樂都二級水電站壓力前池泄水建筑物的設計方案探討

2016-08-17 02:05:23韓濤上?？睖y設計研究院有限公司上海虹口200434

陜西水利 2016年5期

韓濤（上海勘測設計研究院有限公司上海虹口200434）

韓濤
（上?？睖y設計研究院有限公司上海虹口200434）

本文結合四川省樂都二級水電站研究了樂都二級水電站壓力前池泄水建筑物的型式，經過綜合比較，確定了最優方案，以期為類似案例提供借鑒。

水電站；壓力前池；泄水建筑物；設計分析

1　概況

樂都二級水電站位于四川省雷波縣以北西寧河源頭支溝——樂都溝內，為西寧河流域雷波段“十級”開發方案中的第二個梯級電站，其開發方式為無調節徑流引水式，開發任務為發電，無其他綜合利用要求。電站設計引用流量為6.72m3/s，設計水頭178m，裝機容量2×5MW。電站從樂都溝中游溶洞出水口建壩取水，經河道右岸引水至樂都溝與爛壩子溝匯口處建廠發電，工程布置從上至下為：底欄柵壩、沉砂池、引水隧洞、壓力前池、壓力鋼管、主副廠房和尾水渠等。其中壓力前池為半洞內前池，漸變段長14m，池身段長10m，閘室段長8.2m。前池深5.6m，寬4m，泄水側堰長9.5m，寬0.5m。

壓力前池初步設計中采用側堰泄水渠泄水的方案，渠道順坡布置，坡度約25°～50°，采用箱涵式暗渠。渠道總長度為319.45m，底寬0.8m，高0.7m，底板和邊墻厚均為0.4m，暗渠內設消能階梯，渠道底部設置齒槽和底板錨桿來滿足渠道的抗滑穩定要求。為增強底板基礎圍巖的完整性，需對底板巖石基礎進行固結灌漿。

2　泄水渠方案存在的問題

初設泄水渠方案在施工實施過程中存在以下問題：

（1）泄水渠處巖層走向與邊坡平行，傾向坡外，傾角大于坡角，為同向層狀陡傾結構邊坡，巖體中延伸性較好的結構面為巖石層面，泄水渠會有滲水，滲水浸入巖石層面，邊坡有順其層面滑移的可能，不利于邊坡穩定。

（2）渠道所處地形坡度較陡，施工難度大，開挖后的護坡及混凝土澆筑不易實施。渠道下部要穿通鄉公路，無改建公路條件，會對當地居民交通產生不便。

（3）渠道方案沿線有幾處墳墓，且有較多植被及農田，由于當地居民阻撓，征地困難，搬遷費用較高，搬遷難度較大。

3　泄水鋼管與壓力主管并排泄水方案

由于原泄水渠方案地質地形條件、施工條件、移民征地和工程投資等存在的問題，現提出采用泄水鋼管和壓力主管并排布置的泄水方案。

（1）壓力管線區地質地形條件

壓力管道在高程1150m以上為30°斜坡，基巖裸露，為白云巖；高程1150m～1116m 為15°緩坡，地表覆蓋薄層崩坡積塊碎石夾粉質粘土，厚度小于2.5m，下伏基巖為白云巖夾灰巖；高程1116m以下為陡崖，基巖裸露，為白云巖。在管道中部高程1196m處發育f2小斷層，斷層走向與管道線直交。管道沿線巖層產狀均傾向坡外，傾角41°～60°（大于坡角），屬層狀同向陡傾結構邊坡，整體穩定，不存在大的穩定問題。因此，建議將管墩基礎置于強風化下部巖體上。同時由于管墩開挖范圍和深度有限，不會對管道邊坡整體穩定產生不利影響。

（2）泄水管方案布置及優點

泄水管與引水壓力管道并排布置，與主管共用管槽和鎮支墩，管徑采用1.0m和0.8m兩種規格，其中1#鎮墩與2#鎮墩之間采用1.0m直徑，2#鎮墩以下采用0.8m直徑，前池與1#鎮墩之間采用暗渠形式銜接，設計最大泄水流量為6.72m3/s。由于泄水管末端為自由出流，承壓較小，管壁厚度采用結構要求的6mm，泄水管從廠房底部穿過，將水流引向西寧河。

泄水管方案與泄水渠方案相比，有以下優點：

1）泄水管方案不存在滲漏問題；

2）壓力主管管槽開挖已經基本完成，只需將現有管槽擴寬以滿足泄水管線布置，征地較少；

3）泄水管方案可從跨過通鄉公路，對當地交通的施工干擾少；

4）泄水管方案則可以與壓力管道的施工索道共用，施工方便，能相應節約投資。

圖1　泄水管橫斷面圖

圖2　鎮墩平面面圖

4　泄水管存在的問題及探討

由于泄水管與壓力主管共用管槽、鎮支墩，在運行中可能存在以下問題：

（1）振動問題

在正常運行工況下，壓力主管引用流量為6.72m3/s，機組滿發，此時泄水管中僅為壓力前池溢流側堰流出的剩余水量，流量較小，泄水管運行中無任何問題。

當機組全部丟棄負荷時，機組關閉，此時全部流量從前池側堰溢出，泄水管承擔的下泄流量為6.72m3/s。在泄水過程中，水流勢能轉換為動能，水流速度變大，鋼管立面上有幾處轉彎，水流會不斷沖擊泄水管管壁，同時可能會產生泄水管振動，對鎮墩穩定不利。因此在鋼管鎮墩穩定計算中，應考慮一部分振動荷載，增加安全穩定系數，同時鎮墩基礎面應開挖至強風化基巖以下，凸起鎮墩還應在底部設置錨桿。

（2）抗外壓問題

由于在運行過程中，由于流量變化，水流速度較快，水流在泄水管轉彎處就可能跳到鋼管的上半部流動，空氣就會摻入水流，不再具備明渠均勻流的條件，鋼管的過流能力下降，當某一端面的過流能力小于Q=6.72m3/s時，水流就會在該斷面處雍高，當水面雍高到一定程度時，具備了有壓流的條件時，該斷面處雍高的水又會被拉空，水流又變成無壓流，管道中水流一直重復著上述兩個無壓和有壓交替的復雜流態，因此泄水管中可能會存在局部水流拉空引起的抗外壓失穩的問題。因此需對泄水管進行抗外壓驗算，必要時需設置加勁環。

5　過流能力計算、穩定計算和抗外壓計算

（1）過流能力計算

最大流量下泄水管的過流能力采用明渠均勻流的計算公式：

連接暗渠、1.0m直徑鋼管，0.8m直徑鋼管段最小坡度分別為1：20，1：1.732，1：2.006。按Q=6.72m3/s套入上公式得出3段泄水斷面的水深分別為0.7m，0.4m，0.5m.因此按照明渠均勻流，泄水管的過流能力是滿足設計流量要求的。

但是在實際的泄水過程中，管道中水流會存在無壓和有壓交替的流態，設計中只需判斷泄水管道三個不同斷面起點位置處是否具備滿足流量為Q=6.72m3/s時形成有壓流的條件即可，可按照能量守恒的原理分析：

假定在暗渠首部要形成有壓流，動能V2/2g=（6.72/1.42）/2/9.81=0.60m根據能量守恒，形成有壓流所需勢能等于動能加上能量損失及水頭損失，水頭損失忽略不計，安全系數取1.5，因此淹沒深度為1.5× 0.6=0.9m，根據進水口規范上最小淹沒深度的要求，淹沒深度最小為1.5m～2m，本工程該斷面處水深為4.3m，滿足暗渠首部形成有壓流的要求；

假設在1.0m直徑管道斷面起點處形成有壓流，動能：V2/2g=（6.72/3.14/0.52）/2/9.81=3.735m，所需淹沒深度為1.5×3.735=5.6m，本工程該斷面處淹沒水深為5.7m，滿足要求；

假設在0.8m直徑管道斷面起點處形成有壓流，動能：

V2/2g=（6.72/3.14/0.52）/2/9.81=9.12m，所需淹沒深度為1.5×9.12=13.68m，本工程該斷面處淹沒深度為26.5m，滿足要求。

綜上所述，本工程泄水管道是滿足最大流量6.72的過流能力要求的。

（2）穩定計算

前池泄水管道布置與壓力鋼管同管路、同鎮墩、支墩，并排布置。故泄水管道穩定即為壓力鋼管之穩定，各鎮墩穩定計算見表1。

從表中可知，管道各鎮墩基地應力均滿足要求，抗滑穩定系數均大于1.5，滿足抗滑穩定要求。

（3）管壁抗外壓穩定計算

泄水管管壁的抗外壓可根據《水電站壓力鋼管設計規范》DL/T 5141-2001中附錄A計算，外壓荷載取一個大氣壓0.1MPa，抗外壓穩定安全系數取2.0。首先驗算不設置加勁環時是否滿足抗外壓穩定要求，計算公式為：

表1　各鎮墩穩定計算表

式中：Es——鋼材彈性模量；

t——管壁厚度；

Pcr——抗外壓穩定臨界壓力計算值。

經計算，當管壁不設置加勁環時，厚度取6mm，管徑1m和0.8m計算出Pcr值分別為0.089MPa和0.174MPa，抗外壓安全穩定系數分別為0.89和1.74，不滿足抗外壓穩定要求，需設置加勁環。本工程取加勁環高度取10cm，間距3m，加勁環間管壁抗外壓計算根據上述規范采用米塞斯公式，計算得抗外壓安全穩定系數分別為5.33和11.22，滿足要求。