金雞灘水利樞紐溢流閘壩設計

梁 英 盧劍華

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 概述

廣西隆安金雞灘水利樞紐是以發電、航運為主,兼有灌溉、養殖和旅游等效益的綜合利用工程,是郁江干流綜合利用規劃中的第六個梯級。壩址位于右江下游的金雞灘河段,控制流域面積為32506km2,多年平均流量472m3/s,多年平均徑流量為149億m3,水庫正常蓄水位為88.6m,相應庫容為0.988億m3,下游正常尾水位76.60m。電站裝機容量3×24MW,過壩建筑物為1000t級船閘。

2 溢流閘壩布置

溢流壩段布置在河床偏右岸主河槽中,全長135m,共設溢流閘7孔,每孔凈寬16m,閘墩厚3m,邊墩厚2.5m。壩頂高程102.7m,最大壩高42.7m。壩頂上游交通橋寬 8.0m(含人行道1.2m)。堰頂高程為75.0m,建基面高程60.0～64.0m;基礎均座落在弱風化的基巖之上,最大堰高15.0m。堰面選用流量系數較大的WES曲線,曲線方程為X1.810=1.939H d0.81Y,堰頂上游用二段圓弧連接,然后接1︰0.667直線。閘壩橫剖面見圖1。

溢流堰頂工作閘門為弧形鋼閘門,尺寸為16×14m(寬×高),采用QH LY2×2000液壓啟閉機啟閉。在工作閘門的上游,設有檢修門槽,7個閘孔共配備1扇檢修閘門,閘門尺寸為16×17.6m(寬×高),采用平面滑動疊梁形式,壩頂設2×1000/2×400kN雙向門式起重機操作。

2.1 泄流方式的選擇

金雞灘壩址河床寬度約300m,受到通航建筑物船閘布置的限制,泄流閘壩布置較為困難。為了加大閘壩的過流能力、盡量減少洪水期回水淹沒損失;保證上游百色水庫建壩后,本工程閘壩在渲泄50年一遇及以下各級洪水時,壩上壅水與相同標準的天然洪水線相比增加值不大于30cm;閘壩采用低堰和高強度鋼筋混凝土結構降低堰頂高程和減小閘墩尺寸,有效地增加了過水孔口尺寸。

選用的堰頂高程為75.0m,低于正常尾水位76.6m,閘墩厚3m,邊墩厚2.5m,閘墩采用C35混凝土,閘壩孔口凈寬 16.0m,工作閘門高14.0m,經水力計算[1]和水工模型試驗[2](采用1︰100的正態模型)表明,設計采用低堰開敞式大孔口溢流閘壩能滿足控制淹沒損失要求,詳見表1。

表1 閘門全開Q～Z上～Z下關系曲線

2.2 堰面設計水頭的選擇

堰面選用流量系數較大的WES曲線,曲線方程為X1.810=1.939Hd0.81Y,堰頂上游用二段圓弧連接,初步設計時采用設計水頭 H d=0.75H max=18m。

為了進一步提高閘壩過流能力,施工設計時對閘壩體型結構進一步進行優化,采用堰上正常蓄水位對應水頭為設計水頭,即 Hd=H正常=13.6m,溢流面曲線方程為:Y=0.06227X1.81,曲線后接1︰1.5陡坡段。

這使得堰體變得更薄,過流能力增大,減少了堰體混凝土工程量。根據水工模型試驗布設于溢流壩面閘孔中心線的測壓孔測試成果[2](如表2)可知,壩面壓力分布合理,規律正常,壩面最大負壓值為1.0m水柱,不會對堰面C25混凝土造成破壞。工程自2006年6月蓄水運行以來,經歷了三個汛期,最大泄量為4136m3/s,當時壩上實測水位87.4m,下游水位87.23m,現場檢查未發現溢流壩面有破損現象。

圖1 閘壩橫剖面圖

表2 溢流閘壩壓力分布表

2.3 溢流閘壩消能設計

本工程溢流堰最高為15m,壩基巖性為細砂巖夾泥巖、泥質粉砂巖、頁巖,巖層抗沖流速為2～2.5m/s,兩岸岸坡穩定性較差,故消能方式選用底流式水躍消能。根據《溢洪道設計規范》SL253-2000,消能防沖設施按30年一遇洪水設計。

經消能計算得知,各工況實際水深均大于共軛水深,屬于淹沒式水躍,可不設消力池,但由于下游巖層抗沖流速較低,為了減少護坦長度,仍設置消力池,消力池底板高程為67.0m,消力池長度為25m。

由整體水工模型試驗報告可知[3],消力池在閘門局部開啟,最大底流速Vmax=9.79m/s;在閘門全開工況,消力池最大底流速為3.42m/s,C25混凝土能滿足其抗沖要求。經消能作用后,河床最大底流速為Vmax=2.47m/s～3.55m/s,不會對河床造成嚴重沖刷。

2.4 溢流閘工作門采用弧形鋼閘門

金雞灘水電站溢流閘壩共設7孔泄洪閘,孔口尺寸16×14m,一期工程有2孔閘門。經方案比選,最終選用了結構簡單、啟閉力小、水流條件較好、操作方便且容易實現遠程自動化控制的弧形鋼閘門作為溢流閘壩的工作門。

2.4.1 弧形閘門支鉸采用鑄鋼、自潤滑關節軸,減少了運行維護費用

在弧形閘門技術演變發展過程中,常出現事故、故障多在支鉸部分,主要是支鉸的軸承老化、變形、卡阻等問題。其主要原因是閘門運行環境惡劣,容易受潮和受水流沖擊。特別在低水頭徑流式電站工程中,由于上下游水位較高,弧門支鉸更容易受水流影響,渲泄較大洪水時對弧門支鉸的沖擊較大,容易造成損害。因此,在進行閘門支鉸設計時須考慮支鉸的結構形式和支鉸軸承材料。本工程弧形閘門支鉸選用低合金鑄鋼材料(ZG50Mn2),該材料具有強度高,沖擊韌性好等優點,這樣支鉸能夠抵抗高速水流和漂浮物的沖擊;支鉸軸承采用自潤滑關節軸承,關節軸承不僅可以滿足閘門運行中的變形要求,而且自潤滑材料具有耐腐蝕、耐老化、不變形,無需加油完全自潤滑等優點,可在水中或潮濕的環境中良好運行,解決了支鉸軸承老化、變形、卡阻等問題,保證了閘門正常安全運行,減少了運行維護費用。

2.4.2 弧形閘門選用液壓啟閉機

液壓啟閉機具有結構簡單、傳動平穩、重量輕、承載力大、運行耗能少等優點,同時,液壓傳動調速方便,與電氣控制結合,便于實現控制自動化。本工程選擇液壓啟閉機作為弧形工作門的啟閉設備,與工業電視、水位測量儀等配套,實現遠程控制。

3 結語

金雞灘水利樞紐工程溢流閘壩經歷了三個汛期的考驗,未發現溢流壩面有破損現象,說明在低水頭閘壩中采用正常蓄水位對應堰上水頭作為堰面曲線的設計水頭不僅可減少工程量,增大過流能力,而且不會對堰面產生氣蝕破壞。

在河床式電站工程中,為了滿足建壩后在渲泄某標準及以下各級洪水時,壩上壅水與相同標準的天然洪水線增加不大于某值的淹沒要求,可采用低于正常尾水位的大孔口開敞式低堰閘壩泄洪。同時采用液壓啟閉的弧形鋼閘門作為工作閘門,以便取消下游檢修門槽。

弧形閘門支鉸可應用鑄鋼、自潤滑關節軸等新技術、新材料,保證閘門正常安全運行,減少運行維護費用。

弧形工作閘門的液壓啟閉機泵房布置在閘墩里,有利于改善工程外觀。

1 廣西南寧水利電力設計院.《廣西隆安金雞灘水利樞紐工程初步設計報告》.廣西南寧水利電力設計院,2003.10.

2 廣西大學土木工程學院.《廣西隆安金雞灘水利樞紐水工模型試驗研究報告》(技術設計).廣西大學土木工程學院;2004.06.

3 廣西大學土木工程學院.《金雞灘水利樞紐整體水工模型試驗研究報告》.廣西大學土木工程學院;2003.09.