水庫電站前池漏水的研究及處理

徐政剛

摘 要：浙江省武義縣源口三級電站是利用灌溉渠系落差建成的引水式電站。電站前池在寺堂山劈山開挖而建，擋水垟采用片石干砌，混凝土防滲。電站自投入運(yùn)行后，前池經(jīng)常發(fā)生不同程度的裂縫而漏水，尤其受2000年6.19洪水襲擊后，裂縫漏水更加嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：武義縣 電站 前池漏水 擋垟

中圖分類號：TV698.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0126-02

浙江省武義縣源口三級電站屬錢塘江水系，是麻陽港梯級開發(fā)，利用源口水庫灌溉渠系落差，在總干渠上建成的引水式電站。源口二級至三級引水渠長3.01 km，設(shè)計(jì)水頭16 m，流量8.0 m3/s，裝機(jī)三臺共計(jì)750 kW。

三級電站前池，在寺堂山半山坡劈山開挖而建，其引水渠軸線與壓力水管軸線的交角接近直角，壓力池垟頂高程153.6米，池底高程149.1 m，設(shè)計(jì)正常水位153.3米。前池?fù)跛畧數(shù)鼗鶠槲L(fēng)化巖石，采用片石干砌的重力垟，迎水面現(xiàn)澆混凝土作為防滲體擋水垟，剖面。

源口三級電站自投入運(yùn)行以來，前池均發(fā)生不同程度的裂縫，且裂縫幾乎位于相同的部位，詳見裂縫分布示意（圖2）。每年電站檢修期間，采用水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，但收效甚微。尤其受2000年6.19洪水襲擊，造成緊急停機(jī)，溢水槽垃圾堵塞發(fā)生了短時(shí)擋垟頂溢水后，擋垟與底板交接處產(chǎn)生的裂縫加劇、漏水更嚴(yán)重。縣水利水電局、小水電管理站、源口水庫管理處等有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)高度重視，多次親臨現(xiàn)場勘察，要求從根本上解決漏水問題，消除安全隱患。2001年11月，源口水庫管理處采用PCC新型補(bǔ)漏水材料，對前池的裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)。2002年1月11日，電站投入試運(yùn)行，但漏水問題仍然沒有解決。經(jīng)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)邀請，本人前赴現(xiàn)場，到前池山坡腳時(shí)，見廠房后垟排水溝滿淹，漏水量較大，正常水位時(shí)擋水垟背水坡腳，漏水聲很響，站在擋水垟頂肉眼可見已修補(bǔ)的裂縫又重新開裂，嚴(yán)重存在工程安全隱患。源口水庫管理處領(lǐng)導(dǎo)決定，成立三級電站前池漏水處理工作組，停止發(fā)電，本人負(fù)責(zé)裂縫原因分析、提交處理方案、漏水處理實(shí)施等工作。

1 前池裂縫原因分析

源口三級電站前池漏水，是由于擋水垟與底板交接處混凝土防滲體發(fā)生嚴(yán)重裂縫（見圖2）。

1.1 裂縫原因分析

根據(jù)實(shí)際情況，基本排除了擋水垟垟身或池底底板不均勻沉陷、擋垟背水坡填土或填方沉降、溫度變化等形成裂縫的原因。因此，前池裂縫很有可能是擋水垟本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題，有必要對原擋水垟本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。

1.2 荷載計(jì)算

取前池正常水位時(shí)、擋水垟背水坡無填土、池底無泥沙淤積為條件，片石干砌體容重rg1=2.4 t/m3，混凝土防滲體容重rg2=2.4 t/m3，水體容重ro=1.0 t/m3，飽和土容重rt=1.95 t/m3，根據(jù)材料力學(xué)公式其荷載計(jì)算如下[1]：

（1）土壓力：

pt===0.69

式中：

K1為主動土壓力系數(shù)，K1=tg2（45°-/2）=tg2（45°-25°/2）=0.49；

為填土內(nèi)摩擦角，砂壤土取=25°

（2）水壓力ps===14.58，其中hs=4.2+1.2=5.4

（3）滲透水壓力：

u===7.78

式中：

T為計(jì)算截面寬度；

hs為計(jì)算截面寬度；

（4）擋水垟重力Gi；對O點(diǎn)的力臂Ci；對O點(diǎn)的力矩計(jì)算如（表1）所示。

1.2.1 擋水垟?shù)恼w性穩(wěn)定驗(yàn)算

（1）抗傾覆驗(yàn)算。

K傾=M抗/M傾

式中：

K傾為抗傾覆安全系數(shù)；

M抗為抗傾覆力矩，M抗=∑（G·C）；

M傾為傾覆力矩，M傾=0.4×pt+1.8×ps+2×T×U/3

K傾=52.36/（0.4×0.69+1.8×14.58+2×2.88×7.78/3）=1.26<1.5[3]，[4]，抗傾覆不合格！

（2）抗滑移驗(yàn)算，取抗剪摩擦系數(shù)f=0.70

K滑=f·∑W/∑P

K滑=0.7×（30.52-7.78）/（0.69+14.58）=15.92/15.27=1.04<1.2[3]，[4]

式中：

K滑為抗滑移安全系數(shù)；

∑W為作用于垟體上的全部荷載對滑動平面的法向分值，∑W=∑G-u；

∑P為作用于垟體上的全部荷載對滑動平面的切向分值，∑P=pt+ps。

1.2.2 垟身強(qiáng)度驗(yàn)算

取距垟頂下4.5 m（池底）處的截面，根據(jù)材料力學(xué)公式進(jìn)行驗(yàn)算[1]。

（1）荷載及內(nèi)力計(jì)算。

水壓力ps===8.82

滲透水壓力u=2.63×4.2/2=5.52

G1=16.20 e1=2.63/2-0.75=0.57

G2=1.06 e2=2.63/2-1.50-2.1×0.2/3=-0.33

G3=3.70 e3=2.63/2-1.50-（0.25+2.1×0.2）/2=-0.52

G4=1.27 e4=2.63/2-1.50-（0.25+2.1×0.2）-2.3×0.2/3=-1.01

∑G=16.2+1.06+3.07+1.27=22.23

∑（G﹒e）=16.20×0.57-1.06×0.33-3.70×0.52-1.27×1.01=5.68

∑M=（1/3）×hs×ps+（1/2-1/3）×2.63×u-∑（G﹒e）=4.2×8.82/3+（1/2-1/3） ×2.63×5.52-5.68=9.09endprint

∑W=∑G-u=22.23-5.52=16.71

（2）彎曲壓應(yīng)力驗(yàn)算。

a=∑W/A+∑M/W1≤K[a]

式中：

a為計(jì)算壓應(yīng)力；

∑W為縱向力總和；

∑M為彎矩總和。

構(gòu)件截面積，A=1.0×T，其中T=2.63 m

W1為截面對受壓邊緣的抵抗距，W1=T2/6

[a]為砌體的容許軸心受壓應(yīng)力

a==16.71/2.63+6×9.09/2.632= 6.35+7.89=14.24 t/m2=1.424 kg/cm2

K=1.0+2×1.5e0/T=1.0+2×1.5× 0.54/2.63=1.62，取K=1.50

式中：

K為塑性影響系數(shù)，矩形截面，K≤1.50

e0為偏心距，e0=∑M/∑W=9.09/16.71=0.54 m

查有關(guān)資料[5]，片石砌體石料標(biāo)號C42.5，砂漿標(biāo)號M2.5時(shí)的砌體容許軸心受壓應(yīng)力[a]=8 kg/cm2，片石為該容許應(yīng)力的0.5倍，即[a]=8×0.5=4 kg/cm2，K[a]=1.5×4=6.0 kg/cm2

因此，a=1.424

（3）彎曲拉應(yīng)力驗(yàn)算

WL=∑M/W2-∑W/A≤[WL]，（WL為負(fù)時(shí)，表明未出現(xiàn)拉應(yīng)力）；

式中：

WL為計(jì)算彎曲拉應(yīng)力；

[WL]為砌體的容許彎曲拉應(yīng)力；

W2為截面對受拉邊緣的抵抗距，W2=W1；

WL=7.89-0.635=0.154 kg/cm2<[WL]=0.8 kg/cm2，彎曲拉應(yīng)力驗(yàn)算合格。

以上驗(yàn)算得知，擋水垟垟身強(qiáng)度安全；而擋水垟整體性卻不穩(wěn)定，K傾=1.26<1.5，K滑=1.04<1.2，不能滿足安全運(yùn)行。

2 前池漏水處理方案的確定

由擋水垟結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果可知，采取有效的手段解決擋垟整體不穩(wěn)定的設(shè)計(jì)是處理漏水問題根本。實(shí)際中，解決該問題的工程措施諸多，如在擋垟背水坡加寬放緩邊坡，拆除重建改變擋垟形狀和尺寸，迎水面放坡利用水重等均可達(dá)到擋垟穩(wěn)定的目標(biāo)。

綜合考慮安全、施工方便、工期要求、項(xiàng)目投資等因素，三級電站前池漏水的最終處理方案見（圖3），在迎水面采用懸譬式梁板結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土對擋垟進(jìn)行加固，并利用部分水重新建鋼筋混凝土與原片石砌體成為一體，以滿足擋垟?shù)恼w性穩(wěn)定和防滲要求。

2.1.1 擋水垟?shù)恼w性穩(wěn)定復(fù)核

（1）抗傾覆核算。

K傾=∑（G·C）/（1.8×ps+2×3.18×u/3）=79.12/（1.8×14.58+2×3.18×8.59/3）=1.78>1.5

（2）抗傾覆核算。

K滑=f（∑G-u）/ps=0.7×（38.52-8.59）/14.58=1.44>1.2

核算結(jié)果表明，采用上述處理方案滿足擋垟整體性穩(wěn)定的設(shè)計(jì)要求，能消除工程安全隱患。

3 前池漏水處理結(jié)果

源口三級電站前池，采用鋼筋混凝土懸臂式板梁結(jié)構(gòu)對擋垟進(jìn)行加固的漏水處理方案，報(bào)送縣水利水電局批準(zhǔn)后，于2002年1月進(jìn)行投標(biāo)并施工。

施工方法及采用機(jī)械設(shè)備，主要是人工開挖基礎(chǔ)，棄方利用雙輪膠車用簡易升降機(jī)升至垟頂再運(yùn)至棄方場。池底混凝土底板用切割機(jī)切割，垟面老化混凝土人工鑿毛清洗。拌和點(diǎn)設(shè)在電站廠區(qū)空基， 0.4m3拌和機(jī)攪拌，重直運(yùn)輸用井架卷揚(yáng)機(jī)。鋼筋網(wǎng)片在原擋垟面打孔錨筋，以固定網(wǎng)片邦扎，鋼管立架木扣板支摸。為防止伸縮裂縫，鋼筋網(wǎng)混凝土防滲體每隔10 m設(shè)一道伸縮縫，紫銅片止水。

工程于2002年1月23日開工，2002年2月16日完工，2月20日前池投入運(yùn)行。到目前為止，再沒有發(fā)現(xiàn)前池裂縫漏水。

4 結(jié)論和建議

武義縣源口三級電站1980年建成發(fā)電，前池每年發(fā)生裂縫，年年需進(jìn)行修補(bǔ)，沒有從根本上解決裂縫漏水的問題，工程存在嚴(yán)重的安全隱患。自從前池漏水處理的方案實(shí)施后，至今為止，從未發(fā)生裂縫漏水。事實(shí)證明，形成前池裂縫的原因的分析采用理論依據(jù)方法是可信的，判斷擋垟整體性不穩(wěn)定的結(jié)論是正確的，迎水面采取鋼筋混凝土懸臂式結(jié)構(gòu)對擋垟進(jìn)行除險(xiǎn)加固的措施是有效地，也是科學(xué)的。

參考文獻(xiàn)

[1] 許本安，李秀治.材料力學(xué)[M].上海交通大學(xué)出版社，1988.

[2] 電力工業(yè)部西北勘測設(shè)計(jì)研究院.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國電力工業(yè)部.DLT 5057，1996.

[3] GB50003-2001，砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].