(jìn)行電站廠房穩(wěn)定分析，包括：①建基面抗滑穩(wěn)定分析。當(dāng)廠房地基內(nèi)部存在不利于廠房整體穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，進(jìn)行沿軟弱結(jié)構(gòu)面的深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算。②廠房基面法向應(yīng)力計(jì)算。③廠房抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算（包括廠房Ⅱ期混凝土未澆筑情況）[1，2]。

3.1.2 計(jì)算方法

廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力分析采用材料力學(xué)理論。廠房整體抗滑性可按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算?；瑒?dòng)面的抗剪摩擦系數(shù)、黏聚力取值，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)工程類比，按有關(guān)規(guī)范分析研究確定[3]。

3.1.3 廠房穩(wěn)定計(jì)算

電站為河床式廠房，建基面位于紫紅色中風(fēng)化礫巖圓礫層上，地基與混凝土建筑物之間的抗剪摩擦系數(shù)為0.6、黏聚力為35 kPa、內(nèi)摩擦角為25°、允許地基承載力為1800 kPa。按照《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL266-2014），電站廠房整體穩(wěn)定地基應(yīng)力計(jì)算以主機(jī)室段作為一個(gè)整體，按機(jī)組正常運(yùn)行、機(jī)組未安裝、機(jī)組檢修、機(jī)組非正常運(yùn)行4種工況分別計(jì)算[4]。

工況1：機(jī)組正常運(yùn)行，上游正常蓄水位99.56 m，下游最低水位為88.58 m的基本荷載組合。

工況2：機(jī)組未安裝，上游正常蓄水位99.56 m，下游水位97.34 m。

工況3：機(jī)組檢修，上游正常蓄水位99.56 m，下游為5臺(tái)滿發(fā)水位90.00 m時(shí)的特殊荷載組合。

工況4：機(jī)組非正常運(yùn)行，上游校核洪水位為104.59 m，下游校核洪水位為102.44 m。

廠房整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表1。

表1 廠房整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表1 可知，廠房抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K遠(yuǎn)大于1.1，表明廠房抗滑穩(wěn)定滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.1.4 廠房抗浮計(jì)算

廠房抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表2。

表2 廠房抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，不同工況下的廠房抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kf均大于1.1，表明廠房抗浮穩(wěn)定能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.1.5 廠房應(yīng)力計(jì)算

廠房地基面法向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表3。

表3 廠房地基面法向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果kPa

電站基礎(chǔ)坐落于紫紅色礫巖，弱風(fēng)化礫巖工程性質(zhì)好，承載力較高，是良好的基礎(chǔ)持力層及下臥層，允許承載力為1800 kPa。計(jì)算結(jié)果表明，正常組合及特殊組合下廠房基底最小法向應(yīng)力均大于零、最大法向應(yīng)力不超過(guò)地基允許承載力。

3.2 擋墻穩(wěn)定計(jì)算

本次主要是對(duì)電站上游左岸擋墻以及電站尾水渠左岸擋墻進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，選取高度最大的典型斷面，采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 計(jì)算工況

（1）進(jìn)水口側(cè)墻。工況1：正常蓄水位；工況2：設(shè)計(jì)洪水位；工況3：校核洪水位；工況4：設(shè)計(jì)洪水驟降；工況5：完建。

（2）尾水渠導(dǎo)墻。工況1：最低運(yùn)行水位；工況2：最高運(yùn)行水位；工況3：設(shè)計(jì)洪水位；工況4：校核洪水位；工況5：設(shè)計(jì)洪水驟降。

上述各工況計(jì)算水位取值參考《合江水電站增效擴(kuò)容改造初步設(shè)計(jì)報(bào)告》有關(guān)內(nèi)容。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

電站進(jìn)水口擋墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果和尾水渠擋墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表4—5。

表4 進(jìn)水口擋墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表4和表5可知，各工況下?lián)鯄够€(wěn)定系數(shù)均大于1.1、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3，均達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范穩(wěn)定取值。

表5 尾水渠擋墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.3 水閘過(guò)流能力復(fù)核

當(dāng)河道發(fā)生設(shè)計(jì)洪水時(shí)，閘門全開。水閘過(guò)流能力采用堰流公式計(jì)算。由于泄水閘上游鋪蓋高程高于水閘溢流堰面高程，在計(jì)算泄水閘的過(guò)流能力時(shí)應(yīng)同時(shí)核算上游鋪蓋的過(guò)流能力，方法為以泄水閘下游水位為控制水位，先計(jì)算水流過(guò)閘水位，再分析閘上水位對(duì)上游鋪蓋（寬頂堰）過(guò)流的影響，最后計(jì)算堰頂水位[5]。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)河道發(fā)生設(shè)計(jì)和校核洪水時(shí)，泄水閘上水位對(duì)上游鋪蓋（寬頂堰）過(guò)流能力有一定的影響，即上游堰流為淹沒(méi)出流，水閘過(guò)流能力復(fù)核結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表6 水閘過(guò)流能力復(fù)核結(jié)果

本工程泄水閘閘孔總凈寬為180.0 m，經(jīng)復(fù)核，其過(guò)流能力滿足要求。

3.4 水閘穩(wěn)定計(jì)算

3.4.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表7。

表7 閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表7 可知，本工程閘室在各工況下抗滑穩(wěn)定符合相關(guān)規(guī)范要求。

3.4.2 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

閘室抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表8。

表8 閘室抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表8 可知，本工程閘室在各工況下抗浮穩(wěn)定符合相關(guān)規(guī)范要求，

3.4.3 閘室基底應(yīng)力計(jì)算

閘室基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表9。

表9 閘室基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表9 可知，本工程閘室在各工況下基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范要求，

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)合江水電站的廠房、電站左岸擋墻、水閘過(guò)流、閘室安全穩(wěn)定計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，其抗滑、抗傾、抗浮等各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均符合相關(guān)規(guī)范要求，表明項(xiàng)目改造完全滿足安全穩(wěn)定條件。