靖宇縣福生水電站泄水建筑物設計

胡順志 ，鞠 曄 ，鄭 軍 ，劉 峰

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

1 工程概況

福生水電站位于白山市靖宇縣花園口鎮高麗城子村北側，是松花江流域頭道松花江中下游的徑流式梯級電站，該工程是一座以發電為主，兼顧旅游等綜合利用的小型工程。

壩址控制流域面積4 750 km2，水庫正常蓄水位419.50 m，相應庫容 93.00萬 m3，工程規模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等工程。電站樞紐自右至左由右岸漿砌石擋水壩段、自由溢流壩段、翻板門泄水閘壩段、沖砂閘壩段、河床式發電廠房壩段和左岸擋水壩段等組成。

2 壩址區地形地質條件

壩址位于頭道松花江干流上，河道地勢平坦，壩址區河谷呈不對稱的“U”型河谷，谷寬為250～300 m，河床大部分為砂礫石層覆蓋，基巖為玄武安山巖。左岸為Ⅰ級階地，表層為砂壤土。右岸為山體，由安山巖組成。

泄水建筑物位于河床中部，地面高程一般414～415 m。覆蓋層零星分布，厚度一般1 m左右。基巖為玄武安山巖，強風化帶厚度一般2～3 m，以下為中等風化巖石。泄水建筑物基礎建于中等風化巖體上部較完整巖體上，基礎巖體分類為AⅢ2類。

3 泄水建筑物布置設計

3.1 泄水建筑物型式選擇

該工程是頭道松花河上的徑流式水電站，。根據壩址區附近地形地質條件，選定壩線處河谷寬度約310 m。水庫無調蓄能力，具有低水頭、洪峰流量大及泄洪規模大特點，要求泄水建筑物具有較長的泄水前緣寬度，因此樞紐布置在滿足河床式發電廠房壩段布置的前提下，河床部位盡可能布置泄水建筑物。

泄水建筑物布置在考慮加大泄流能力的同時，還要考慮樞紐的排沙要求，由于上游梯級電站的調洪作用，本工程下泄小流量的洪水頻率較多，因此泄水建筑物布置采用自由溢流壩、翻板門泄水閘和沖沙閘布置形式。

3.2 泄水建筑物設計

3.2.1 結構設計

泄水建筑物全部布置在主河床，從右至左由凈寬82.50 m自由溢流壩段、17孔翻板門泄水閘壩段和2孔沖沙閘壩段組成，下游采用底流消能，底板頂高程414.00 m。

1）自由溢流壩。自由溢流壩具有運行管理簡單，不需要布置金屬結構設備，泄洪時不需要設備操作，運行安全可靠。

自由溢流壩布置在主河床右側，壩段長度82.50 m，堰頂高程與水庫正常蓄水位高程一致為419.50 m；堰面曲線采用WES型，曲線方程為：y=0.147 645x1.85，上游側與橢圓圓弧相接，下游與反弧段相接。

溢流壩堰體采用漿砌石外包混凝土的結構型式，建基高程為413.00 m，上、下游均設齒槽。堰體內部漿砌石采用砂漿標號為M10的塊體漿砌石砌筑，外包混凝土全部為C30F300W4混凝土，外包混凝土厚度不小于0.8 m。

2）翻板門泄水閘。翻板門泄水閘是近年來發展較快的一種低水頭電站的擋、泄水建筑物首選形式，分為自動翻板門泄水閘和液壓雙控翻板閘門泄水閘。

自動翻板門泄水閘主要特點是：不需要任何啟閉機械設備、人力、電力,靠水推力和閘門重力就能使閘門沿水流方向自動啟閉，達到泄洪、控制上游庫水位的目的，運行管理方便，同時具有制作簡單、施工快捷、造價低廉等優點。缺點是不能隨時啟閉，或關閉不嚴等問題，并且在啟閉時有瞬間撞擊情況，容易損壞建筑物。

液壓雙控翻板閘門泄水閘是在原自動翻板閘門泄水閘的基礎上增設液壓啟閉系統，達到了在任何水位下均能夠安全啟閉翻板門，可使閘門在運行時平穩啟閉，可以有效消除翻板閘門存在著被雜物卡住而造成的漏水、振動、拍打、維修難度大的問題，其性能在運行中更可靠、更安全，便于管理，使用壽命長、投資成本低。因此該工程采用液壓雙控翻板門泄水閘形式。

液壓雙控翻板門泄水閘壩段布置在主河床中央，壩段長度139.00 m，共布置 17孔，每孔凈寬8.00 m，泄水閘中間布置兩個中墩，每個中墩厚1.20 m，翻板門自左向右布置為6孔泄水閘+中墩+6孔泄水閘+中墩+5孔泄水閘。堰頂高程416.30 m，閘門高度3.20 m，堰型采用寬頂堰，堰面下游坡比為1∶2.0，采用半徑2.0m的圓弧與消力池底板相接。堰體建基高程為412.00 m，上游側設齒槽。堰體混凝土全部為C30F300W4混凝土。

3）沖沙閘。根據福生水電站上游來沙量確定本工程布置2孔沖沙閘，每孔凈寬8.0 m，滿足樞紐沖砂的需要，同時汛期還可以參加樞紐泄洪。

沖沙閘壩段布置在河床式發電廠房壩段右側，壩段長度20.80 m，共設 2孔，每孔凈寬8.00 m，布置2個邊墩，1個中墩，邊墩厚1.50 m，中墩厚1.8 m。閘門高度4.0 m，堰型采用寬頂堰，堰頂高程與上游河床基本一致為415.50 m，堰面下游坡比為1∶2.5，采用半徑2.0 m的圓弧與消力池底板相接。堰體建基高程為412.00 m，上游側有1.0 m深的齒槽，齒槽底寬為1.0 m。堰體混凝土全部為C30F300W4混凝土。

3.2.2 消能設計

泄水建筑物具有泄量大、水庫上下游水位變幅大、低佛氏數等特點，推薦采用底流消能型式。消力池采用一級消力池，經計算弗洛德數均在2～5之間，消力池消能率低，因此需要在消力池內布置消力墩，產生強制水躍，增加水躍在消力池內的消能效果，通過計算及模型試驗確定：自由溢流壩和翻板門泄水閘壩段消力池長度采用14.50 m，池深采用1.0 m；沖沙閘消力池長度采用16.0 m，池深采用1.5 m。

消力池底板混凝土厚度為1.0 m，上、下游設齒槽，混凝土標號全部為C30F300W4。池底布置間排距2.0 m的錨桿，錨桿直徑為22 mm，長度為4.0 m。

自由溢流壩部位消力池內布設1排消力墩，墩高為1.0 m，平面間距2.0 m。翻板門泄水閘部位消力池內布設2排消力墩，墩高為1.0 m，垂直水流方向間距2.0 m，順水流方向間距2.5 m。沖沙閘部位消力池內布設1排消力墩，墩高為1.5 m，垂直水流方向間距1.5 m。

3.2.3 基礎處理

因壩基開挖較淺，巖體表部節理多有微張，為提高其整體性和改善變形特性，需進行基礎固結灌漿。固結灌漿孔采用方格形布置，灌漿孔距、排距均為3 m，灌漿深度均為巖面以下4.0 m。

根據鉆孔壓水試驗成果，壩基巖體的透水率多為 0.1～1 L/（min·m·m），大于低壩的防滲標準0.05 L/（min·m·m），另外，壩基巖體中節理發育，且連續性強。因此，需作帷幕灌漿，帷幕深度為建基面以下6 m深，孔距采用2.0 m。