靖宇縣福生水電站泄水建筑物設(shè)計(jì)

胡順志 ，鞠 曄 ，鄭 軍 ，劉 峰

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.松遼水利委員會(huì)，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

福生水電站位于白山市靖宇縣花園口鎮(zhèn)高麗城子村北側(cè)，是松花江流域頭道松花江中下游的徑流式梯級(jí)電站，該工程是一座以發(fā)電為主，兼顧旅游等綜合利用的小型工程。

壩址控制流域面積4 750 km2，水庫(kù)正常蓄水位419.50 m，相應(yīng)庫(kù)容 93.00萬(wàn) m3，工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等工程。電站樞紐自右至左由右岸漿砌石擋水壩段、自由溢流壩段、翻板門泄水閘壩段、沖砂閘壩段、河床式發(fā)電廠房壩段和左岸擋水壩段等組成。

2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

壩址位于頭道松花江干流上，河道地勢(shì)平坦，壩址區(qū)河谷呈不對(duì)稱的“U”型河谷，谷寬為250～300 m，河床大部分為砂礫石層覆蓋，基巖為玄武安山巖。左岸為Ⅰ級(jí)階地，表層為砂壤土。右岸為山體，由安山巖組成。

泄水建筑物位于河床中部，地面高程一般414～415 m。覆蓋層零星分布，厚度一般1 m左右?；鶐r為玄武安山巖，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般2～3 m，以下為中等風(fēng)化巖石。泄水建筑物基礎(chǔ)建于中等風(fēng)化巖體上部較完整巖體上，基礎(chǔ)巖體分類為AⅢ2類。

3 泄水建筑物布置設(shè)計(jì)

3.1 泄水建筑物型式選擇

該工程是頭道松花河上的徑流式水電站，。根據(jù)壩址區(qū)附近地形地質(zhì)條件，選定壩線處河谷寬度約310 m。水庫(kù)無(wú)調(diào)蓄能力，具有低水頭、洪峰流量大及泄洪規(guī)模大特點(diǎn)，要求泄水建筑物具有較長(zhǎng)的泄水前緣寬度，因此樞紐布置在滿足河床式發(fā)電廠房壩段布置的前提下，河床部位盡可能布置泄水建筑物。

泄水建筑物布置在考慮加大泄流能力的同時(shí)，還要考慮樞紐的排沙要求，由于上游梯級(jí)電站的調(diào)洪作用，本工程下泄小流量的洪水頻率較多，因此泄水建筑物布置采用自由溢流壩、翻板門泄水閘和沖沙閘布置形式。

3.2 泄水建筑物設(shè)計(jì)

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄水建筑物全部布置在主河床，從右至左由凈寬82.50 m自由溢流壩段、17孔翻板門泄水閘壩段和2孔沖沙閘壩段組成，下游采用底流消能，底板頂高程414.00 m。

1）自由溢流壩。自由溢流壩具有運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，不需要布置金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，泄洪時(shí)不需要設(shè)備操作，運(yùn)行安全可靠。

自由溢流壩布置在主河床右側(cè)，壩段長(zhǎng)度82.50 m，堰頂高程與水庫(kù)正常蓄水位高程一致為419.50 m；堰面曲線采用WES型，曲線方程為：y=0.147 645x1.85，上游側(cè)與橢圓圓弧相接，下游與反弧段相接。

溢流壩堰體采用漿砌石外包混凝土的結(jié)構(gòu)型式，建基高程為413.00 m，上、下游均設(shè)齒槽。堰體內(nèi)部漿砌石采用砂漿標(biāo)號(hào)為M10的塊體漿砌石砌筑，外包混凝土全部為C30F300W4混凝土，外包混凝土厚度不小于0.8 m。

2）翻板門泄水閘。翻板門泄水閘是近年來(lái)發(fā)展較快的一種低水頭電站的擋、泄水建筑物首選形式，分為自動(dòng)翻板門泄水閘和液壓雙控翻板閘門泄水閘。

自動(dòng)翻板門泄水閘主要特點(diǎn)是：不需要任何啟閉機(jī)械設(shè)備、人力、電力,靠水推力和閘門重力就能使閘門沿水流方向自動(dòng)啟閉，達(dá)到泄洪、控制上游庫(kù)水位的目的，運(yùn)行管理方便，同時(shí)具有制作簡(jiǎn)單、施工快捷、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是不能隨時(shí)啟閉，或關(guān)閉不嚴(yán)等問(wèn)題，并且在啟閉時(shí)有瞬間撞擊情況，容易損壞建筑物。

液壓雙控翻板閘門泄水閘是在原自動(dòng)翻板閘門泄水閘的基礎(chǔ)上增設(shè)液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)，達(dá)到了在任何水位下均能夠安全啟閉翻板門，可使閘門在運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)啟閉，可以有效消除翻板閘門存在著被雜物卡住而造成的漏水、振動(dòng)、拍打、維修難度大的問(wèn)題，其性能在運(yùn)行中更可靠、更安全，便于管理，使用壽命長(zhǎng)、投資成本低。因此該工程采用液壓雙控翻板門泄水閘形式。

液壓雙控翻板門泄水閘壩段布置在主河床中央，壩段長(zhǎng)度139.00 m，共布置 17孔，每孔凈寬8.00 m，泄水閘中間布置兩個(gè)中墩，每個(gè)中墩厚1.20 m，翻板門自左向右布置為6孔泄水閘+中墩+6孔泄水閘+中墩+5孔泄水閘。堰頂高程416.30 m，閘門高度3.20 m，堰型采用寬頂堰，堰面下游坡比為1∶2.0，采用半徑2.0m的圓弧與消力池底板相接。堰體建基高程為412.00 m，上游側(cè)設(shè)齒槽。堰體混凝土全部為C30F300W4混凝土。

3）沖沙閘。根據(jù)福生水電站上游來(lái)沙量確定本工程布置2孔沖沙閘，每孔凈寬8.0 m，滿足樞紐沖砂的需要，同時(shí)汛期還可以參加樞紐泄洪。

沖沙閘壩段布置在河床式發(fā)電廠房壩段右側(cè)，壩段長(zhǎng)度20.80 m，共設(shè) 2孔，每孔凈寬8.00 m，布置2個(gè)邊墩，1個(gè)中墩，邊墩厚1.50 m，中墩厚1.8 m。閘門高度4.0 m，堰型采用寬頂堰，堰頂高程與上游河床基本一致為415.50 m，堰面下游坡比為1∶2.5，采用半徑2.0 m的圓弧與消力池底板相接。堰體建基高程為412.00 m，上游側(cè)有1.0 m深的齒槽，齒槽底寬為1.0 m。堰體混凝土全部為C30F300W4混凝土。

3.2.2 消能設(shè)計(jì)

泄水建筑物具有泄量大、水庫(kù)上下游水位變幅大、低佛氏數(shù)等特點(diǎn)，推薦采用底流消能型式。消力池采用一級(jí)消力池，經(jīng)計(jì)算弗洛德數(shù)均在2～5之間，消力池消能率低，因此需要在消力池內(nèi)布置消力墩，產(chǎn)生強(qiáng)制水躍，增加水躍在消力池內(nèi)的消能效果，通過(guò)計(jì)算及模型試驗(yàn)確定：自由溢流壩和翻板門泄水閘壩段消力池長(zhǎng)度采用14.50 m，池深采用1.0 m；沖沙閘消力池長(zhǎng)度采用16.0 m，池深采用1.5 m。

消力池底板混凝土厚度為1.0 m，上、下游設(shè)齒槽，混凝土標(biāo)號(hào)全部為C30F300W4。池底布置間排距2.0 m的錨桿，錨桿直徑為22 mm，長(zhǎng)度為4.0 m。

自由溢流壩部位消力池內(nèi)布設(shè)1排消力墩，墩高為1.0 m，平面間距2.0 m。翻板門泄水閘部位消力池內(nèi)布設(shè)2排消力墩，墩高為1.0 m，垂直水流方向間距2.0 m，順?biāo)鞣较蜷g距2.5 m。沖沙閘部位消力池內(nèi)布設(shè)1排消力墩，墩高為1.5 m，垂直水流方向間距1.5 m。

3.2.3 基礎(chǔ)處理

因壩基開(kāi)挖較淺，巖體表部節(jié)理多有微張，為提高其整體性和改善變形特性，需進(jìn)行基礎(chǔ)固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔采用方格形布置，灌漿孔距、排距均為3 m，灌漿深度均為巖面以下4.0 m。

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，壩基巖體的透水率多為 0.1～1 L/（min·m·m），大于低壩的防滲標(biāo)準(zhǔn)0.05 L/（min·m·m），另外，壩基巖體中節(jié)理發(fā)育，且連續(xù)性強(qiáng)。因此，需作帷幕灌漿，帷幕深度為建基面以下6 m深，孔距采用2.0 m。