江邊水電站進水口設計

2011-04-02 06:37:36柳成熙

東北水利水電 2011年8期

高悅，柳成熙

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014）

1 概述

江邊水電站位于四川省甘孜藏族自治州東南部九龍縣，是九龍河干流“一庫五級”開發方案中的最末一級水電站。電站總裝機330 MW，共裝3臺混流式發電機組。電站采用引水式布置形式，工程樞紐由首部低閘、引水系統以及尾部地下廠房三大部分組成，首部閘壩高27.5 m，引水隧洞長約8.5 km，為一低閘、長隧洞、高水頭引水式電站。工程等級為二等大（2）型。

電站進水口位于九龍河流域，進水口區域懸移質泥沙多年平均輸沙量為197萬t，推移質泥沙輸沙量為16.7萬t，多年平均輸沙總量為213.7萬t，為多泥沙河流。

2 進水口設計位置選擇

2.1 選擇基本原則

選擇需要考慮的因素主要有：

①進水口布置需滿足樞紐總體布置功能；

②宜選擇穩定河段，并靠近河流主槽布置；

③滿足取水防沙要求，確保“門前清”。

2.2 地形地質條件

閘壩左岸地形相對右岸地形地面自然坡度較陡，且河流主槽位于左岸。經現場勘查，左岸地形1 800 m高程以上為陡崖，坡度60°~65°，坡高約90 m；1 800 m高程以下，地形坡度稍緩，以30°~40°為主，坡高約 18 m。

據地質鉆孔ZK13，ZK32揭露，陡崖外側1 800 m高程以下岸坡基巖面坡度較陡，約40°~65°，覆蓋層厚度變化較大，厚度10~50 m，進水口地基地質特性如下：

1）覆蓋層為河床沖洪積（Qa4l+pl）漂（塊）卵（碎）石層，厚度13.5~24 m，層底高程1 753~1 757 m，以漂塊卵碎石為主，充填砂礫，局部含塊石較大。承載力特征值fk=550~600 kPa，變形模量E0=30~35 MPa，滲透系數 K=5~8×10-2cm/s，允許坡降 J=0.1~0.15。

2）基巖為黑云母石英片巖，風化淺薄。據ZK13及ZK32孔揭露，1 800m高程以下部位，弱風化巖厚1~5 m，以下為微風化巖，RQD=80%~96%，巖體較完整~完整。據PD2平硐及ZK16孔揭露，1 800 m高程以上部位，陡崖由弱~微風化組成，屬較完整~完整巖體，局部因斷層f1及f2通過，巖體完整性差。另據PD2平硐揭露，陡崖弱卸荷帶水平埋深約8 m，多表現為卸荷節理及裂隙，面多微張，鐵錳質渲染，局部夾巖屑。

從地形地質條件，左岸具備布置進水口條件。

（2）打造精英型組織或團隊，由其專門負責構建和完善我國航空用金屬材料標準和標準體系。一個優秀的組織或團隊是所有體系運行的基石。要汲取國外已經成熟的航空用金屬材料標準和標準體系運用及管理模式的精髓，結合我國實際情況，由專業組織或團隊對我國航空用金屬材料標準體系進行實時跟蹤、不斷更新和持續維護，確保技術領先、科學管理。

2.3 進水口防沙設計

由于九龍河為多泥沙河流，因此，在進水口布置過程中對該河段的水文泥沙情況展開了細致的調查研究，經對水文泥沙資料分析認為進水口布置需解決取水防沙問題。通常的防止泥沙淤積的處理措施主要有3種：①設置攔沙坎；②進水口底板高程高于電站使用期泥沙淤積高程之上一定安全距離；③采用進水口與沖沙泄洪建筑物結合布置形式，即“正向沖沙，側向取水”。鑒于江邊電站為日調節水庫，為了增大水庫運行期的有效庫容，減少泥沙淤積對庫容的影響，簡單的攔沙無法解決泥沙影響，防沙的主導原則以排為主，因此，首部樞紐閘壩設置了沖沙閘，進水口的泥沙淤積防治與沖沙閘結合，即防沙措施主要采用上述第③種措施，同時又組合采用了第①種過程措施即在進水口前緣設置了攔沙坎。

2.4 位置選擇

綜合首部樞紐地形地質條件、沖沙閘布置及取水防沙要求，進水口布置在靠近閘址左岸壩頭上游位置，與沖沙閘結合布置。進水口平面位置布置見圖1。

3 進水口結構布置

根據上述布置原則以及地形地質條件、取水防沙功能需要，選擇岸塔式進水口布置形式，進水口布置于左岸，進水口前緣緊鄰沖沙閘，進水口軸線與壩軸線成15°夾角，形成“正向泄洪沖沙，側向取水”的布置形式。整個進水口建筑物主要分為進水口前部擋沙坎、攔污柵段、事故閘門室段，總長41.5 m，寬由最前緣26.5 m逐漸收縮至閘室部位9.6 m，進水口建基面高程為1 772.50 m，進水口平臺高程為1 799.50 m，塔體高度27 m。擋沙坎設在進水口前5 m處，坎頂高程1 783.00 m，攔污柵段底板高程為1 780.00 m，為滿足進水口滿足淹沒深度要求，攔污柵段后的喇叭口進口段閘門室段底板高程1 774.50 m，兩者之間用1∶3斜坡過渡。攔污柵孔口尺寸為10.00 m×9.00 m（寬×高），為2孔。事故閘門孔口尺寸為5.6 m×7.2 m。攔污柵設置2柵工作柵1扇備用柵，同時工作柵前設置了清污耙機，啟閉采用雙向門機。事故閘門采用固定卷揚啟閉，啟閉機室設置在事故閘門井頂部，由排架柱及啟閉機室組成。因進水口基礎分別位于覆蓋層和巖基上，在兩種地層分界處設置沉降縫。進水口縱剖面見圖2。

4 水工模型試驗

為了驗證進水口與沖沙閘布置形式的防沙效果，進行了進水口整體水工模型試驗，模型比尺為1∶50。模型試驗結果表明，每年汛期6—9月份限制運行水位在1 789.0 m，此時當流量大于400 m3/s，全閘敞泄排沙，通過排沙運行，進水口前水庫於沙高程控制在1 781.0m，低于進水口攔沙坎高程1 783.00 m，驗證了進水口布置能夠滿足要求。通過模型試驗研究，增設了進水口弧形導流墻、束水墻等結構措施，進一步提高了排沙效果。模型試驗結果同時表明，在各級流量與不同運行水位下電站取水口進流流態良好，沒有產生側收縮與漩渦，進水口進流較均勻，各種運行工況下流道比界于1～1.15之間。

5 進水口穩定分析與結構設計

5.1 抗滑穩定

進水口緊靠后側洞臉巖石邊坡布置，巖石邊坡穩定，進水口整體為空腔結構，運行期塔內部水體與庫水可保持平壓狀態，因此不存在使進水口整體沿基礎抗滑失穩的荷載條件。對于深層抗滑穩定，現場開挖揭露的地質條件表明，不存在對塔體穩定不利的深層滑動面，即深層抗滑穩定也滿足要求。因此，進水口整體抗滑穩定滿足設計要求。

5.2 抗傾覆穩定

進水口塔體抗傾覆穩定按下式計算：

式中：K0——抗傾覆穩定安全系數；∑MS——建基面上穩定力矩總和；∑M0——建基面上傾覆力矩總和。

計算荷載包括：自重、靜水壓力、揚壓力。計算工況分別為完建工況和正常蓄水位工況。

經計算，正常蓄水位工況為控制工況，相應的抗傾覆安全系數為K0＝3.47＞1.35，抗傾覆穩定滿足要求。

5.3結構計算

進水口結構計算采用三維有限元計算軟件ANSYS進行計算。計算荷載主要考慮：①進水口結構自重（結構重量及永久設備重）；②靜水壓力；③頂部活荷載；④風壓力；⑤浪壓力；⑥揚壓力；⑦地震慣性力；⑧地震動水壓力。其中④風壓力和⑤浪壓力較小，忽略不計。⑦、⑧為動荷載，按擬靜力法計算。

計算工況及荷載組合如表1所示。

表 1計算工況及荷載組合

按照1∶1實體比例建立有限元模型。有限元模型采用代號為solid 186的20節點二次六面體單元組成，接觸單元采用conta174劃分，接觸面單元采用targe 170單元劃分。在進水口主體混凝土結構與漂（塊）卵（碎）石層、基巖、C15混凝土墊層之間均采用接觸對單元模擬，接觸單元的工作特性為綁定，即接觸面可以傳遞應力和位移，且兩者不會脫開。進水口結構和基巖的材料不同，采用接觸單元可以避免網格劃分時出現不同材料共用一個節點而造成在交接面上單元等值劃分所引起的計算誤差。計算參數見表2。

幾何模型由46 421個solid 186單元，2 125個接觸對構成，總節點數193 586個。