電站攔河閘壩的水力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核

唐培根，漆文邦，張 媛，俞增鑫

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

0 引言

閘壩是設(shè)置閘門控制水位和調(diào)節(jié)流量的低水頭溢流壩或水閘，閉門時(shí)成為以閘門為主體的擋水建筑物，啟門時(shí)成為泄水建筑物。在我國水壩中占有一定的比重，其中一些閘壩在運(yùn)行多年后，在原設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不高、工程質(zhì)量不高等一個(gè)或多個(gè)因素的共同作用下，會出現(xiàn)壩體失穩(wěn)、防洪標(biāo)準(zhǔn)失效等問題，以及后期運(yùn)營管理不到位、維修不及時(shí)、地震災(zāi)害等。病險(xiǎn)電站長期處于失修狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)效益低，并且有很大的安全隱患，嚴(yán)重制約其發(fā)揮綜合效益。因此，對電站閘壩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核是相當(dāng)重要的。本文以某電站閘壩為例，通過對其水力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行復(fù)核，確保閘壩結(jié)構(gòu)安全，以發(fā)揮電站的最大綜合效益[1-3]。

1 工程概況

本工程為業(yè)主的自備電廠，自發(fā)自供，余容上網(wǎng)。電站取水口回水對縣城防洪有一定影響，因此本電站工程任務(wù)以發(fā)電為主兼顧城市防洪。電站設(shè)計(jì)水平年采用2010年，設(shè)計(jì)保證率為90%，增容設(shè)計(jì)水平年采用第一臺機(jī)組投產(chǎn)后的5 a～10 a，為2015年。水庫正常蓄水位531.50 m，總庫容40萬m3，水庫不具有日調(diào)節(jié)性能，鑒于水庫回水至縣城，對城鎮(zhèn)防洪安全影響極大，為此汛期應(yīng)按城鎮(zhèn)防洪要求限制水位運(yùn)行。電站裝機(jī)3臺，單機(jī)容量12 MW，總裝機(jī)容量36 MW。電站屬小(1)型Ⅳ等工程，永久性主要水工建筑物為4級，永久性次要水工建筑物和臨時(shí)性水工建筑物為5級。由于本工程永久性主要建筑物-攔河閘壩擋水工程擋水高度為5.5 m<15 m，上下游最大水位差5.5 m<10 m，因此其洪水標(biāo)準(zhǔn)按平原、濱海區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，但由于電站首部樞紐攔河壩緊靠城區(qū)，過閘流量大，為安全起見，防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高一級，故設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為100 a一遇。

壩址區(qū)屬中低山區(qū)，河道較為順直，河流流向NEE向，為縱向河谷。現(xiàn)代河床高程325 m～328 m，縱坡比降3‰，兩岸山脊高程670 m～900 m，相對高程150 m～380 m，河谷為不對稱的“U”型谷，左岸為斜坡，右岸為一級階地，長800 m、寬250 m。壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為風(fēng)化和卸荷，鉆孔和聲波測試資料及地表測繪表明：巖體強(qiáng)風(fēng)化帶厚1 m～3.0 m，弱風(fēng)化帶厚3.5 m～9 m。據(jù)地表調(diào)查左岸壩肩以上巖坡坡度30°～35°，被裂隙切割的巖石在自重作用下卸荷，卸荷帶水平寬度2 m～4 m。

2 攔河閘壩布置

閘壩采用大排大泄方式，經(jīng)計(jì)算滿足沖砂和泄洪要求。正常蓄水位531.5 m，壩頂高程537.0 m，壩頂軸線總長125.0 m，最大壩高17.6 m(不包括上游深齒槽)，由8孔泄洪沖沙閘、2孔沖沙閘、平板露頂式閘門、門機(jī)、工作橋、公路橋和兩岸翼墻等組成，為便于布置，將上、下游端的頂部做成向外挑出的牛腿，用以支承橋梁等結(jié)構(gòu)，泄洪閘室采用8孔泄洪閘(7孔單個(gè)10 m×4.5 m，1孔5 m×4.5 m)(寬×高)的露頂式泄洪沖砂閘，閘底高程為527.5 m，順?biāo)鞣较蜷L25 m，置于基巖上，根據(jù)地質(zhì)資料，防滲采用帷幕灌漿，基礎(chǔ)砼為C15砼，溢流面采用C30的硅粉砼防沖。下游設(shè)24 m長的消力池，置于基巖上，基礎(chǔ)為C15埋石砼，設(shè)排水孔，采用梅花形布置，面層為C30硅粉砼抗沖。最后接38 m長的海漫，置于軟基上，海漫采用網(wǎng)格形C15鋼筋砼帶，間干砌條石。沖砂閘采用2孔10 m×6 m(寬×高)的露頂式?jīng)_砂閘，閘底高程為526 m，順?biāo)鞣较颍l室長25 m，置于基巖上，采用帷幕灌漿防滲，基礎(chǔ)為C15砼，面層為C30硅粉砼防沖層；下游設(shè)護(hù)坦長62 m，其中上游段23.5 m置于基巖上、下游38.5 m置于軟基上，底層為C20砼，設(shè)梅花形排水孔，面層為C30硅粉砼防沖層，為提高沖沙閘的沖沙效果，在靠近沖沙閘一側(cè)建導(dǎo)流墻，長34 m，在靠進(jìn)水閘一側(cè)建有翼墻，這樣在沖沙閘前形成一條帶形進(jìn)水道，使得在開啟沖砂閘時(shí)，沖沙閘前的流速增大，以增加沖沙閘的沖沙效果。

圖1 電站樞紐布置圖

3 攔河閘壩水力計(jì)算復(fù)核

根據(jù)水文復(fù)核計(jì)算結(jié)果，本次復(fù)核電站設(shè)計(jì)洪水與原計(jì)算值相同，校核洪水偏小0.27%。從偏安全角度考慮，本次仍沿用初設(shè)階段計(jì)算的成果進(jìn)行水力計(jì)算復(fù)核。

3.1 泄水建筑物泄流能力計(jì)算

具體計(jì)算步驟見下式：

(1)

多孔閘，閘墩墩頭為圓弧形時(shí)：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Q是過閘流量，m3/s；B0是閘孔總凈寬，m；H0是計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m；m是堰流流量系數(shù)，可采用0.385；ε是堰流側(cè)收縮系數(shù)，多孔閘按上述公式計(jì)算；g是重力加速度，取9.81 m/s2；b0是閘孔凈寬，m；N是閘孔數(shù)；εz是中間孔側(cè)收縮系數(shù)；dz是中閘墩厚度；εb是邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)；bb是邊閘墩順?biāo)飨蜻吘壘€至上游河道水邊線之間的距離，m；σ是堰流淹沒系數(shù)，按公式計(jì)算求得，當(dāng)hs/H0≤0.72，σ取1.0；hs是由堰頂算起的下游水深，m。

具體水力計(jì)算成果見表1。

表1 水力計(jì)算成果表

3.2 壩頂高程的確定

擋水時(shí)，水閘閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位(或最高擋水位)加波浪計(jì)算高度(利用莆田公式進(jìn)行計(jì)算)與相應(yīng)的安全超高值之和。泄水時(shí)，水閘閘門高度不低于設(shè)計(jì)洪水位(或校核洪水位)與相應(yīng)的安全超高之和，具體見表2和表3。

表2 水閘安全加高表 單位：m

經(jīng)復(fù)核，閘壩的壩頂高程為537.0 m，高于考慮安全加高新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和校核洪水位對應(yīng)的壩頂高程535.34 m和536.71 m，故閘壩能夠安全運(yùn)行。

4 攔河閘壩穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核

本工程推薦壩址基巖為粉砂質(zhì)泥巖，壩體砼與基巖間的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的參數(shù)取抗剪摩擦系數(shù)f=0.45。大壩C15砼的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按規(guī)范DL 5108-1999為14.3 MPa，根據(jù)地質(zhì)提供參數(shù)，地基抗壓強(qiáng)度為0.3 MPa～0.4 MPa。本工程基本地震烈度為Ⅷ度，Q先=0.2 g，Tg(s)=0.45 s。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073-2000)[4]，用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。閘壩穩(wěn)定計(jì)算按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)[5]的有關(guān)公式及條款規(guī)定，分別采用純摩公式和材料力學(xué)公式計(jì)算閘壩的抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力。

抗滑穩(wěn)定按式計(jì)算：

Kc=f·∑G/∑H

(6)

式中：Kc是沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f是閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，f=0.45；∑G是作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H是作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

閘壩基底應(yīng)力按式計(jì)算：

(7)

計(jì)算工況及荷載組合如下：

1)工況1:基本組合1(正常蓄水位情況)

上游水位為正常蓄水位531.5 m，工作閘門(2道)全關(guān)，下游無水。

荷載作用組合：自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力。

2)工況2：基本組合2(設(shè)計(jì)洪水位情況)

上游水位為設(shè)計(jì)洪水位534.84 m，下游水位534.5 m。

荷載作用組合：自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力。

3)工況3：基本組合3(工程完建情況)

上、下游無水。

荷載作用組合：自重。

4)工況4：特殊組合1(校核洪水位情況)

上游水位為校核洪水位536.31 m，下游水位536.0 m。

荷載作用組合：自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力。

5)工況5：特殊組合2(正常蓄水位+地震情況)

上游水位為正常蓄水位531.5 m，下游無水。

荷載作用組合：自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力+地震作用。

6)工況6：特殊組合3(檢修情況)

上游水位為正常蓄水位531.5 m，檢修閘門(2道)全關(guān)，工作閘門(2道)進(jìn)行檢修，下游無水。

荷載作用組合：自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力。

計(jì)算結(jié)果見表4、表5。

表4 泄洪閘壩段抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果

表5 沖砂閘壩段抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果表明，在各種工況下，泄洪閘壩段、沖砂閘壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。地基承載力均小于地基容許承載力0.3 MPa～0.4 MPa，閘壩地基應(yīng)力的不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)對壩頂高程進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，得到結(jié)果高于考慮安全加高新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和校核洪水位對應(yīng)的壩頂高程，滿足要求。

(2)對泄洪閘壩段、沖砂閘壩段的抗滑穩(wěn)定及地基承載力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，得出在各種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。地基承載力均小于地基容許承載力，閘壩地基應(yīng)力的不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。攔河閘壩結(jié)構(gòu)安全。

(3)根據(jù)荷載組合情況發(fā)現(xiàn)在基本組合情況下閘壩偏安全，但在特殊組合情況下應(yīng)該加強(qiáng)閘壩的監(jiān)測工作。