那蘭水電站溢洪道設(shè)計(jì)

嚴(yán)鐵軍　陸新佳

摘 要：那蘭水電站工程樞紐由混凝土面板堆石壩、岸邊式溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)及沖沙建筑物等組成，布置緊湊。溢洪道為岸邊開敞式建筑，是樞紐唯一的泄洪建筑物。溢洪道沿線地質(zhì)條件差，泄槽段基礎(chǔ)有F2斷層通過，巖石較軟弱，消力池位于斷層破碎帶上，地基強(qiáng)度不夠，抗沖刷能力弱，采用底流消能。還存在消力池高邊墻穩(wěn)定問題，設(shè)計(jì)難度較大，進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)及地基承載力原位試驗(yàn)研究，采取了基礎(chǔ)處理措施，以確保電站的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：那蘭水電站 溢洪道 消力池 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（a）-0033-02

那蘭水電站位于云南省紅河州金平縣境內(nèi)藤條江下游河段，為藤條江干流五個(gè)梯級(jí)開發(fā)方案中的最后一個(gè)梯級(jí)。電站為堤壩式開發(fā)，以發(fā)電為主，裝機(jī)150 MW。壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高109 m。樞紐工程等別為二等，工程規(guī)模為大型。樞紐由混凝土面板堆石壩、岸邊溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)及沖沙建筑物等組成。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，溢洪道相應(yīng)下泄流量為2065 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，溢洪道相應(yīng)下泄流量為2711 m3/s，下游消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，溢洪道泄量1679 m3/s。

溢洪道為岸邊開敞式布置，是樞紐唯一的泄洪建筑物，采用底流消能，由引渠、溢流堰、泄槽、消力池、海漫等組成。

1 工程主要問題

溢洪道沿線地質(zhì)條件差，泄槽段基礎(chǔ)為粉砂質(zhì)泥巖并有F2斷層通過，巖石較軟弱，消力池位于斷層破碎帶上，地基強(qiáng)度不夠，抗沖刷能力弱，而泄洪功率又較大，存在變形穩(wěn)定問題。消力池邊墻最高達(dá)31 m，應(yīng)考慮消力池的穩(wěn)定，消力池與基礎(chǔ)的連接、結(jié)構(gòu)分縫等問題，需進(jìn)行專門研究。

2 溢洪道布置

溢洪道為開敞式，位于左壩肩，緊靠混凝土面板堆石壩布置，由引渠、溢流堰、泄槽、消力池、海漫組成。引渠長(zhǎng)約113 m，為將水流順暢地導(dǎo)入，在壩體與溢洪道之間設(shè)導(dǎo)水墻，整個(gè)引渠段呈喇叭口形的彎道，寬度由75 m漸變至37 m。溢流堰建于微風(fēng)化基巖上，前沿寬度37 m，設(shè)3孔10 m×10 m弧形工作閘門，中墩厚3.5 m，邊墩為擋墻結(jié)構(gòu)。泄槽段長(zhǎng)297 m，橫斷面為矩形，因地質(zhì)條件差，為降低單寬流量（控制在50 m3/s以內(nèi)），減小消力池規(guī)模，平面上采用1.749°的角度向兩側(cè)擴(kuò)散，寬由37 m漸變至55 m，底坡為二級(jí)坡。消力池段采用漸擴(kuò)式，總長(zhǎng)105 m，前63 m段為開挖河床降低護(hù)坦高程形成消力池，底板高程311.5 m，寬由55 m漸變至58.836 m，護(hù)坦厚3 m，邊墻高程336.5 m；后42 m為漸擴(kuò)式斜尾坎，采用i= 0.2738的反坡與尾頂連接，寬度由58.836 m漸變至61.401 m，高程由311.5 m漸變至323 m。消力池下游河床沖積層厚約10 m，以砂卵礫石為主，其下為F2斷層影響帶和F1牛場(chǎng)斷裂破碎帶，抗沖性均極差，為保消力池安全運(yùn)行，需鋪設(shè)漿砌石海漫，長(zhǎng)約75 m。

3 水工模型試驗(yàn)

為解決溢洪道泄洪消能問題，可行性研究階段做了1∶75的樞紐整體水工模型試驗(yàn)，針對(duì)溢洪道特殊的地質(zhì)條件，在施工圖階段又進(jìn)行了1∶50的溢洪道單體水工模型試驗(yàn)，以達(dá)到驗(yàn)證溢流堰的過流能力；比較、優(yōu)選溢洪道底流消能工結(jié)構(gòu)體型的目的。

試驗(yàn)成果如下。

（1）在設(shè)計(jì)洪水位427.07 m及校核洪水位427.95 m時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得溢洪道三孔全開運(yùn)行時(shí)的下泄流量為2485 m3/s、2735 m3/s，相應(yīng)流量系數(shù)為0.446、0.442，與計(jì)算值相當(dāng)，而設(shè)計(jì)要求溢洪道在其相應(yīng)水位下的泄流量為2005 m3/s、2711 m3/s，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）泄槽水面曲線：泄槽上設(shè)有兩道摻氣坎，水流過摻氣坎后，形成底空腔，摻氣顯著，水面分散成多股水流，挑射水舌對(duì)底板的沖擊力不大，水舌沖擊區(qū)的最大脈動(dòng)壓力均方根值為22.86 kPa。泄校核洪水時(shí)，測(cè)得1#摻氣坎上水深2.5 m，平均底流速22.68 m/s，坎后最高水深4.85 m；2#摻氣坎上水深2.25～4 m，平均底流速28.6 m/s，坎后最高水深6 m；水躍躍首位置在樁號(hào)0+294.683 m附近，水深1.25～7.5 m，平均底流速35.5 m/s；消力池尾坎頂平均水深9.58 m，斷面平均流速6.1 m/s。

（3）消力池流態(tài)：各頻率洪水工況下，在消力池內(nèi)均能形成淹沒式水躍。在P=2%及以下各工況，消力池內(nèi)水流流態(tài)較好，出池水流較平順，和下游河床水流銜接良好。從消能率來看，消力池的消能效果較好，在泄P=2%及以上洪水時(shí)，佛汝德數(shù)Fr較大（9.55～11.5），消力池內(nèi)水流旋滾較大，消力池首端脈動(dòng)壓力最大值為23.76 kPa，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

通過試驗(yàn)，泄槽段底坡優(yōu)化成二級(jí)坡：i1=0.2867（水平距約99m），i2=0.3471（水平距約196 m）。從控制段末端以1.749°的角度擴(kuò)散至消力池尾部（消力池為矩形水平擴(kuò)散式），使整個(gè)泄槽段的水流流態(tài)得到改善，水深分布均勻。消力池池長(zhǎng)由127 m縮短至63 m，池深由27 m降到25 m，對(duì)消力池結(jié)構(gòu)分縫、高邊墻穩(wěn)定性有利，并節(jié)省了工程量和工期。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 計(jì)算工況

（1）非常運(yùn)行工況：水庫校核洪水位427.95 m時(shí)，溢洪道下泄流量2711 m3/s，下游校核洪水位330.95 m。

（2）施工竣工工況：溢洪道不過流，泄槽內(nèi)無水。

（3）檢修工況：枯水期一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，下游為最低尾水位325.45 m，溢洪道不過流，消力池內(nèi)無水。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）引渠段。

引渠段導(dǎo)水墻內(nèi)、外水平衡，按構(gòu)造配筋：φ20@200 mm，分布筋φ16@200 mm。底板厚0.5 m，前、后設(shè)置齒槽，雙層構(gòu)造配筋：φ20@200 mm×200 mm。endprint

（2）閘室段。

溢流堰、邊墩及中墩穩(wěn)定滿足要求，堰面采用HF高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土。按構(gòu)造配筋：堰體φ22@200 mm；中、邊墩φ25@200 mm，分布筋φ18@200 mm。閘室牛腿受到弧門總推力設(shè)計(jì)值約為4800 kN，為常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)，局部拉錨鋼筋34φ32，結(jié)構(gòu)配筋φ28@160 mm。

（3）泄槽段。

泄槽縱坡為二級(jí)坡，為減輕氣蝕，泄槽段設(shè)置兩道摻氣槽。底板采用HF高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土，厚1 m，2#摻氣槽后基礎(chǔ)條件差，底板厚度增至2 m，并設(shè)置縱、橫向肋以提高地基承載能力。2#摻氣槽之前底板下布設(shè)排水系統(tǒng)，降低揚(yáng)壓力。底板分縫考慮盡量減少橫縫設(shè)置，橫向伸縮縫僅分在摻氣槽的起始位置。底板采用雙層構(gòu)造配筋：φ25@200 mm×200 mm。

邊墻全部采用衡重式鋼筋混凝土擋墻。擋墻穩(wěn)定計(jì)算考慮了竣工工況及非常運(yùn)行工況兩種情況，兩種工況下抗滑、抗傾穩(wěn)定均滿足要求。按構(gòu)造配筋：φ25@200 mm，分布筋φ20@200 mm。

（4）消力池段。

樞紐建筑物布置在藤條江峽谷轉(zhuǎn)彎出口處，壩后河道陡然拓寬，左岸形成寬闊的淺灘河床，整個(gè)消力池位于河中，與主河道有一定的夾角，形成一種較為特殊的布置形式。消力池地基為F2斷層破碎帶及影響帶，前者地基軟弱，承載力較低；后者以碎裂巖為主，強(qiáng)度較高，地基存在明顯的不均一性。經(jīng)水工模型試驗(yàn)優(yōu)化體型，消力池池內(nèi)高度仍需25 m；消力池前后均設(shè)置齒槽，邊墻最大高度達(dá)31 m，相當(dāng)于中等規(guī)模的混凝土壩，而基礎(chǔ)條件很差，設(shè)計(jì)難度較大。可行性研究階段考慮采用半重力式、護(hù)壁式擋墻結(jié)構(gòu)，地基承載力均難以滿足要求，且工程量較大，施工困難；施工圖階段采用衡重式擋墻結(jié)構(gòu)，利用減重臺(tái)上填土以增加擋墻穩(wěn)定性，并向消力池內(nèi)伸出4m寬的墻趾使得地基應(yīng)力分布比較均勻。擋墻穩(wěn)定計(jì)算考慮了竣工工況、非常運(yùn)行工況及檢修工況，三種工況下抗滑、抗傾穩(wěn)定均滿足要求。

關(guān)于地基承載力問題，消力池地基為F2斷層破碎帶及影響帶，地基存在明顯的不均一性及基底承載力低，在施工圖階段作了F2斷層帶原位試驗(yàn)研究。在F2斷層帶上選定變形試驗(yàn)2點(diǎn)、載荷試驗(yàn)2點(diǎn)和混凝土/基巖接觸面抗剪試驗(yàn)2組。變形試驗(yàn)表明：隨著壓力的增加，F(xiàn)2斷層帶巖體變形模量逐漸減小，碎裂結(jié)構(gòu)巖體裂隙張開且有新的裂縫產(chǎn)生。載荷試驗(yàn)表明：1#試點(diǎn)的極限荷載大于1141 kPa，卸載時(shí)的回彈量為 1.08 mm；2#試點(diǎn)的極限荷載為1432 kPa，卸載時(shí)的回彈量為1.61 mm。混凝土/基巖接觸面抗剪試驗(yàn)表明：兩組試件均在巖體（F2斷層帶）中破壞，峰值強(qiáng)度分別為：f′=0.704、0.642，C′=0.25 MPa、0.5315 MPa；殘余強(qiáng)度分別為：f=0.496、0.596，C=0.153 MPa、0.235 MPa。消力池基坑開挖中，對(duì)斷層破碎帶中的斷層泥、糜棱巖采取適當(dāng)深挖換基處理，以提高地基強(qiáng)度及地基的均一性。基礎(chǔ)設(shè)置錨筋樁5Ф28@2.5 m×2.5 m，L=18 m，并作固結(jié)灌漿，深入基巖10 m，地基承載力滿足要求。

關(guān)于消力池護(hù)坦抗浮穩(wěn)定問題，控制因素為檢修工況，即消力池內(nèi)無水，這時(shí)下游尾水的反壓是造成底板失穩(wěn)的主要控制因素。地質(zhì)條件為軟基，可行性研究階段采用底板下設(shè)反濾層，在消力池后段布置排水孔；還考慮過沿消力池周邊做防滲墻以防止尾水反壓及將消力池做成整體結(jié)構(gòu)等。由于消力池底板高程較低，排水需作抽排，工程量較大，操作困難，影響工期，施工圖階段取消了底板排水孔，考慮到基礎(chǔ)不均勻沉陷，采用鍵槽縫形式。按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了消力池護(hù)坦抗浮驗(yàn)算，底板設(shè)置錨筋樁5Ф28@2.5 m×2.5 m，深入基巖15 m。

5 結(jié)語

那蘭水電站溢洪道的設(shè)計(jì)，是對(duì)建在軟基上較大規(guī)模泄洪建筑物設(shè)計(jì)的有益探索。為了減少工程量，縮短工期，基礎(chǔ)處理按常規(guī)方法進(jìn)行，即錨桿、錨筋樁和固結(jié)灌漿。工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)均具有創(chuàng)新性及探索性。經(jīng)計(jì)算分析和試驗(yàn)研究，上述工程措施可以滿足工程安全。

那蘭水電站于2005年12月1日下閘蓄水，首臺(tái)機(jī)組于2005年12月28日發(fā)電。溢洪道于2006年7月3日首次經(jīng)歷泄洪考驗(yàn)，三孔工作門同時(shí)開啟均為0.1，此時(shí)庫水位為425 m，下泄流量為280 m3/s，運(yùn)行情況良好。2007年汛期，溢洪道閘門多次開啟，最大下泄量達(dá)1000.5 m3/s，安全行洪，汛后檢查，未發(fā)現(xiàn)沖蝕破壞等異常情況。水工建筑物和金屬結(jié)構(gòu)得到實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)。從泄洪中可看出溢洪道水力學(xué)條件較好，無不良流態(tài)，消力池的消能效果良好，結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)然泄量尚沒有達(dá)到設(shè)計(jì)泄量，檢驗(yàn)還是初步的，那蘭溢洪道還需經(jīng)受今后運(yùn)行的考驗(yàn)，以驗(yàn)證其安全可靠性。

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