下滸山壩后電站壩式進水口結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

康金橋 李 軍 胡建華(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

設(shè)計與施工

下滸山壩后電站壩式進水口結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

康金橋 李 軍 胡建華(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

下滸山壩后電站壩式進水口采用分層取水的結(jié)構(gòu)型式，使進水口墩墻牛腿支撐體系的結(jié)構(gòu)規(guī)模加大，廠房尾水兼做供水渠首，下游河道只有很少的生態(tài)基流，這一特殊的運行方式使重力壩承受的靜水壓力較大。采用有限元計算軟件建立壩式進水口的三維整體模型，對壩式進水口的結(jié)構(gòu)進行變形、應(yīng)力及配筋計算，為設(shè)計提供依據(jù)。

碾壓混凝土重力壩；水電站廠房布置；壩式進水口；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)研究；下游山水庫；安徽

下滸山水庫工程位于安徽省安慶市潛山縣源潭鎮(zhèn)境內(nèi)的大沙河上，是大沙河干流上的骨干控制性工程，具有防洪、灌溉、供水和發(fā)電等多項綜合利用效益。

工程主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩、壩式進水口、廠房及其引水建筑物、灌溉與供水渠首。進水口采用分層取水的型式，使其墩墻的牛腿支撐體系的結(jié)構(gòu)規(guī)模加大；廠房尾水渠兼做供水渠首，下游河道只有很少的生態(tài)基流，這種特殊的運行工況使重力壩承受的靜水壓力較大。另外，進水口墩墻及連系梁的斷面尺寸大，有利于結(jié)構(gòu)的受力和變形，但同時也會加大支撐體系的規(guī)模，增加底部牛腿的荷載。因此，選取合理的斷面尺寸對確保進水口結(jié)構(gòu)的安全和電站建成后的高效穩(wěn)定運行，具有十分重要的意義。

1 設(shè)計標準

根據(jù)《防洪標準》(GB50201—94)和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)的規(guī)定，該工程屬Ⅱ等大(2)型水庫工程；電站進水口為2級建筑物，按照100a一遇洪水設(shè)計，1 000a一遇洪水校核。上游的正常蓄水位為115.00m，死水位為90.00m，上游設(shè)計洪水位為115.70m，上游校核洪水位為117.69m。為了防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，進水口引水管的底部高程必須滿足一定的淹沒深度。攔污柵的尺寸設(shè)計應(yīng)當滿足正常工況下最大過柵流速均不得大于1m/s，非常運行工況下不得大于 1.2m/s的規(guī)范要求。

依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》SL191—2008，進水口各鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度為0.3mm，撓度最大值為l/200。

2 結(jié)構(gòu)布置

引水發(fā)電系統(tǒng)位于大壩右岸，為壩后電站廠房布置型式。壩式進水口從右岸非溢流壩段取水，依次布置有攔污柵、分層取水疊梁門、喇叭口及事故檢修閘門。由于電站進水口兼顧發(fā)電與灌溉引水，考慮生態(tài)及環(huán)保要求后，對進水口采用分層取水的布置型式。對進水口攔污柵及分層取水的疊梁門支墩采用兩孔三墩布置。3個支墩布置在突出壩體長6m的牛腿上，考慮到分層取水的要求，攔污棚墩凈間距設(shè)計為3.6m，為滿槽布置，其中墩由連系梁與壩體及2個邊墩相連，以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。連系梁及支撐橫梁斷面尺寸均為 0.5m×0.7m(寬×高)。2個邊墩上設(shè)置有間排距2m、直徑15cm的平壓孔，以保證在分層取水時邊墩與中墩的內(nèi)外水平壓。

將分層取水的疊梁門門槽布置在攔污柵的后面，疊梁門位于高程 78.20～106.20m之間，單節(jié)尺寸為4.2m×3.5m，共有8節(jié)。喇叭口段流道的斷面由8.5m×5.8m漸變?yōu)?3.2m×3.2m，流道底面、側(cè)面與頂面均采用曲線過渡。其中，底面是采用半徑為 1.5m的1/4圓弧段過渡，側(cè)面是采用x2/3.62+y2/2.652=1的二次曲線過渡，頂面是采用x2/3.62+y2/1.12=1的二次曲線過渡。

事故檢修閘門緊接喇叭口段，流道尺寸為 3.2 m×3.2 m(寬×高)，在事故檢修閘門后設(shè)有直徑為600 mm的通氣孔穿出下游壩面。3臺機組總引用流量36.71 m3/s，死水位90.00 m，為防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，保證電站正常引水發(fā)電，按戈登公式計算，進水口所需最小淹沒深度為4.68 m；相應(yīng)地，引水管底部高程為82.12 m，取其高程為 80.00 m；進水口底部高程為78.20 m，進水口頂部高程與壩頂同高，為119.00 m；進水口高 40.80 m、寬11.50 m。攔污柵、分層取水疊梁門及事故檢修閘門的啟閉及安裝，均通過布置在壩頂?shù)拈T機操作。

攔污柵墩按兩孔三墩布置，2個邊墩及1個中墩寬均為 1.3 m，每孔設(shè)一道柵槽，尺寸為 0.60 m×0.30 m(寬×深)，孔口寬 為3.6 m；攔污柵流道尺寸為3.60 m×0.60 m(長×寬)，過柵流速為0.66 m/s，滿足正常工況最大過柵流速均不得大于1 m/s以及非常運行工況也不得大于 1.2 m/s的規(guī)范要求。事故檢修閘門的流道尺寸為 3.60 m×0.60 m(長×寬)。

3 三維有限元結(jié)構(gòu)計算

重力壩的基巖為劉畈組黑云母二長花崗片麻巖，建基面以下大多都屬于微新塊狀的AⅠ～AⅡ類完整巖體，飽和單軸抗壓強度100～160 MPa，彈性模量為 1.8×1010Pa。采用有限元軟件ANSYS12.0 對進水口結(jié)構(gòu)在最不利工況下各部位的變形、應(yīng)力及配筋進行計算，選取進水口所在的寬 22 m的非溢流壩段及該壩段上游 88 m、下游 88 m、大壩底面以下110 m范圍的巖基作為計算單元。壩體的底部高程為45.00 m，頂部高程為 119.00 m，壩高為74 m。

由于該電站廠房的尾水渠兼作灌溉渠首使用，因此，在電站運行過程中，只有少量的生態(tài)基流流入下游河道，且進水口的最不利工況為重力壩上游校核洪水位工況。這樣，重力壩在校核洪水位工況下的荷載主要為結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力和揚壓力，靜水壓力為高72.69 m的水頭壓力。

計算模型中的有限元網(wǎng)格單元為六面體。為使所求結(jié)果更加準確，進水口支撐結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格單元劃分應(yīng)足夠精細。對大壩底部與基礎(chǔ)頂面接觸部位采用共結(jié)點的方式，計算模型的約束則采用巖基底面全約束，上、下游側(cè)面及左、右側(cè)面則采用法向約束。

對參數(shù)的選取，所用的混凝土標號為C25，密度為2 500 kg/m3，泊松比為 0.167，彈性模量為 2.8×1010Pa；鋼材的密度為7 850 kg/m3，泊松比為 0.3，彈性模量為 2.1×1011Pa；巖石的密度取極小值，即認為地基部分的沉降已經(jīng)完成，泊松比取為 0.24，彈性模量為 1.8×1010Pa。

4 計算結(jié)果分析

(1) 變形分析。在靜水壓力作用下，因壩體底部剛度較大，壩體垂直方向具有單向約束的特點，各部分位移大小自上而下逐漸減小，最大位移為5.7 mm，以順水流向位移為主，出現(xiàn)在進水口頂部下游側(cè)。進水口結(jié)構(gòu)支撐體系的最大位移為5.5 mm，以順水流方向位移為主，出現(xiàn)在支撐體系頂部下游側(cè)。各層連系梁自上而下的最大位移依次為 5.3、4.8、4.4、4.0、3.6 mm。同一層的3根連系梁中順水流向的位移最大，垂直水流方向2根連系梁的位移從中墩連接部位向兩側(cè)墩墻方向逐漸減小。進水口頂部至底部的位移變化范圍不大，為 5.7～2.8 mm。因此，進水口結(jié)構(gòu)的變形均在合理范圍以內(nèi)。

(2) 應(yīng)力分析。在上游校核水位工況下，大部分區(qū)域均以較小壓應(yīng)力和有拉應(yīng)力為主，在大壩上游底部出現(xiàn)有拉應(yīng)力，在下游底部有明顯的壓應(yīng)力。與連系梁連接的部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，順水流方向連系梁的最大拉應(yīng)力為 3.2 MPa，出現(xiàn)在其上游的下表面和下游的上表面；最大壓應(yīng)力為 0.5 MPa，出現(xiàn)在連系梁上游的上表面和下游的下表面；垂直水流方向的最大拉應(yīng)力為1.3 MPa，出現(xiàn)在其與邊墩連接部位的上表面，而在該部位下表面的壓應(yīng)力為0.18 MPa，垂直水流方向連系梁與中墩連接部位的下表面最大拉應(yīng)力為 0.77 MPa，上表面最大壓應(yīng)力為 0.16 MPa。

對順水流向的連系梁上、下側(cè)各配5根Φ25鋼筋；垂直水流向的連系梁上、下側(cè)，則各配5根Φ22鋼筋，裂縫寬 0.27 mm。

在邊墩及中墩，是以較小的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力為主，大約為 0.1 MPa，中墩底部的壓應(yīng)力最大，為0.3 MPa。墩墻水平向配置鋼筋Φ18，間距為20 cm;垂直向配置鋼筋Φ20，間距為20 cm;裂縫寬度為 0.26 mm。

5 結(jié) 論

5.1 結(jié)構(gòu)布置

下滸山壩后電站進水口頂部高程為119.00 m，大于校核洪水位 117.69 m，滿足《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》SL319—2005關(guān)于壩頂高程應(yīng)高于校核洪水位的要求。進水口引水管底部高程滿足進水口最小淹沒深度的要求，攔污柵尺寸滿足過柵流速的要求。

5.2 結(jié)構(gòu)計算

(1) 進水口在校核洪水位工況下的變形主要為順水流方向的位移，最大值為 5.7 mm，各層連系梁最大位移為 5.7 mm，最大撓度為1/330，滿足鋼筋混凝土受彎構(gòu)件撓度的要求。

(2) 進水口墩墻、連系梁的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計合理。墩墻水平向配置鋼筋Φ18，間距為20 cm;垂直向配置鋼筋Φ20，間距為20 cm，裂縫寬度為 0.26 mm；順水流向的支撐梁上、下側(cè)各配5根Φ25鋼筋，垂直水流向的連系梁上、下側(cè)各配5根Φ22鋼筋，裂縫寬度為 0.27 mm。滿足鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫最大寬度的要求。

(3) 進水口在校核洪水位工況下的應(yīng)力以較小的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力為主，在順水流向的支撐梁及垂直水流向的連系梁等連接部位，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過加強局部配筋提高結(jié)構(gòu)剛度，可以保證結(jié)構(gòu)的安全。

下滸山壩后電站進水口的結(jié)構(gòu)布置及計算結(jié)束，均滿足規(guī)范要求，各部位斷面尺寸不大，配筋率較合適、配筋方案合理。三維有限元整體計算分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)運行的安全穩(wěn)定性能夠得到保障。

邵年，廖遠志，林學(xué)鋒.嘉陵江亭子口水電站進水口分層取水設(shè)計.人民長江，2004，(4).

馬善定,汪如澤. 水電站建筑物.北京:中國水利水電出版社,1996.

王勖成,邵敏. 有限單元法基本原理與數(shù)值方法.北京:清華大學(xué)出版社,1997.

2014-12-23

康金橋，男，長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司樞紐處，工程師.

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