電站攔河閘壩的水力計算和穩定計算復核

2021-04-12 01:33:56唐培根漆文邦俞增鑫

陜西水利 2021年2期

唐培根，漆文邦，張媛，俞增鑫

(1.四川大學水利水電學院，四川成都 610065；2.四川大學水力學與山區河流保護國家重點實驗室，四川成都 610065)

0 引言

閘壩是設置閘門控制水位和調節流量的低水頭溢流壩或水閘，閉門時成為以閘門為主體的擋水建筑物，啟門時成為泄水建筑物。在我國水壩中占有一定的比重，其中一些閘壩在運行多年后，在原設計不合理、施工質量不高、工程質量不高等一個或多個因素的共同作用下，會出現壩體失穩、防洪標準失效等問題，以及后期運營管理不到位、維修不及時、地震災害等。病險電站長期處于失修狀態，經濟效益低，并且有很大的安全隱患，嚴重制約其發揮綜合效益。因此，對電站閘壩的結構進行復核是相當重要的。本文以某電站閘壩為例，通過對其水力計算和穩定計算進行復核，確保閘壩結構安全，以發揮電站的最大綜合效益[1-3]。

1 工程概況

本工程為業主的自備電廠，自發自供，余容上網。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以發電為主兼顧城市防洪。電站設計水平年采用2010年，設計保證率為90%，增容設計水平年采用第一臺機組投產后的5 a～10 a，為2015年。水庫正常蓄水位531.50 m，總庫容40萬m3，水庫不具有日調節性能，鑒于水庫回水至縣城，對城鎮防洪安全影響極大，為此汛期應按城鎮防洪要求限制水位運行。電站裝機3臺，單機容量12 MW，總裝機容量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，因此其洪水標準按平原、濱海區標準，但由于電站首部樞紐攔河壩緊靠城區，過閘流量大，為安全起見，防洪標準應提高一級，故設計洪水標準重現期為50 a一遇，校核洪水標準重現期為100 a一遇。

壩址區屬中低山區，河道較為順直，河流流向NEE向，為縱向河谷。現代河床高程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。壩址區物理地質現象主要表現為風化和卸荷，鉆孔和聲波測試資料及地表測繪表明：巖體強風化帶厚1 m～3.0 m，弱風化帶厚3.5 m～9 m。據地表調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，經計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、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，用以支承橋梁等結構，泄洪閘室采用8孔泄洪閘(7孔單個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，順水流方向長25 m，置于基巖上，根據地質資料，防滲采用帷幕灌漿，基礎砼為C15砼，溢流面采用C30的硅粉砼防沖。下游設24 m長的消力池，置于基巖上，基礎為C15埋石砼，設排水孔，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)的露頂式沖砂閘，閘底高程為526 m，順水流方向，閘室長25 m，置于基巖上，采用帷幕灌漿防滲，基礎為C15砼，面層為C30硅粉砼防沖層；下游設護坦長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，在靠近沖沙閘一側建導流墻，長34 m，在靠進水閘一側建有翼墻，這樣在沖沙閘前形成一條帶形進水道，使得在開啟沖砂閘時，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 攔河閘壩水力計算復核

根據水文復核計算結果，本次復核電站設計洪水與原計算值相同，校核洪水偏小0.27%。從偏安全角度考慮，本次仍沿用初設階段計算的成果進行水力計算復核。

3.1 泄水建筑物泄流能力計算

具體計算步驟見下式：

(1)

多孔閘，閘墩墩頭為圓弧形時：

(2)

(3)

(4)

(5)

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

具體水力計算成果見表1。

表1 水力計算成果表

3.2 壩頂高程的確定

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

表2 水閘安全加高表單位：m

經復核，閘壩的壩頂高程為537.0 m，高于考慮安全加高新標準的設計和校核洪水位對應的壩頂高程535.34 m和536.71 m，故閘壩能夠安全運行。

4 攔河閘壩穩定計算復核

本工程推薦壩址基巖為粉砂質泥巖，壩體砼與基巖間的抗剪強度標準值，根據地質專業提供的參數取抗剪摩擦系數f=0.45。大壩C15砼的強度標準值按規范DL 5108-1999為14.3 MPa，根據地質提供參數，地基抗壓強度為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《水工建筑物抗震設計規范》(DL 5073-2000)[4]，用擬靜力法計算地震作用效應，進行結構驗算。閘壩穩定計算按《水閘設計規范》(SL 265-2001)[5]的有關公式及條款規定，分別采用純摩公式和材料力學公式計算閘壩的抗滑穩定及基底應力。

抗滑穩定按式計算：

Kc=f·∑G/∑H

(6)

式中：Kc是沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；f是閘室基底面與地基之間的摩擦系數，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。

閘壩基底應力按式計算：

(7)