黃河龍口水利樞紐工程泄水建筑物設計

苗 青 王曉輝 劉順萍 周陳超

1 洪水標準及泄流要求

龍口水利樞紐總庫容1.96億m3,電站總裝機容量420MW。本樞紐工程屬大(Ⅱ)型工程,樞紐主要建筑物大壩、電站廠房、泄水建筑物按2級建筑物設計,其洪水標準按100年一遇洪水設計,1000年一遇洪水校核。

入庫洪水由萬家寨—龍口區(qū)間同頻率洪水疊加萬家寨水利樞紐相應洪水的下泄流量組成。水庫運用方式是蓄清排渾,汛期排沙。電站為河床式電站。泄水建筑物除應滿足泄洪要求外,還應滿足沖沙、排污等項要求。

規(guī)劃對泄水建筑物泄流能力的要求:

(1)校核洪水位時,下泄流量大于8276m3/s;(不包括電站引水流量,下同);

(2)設計洪水位時,下泄流量大于7561m3/s;

(3)汛期排沙水位888.0m時,下泄流量大于5000m3/s。

龍口壩址距萬家寨電站僅25.6km,黃河上游來冰被萬家寨水庫攔蓄,龍口水庫少量冰凌可由表孔排出,此外,樞紐無通航及過木要求。

2 布置與結構形式

從地形上看,龍口壩址河床相對較寬,具備布置壩體泄洪的條件。由于龍口工程沖沙流量大,汛期要求泄洪兼排沙,故泄水建筑物以底孔為主。考慮汛期泄洪有排污要求,故設2孔表孔。經反復比較后選用的布置方案為:泄水建筑物布置在樞紐的右側,表孔緊靠右岸邊坡壩段布置,底孔布置于表孔左側,其中5個底孔壩段總長100m,布置10個孔口尺寸4.5m×6.5m(寬×高)的泄洪底孔,孔口處最大單寬泄量為137.8m3/(s?m);2個表孔壩段總長34m,布置2個寬12m的泄洪表孔,最大單寬泄量為76.7 m3/(s?m)。為保持電站壩段 “門前清”,同時減少過機含沙量,共設9個排沙洞。在5#～8#電站壩段每壩段各設2個排沙洞,10#副安裝間壩段設置1個排沙洞,排沙洞出口尺寸均為1.9m×1.9m。

泄洪建筑物運用方式為:在開啟底、表孔泄洪時,應同時啟用排沙洞參與泄洪,對于出現(xiàn)頻率較高的中、小頻率洪水在水位和含沙量滿足運行要求時,可開啟水輪發(fā)電機組過流代替排沙洞,以減少排沙洞的過流頻次。

經水工整體模型試驗驗證,在電站發(fā)電或開啟5個排沙洞(副安裝間壩段排沙洞及每個大機組段各1個排沙洞)參與泄洪的情況下,下泄洪水更加平順,回流現(xiàn)象基本消失,電站尾水渠中基本沒有淤積,底、表孔壩段的單寬流量有所減小,減輕了對下游河床沖刷。

2.1 底孔壩段布置

底孔是主要的泄洪、排沙建筑物。布置在河床中部偏右岸的12#～16#壩段,每個壩段寬20.0m,布置2孔,共10孔。在選定底孔進口底高程時,考慮到底孔除泄洪外,也是主要的排沙建筑物,故進口高程應盡量低,且要滿足與消力池的連接要求,由于電站引水流道底高程為866.0m,故底孔進口底高程定為863.0m。根據(jù)樞紐排沙要求,龍口水庫水位888.0m時泄流量大于5000m3/s,因此確定底孔控制斷面孔口尺寸4.5m×6.5m(寬×高),此時最低沖沙水位885.0m時泄流能力為4673 m3/s(模型試驗值),排沙水位888.0m時泄流能力為5091m3/s(模型試驗值)。

底孔進口為有壓短管,后部接無壓明流洞,孔口控制斷面4.5m×6.5m(寬×高),進口頂、側曲線均采用1/4橢圓曲線,頂曲線方程為+=1,曲線尾部接1∶5直線段,側曲線為+=1。

底孔設工作門、事故檢修門各1道。工作門采用弧形鋼閘門,由布置在壩內廊道的液壓啟閉機啟閉,事故檢修門為平板鋼閘門,由壩頂雙向門機啟閉。

底孔明流段豎曲線為拋物線 y=0.00839x2,后接1∶4直線段,直線段下游接半徑為17.0m的反弧段與一級消力池底板連接。為減小出口單寬流量,底孔邊墩樁號0+17.74—0+038.408段按1∶20擴散,壩段末端0+038.408—0+042.53段按1∶12擴散。兩側閘墩墩頭為1/4圓弧,半徑為1m,中墩墩尾為方形。

2.2 表孔壩段布置

表孔擔負泄洪、排污任務,必要時也可排冰,布置在右岸17#、18#壩段。每個壩段寬17 m,孔口凈寬12.0m,共2孔,堰頂高程888.0m,以滿足泄洪、排污要求。表孔工作門、檢修門均為平板鋼閘門,由壩頂雙向門機操作。表孔堰面曲線為WES曲線,其方程為 y=0.085377x1.85,后接1∶0.7直線段,直線段下游以半徑為15m的反弧段與底高程858.00m的消力池底板連接。兩側閘墩墩頭為1/4圓弧,半徑為1.25m,中墩墩尾為方形。樞紐總泄流能力詳見表1。樞紐總泄流滿足相應的泄流排沙規(guī)模要求。

表1 樞紐泄流能力匯總表

3 消能建筑物布置

表孔和底孔泄水建筑物的消能方式均采用底流消能。因本工程河床部位基巖高程為860.0m左右,為保證壩體沿基礎內軟弱夾層的抗滑穩(wěn)定,消力池不宜挖得很深,深挖式消力池對壩基的深層抗滑穩(wěn)定極為不利,不宜采用,故選用了尾坎式消力池,池底高程858.0m。消能建筑物主要由一級消力池、一級消力坎、二級消力池、差動尾坎、海漫、消力池左、右邊墻及消力池中隔墻等建筑物組成。

根據(jù)消能計算及水工模型試驗多方案比較,并考慮泄水建筑物的布置,最終確定底流消能布置為底、表孔一級消力池之間用中隔墻隔開,底、表孔一級池末端池坎位置處于同一樁號。

表孔一級消力池池長75.00m(表孔壩段末端至一級消力坎直立面),池寬29.00m。底孔一級消力池長75.0m,消力池左邊墻以1∶25的坡度向左側擴散。一級消力坎采用梯形斷面,消力坎總高14.00m,其中一級池底板以上高度為7.0m。消力坎坎頂順水流長3.00m,上游面為鉛直面,下游側采用1∶1斜坡段與二級消力池底板頂面銜接。

二級消力池為底、表孔共用。池底板頂面高程為857.00m,池長53.00m。二級消力池的左、右邊墻分別向兩側擴散,左邊以1∶6.67坡度向外擴散,右側以1∶8坡度向外擴散,二級消力池末端寬度為147.00m。差動尾坎分高坎和低坎,高坎體型為直角梯形斷面,低坎體型為等腰三角形斷面,兩種形式每隔3.5m交叉布置。

為防止水流反向淘刷,二級坎末端設垂直防沖齒墻,齒墻底高程849.0～851.0m。同時為保護緊鄰消力池的尾巖,在差動尾坎下游側設置約20.00m長的混凝土海漫。考慮到水流出池后波動較大,且靠近河道右岸,所以在右岸下游做一段干砌塊石護岸。

水工模型試驗表明:消力池在50年一遇和100年一遇工況下,表、底孔一級消力池、底孔二級消力池內均可發(fā)生完整水躍。底孔一級消力池消能率為60%。兩級消力池及差動坎—反坡段的總消能率為75%。

在各級特征庫水位下,水流經尾部齒坎—反坡段時,因下游水深較淺,產生跌落水流,形成收縮斷面,斷面平均流速達9.5m/s,平均水流佛氏數(shù)為1.3,呈急流狀態(tài)。急流區(qū)尾部約在0+280斷面處。海漫末端未發(fā)現(xiàn)明顯局部沖刷。按水力計算,局部沖刷坑最低點高程約為855.6m。

4 抗沖磨混凝土設計

由于黃河泥沙具有含量高,硬度大,泥沙顆粒多呈棱形的特點,其中硬度Hd≥6的石英和長石占主要成分。龍口多年平均年輸沙量(懸移質)為1.51億t,多年平均含沙量6.36 kg/m3,計算最大含沙量289 kg/m3。根據(jù)龍口水工模型試驗,底、表孔下泄50年、100年及1000年一遇洪水時,下泄水流流速較大,局部有高速水流。為了減少含有大量泥沙的高速水流磨蝕過流面,提高建筑物的抗沖磨能力,在底、表孔過流面和消能建筑物的迎水面采用高強抗沖磨混凝土。

在抗沖磨混凝土配合比試驗中,從抗壓強度、變形性能、抗凍及抗?jié)B指標、抗沖磨性能、熱性能以及混凝土拌合物凝結時間等方面,對比了人工砂和天然砂兩種細骨料配置的混凝土。用人工砂配置的混凝土其抗沖磨強度不能滿足設計要求。而采用天然砂配置的混凝土可以滿足設計要求。

為了提高混凝土的抗裂性能,在混凝土中摻加了纖維,并對比了聚丙烯纖維、鋼纖維、CF550纖維素纖維及UF500纖維素纖維。經綜合分析利用天然砂及人工碎石作為骨料,并添加粉煤灰、硅粉及UF500纖維混凝土性能優(yōu)于其它混凝土。

在原材料選定的情況下,水灰比是決定混凝土強度和耐久性能的主要因素。故選擇水灰比既要滿足強度的要求,又要滿足耐久性的要求,同時要節(jié)約水泥。經試驗最終確定水灰比為0.30～0.35。

5 結 語

根據(jù)龍口水利樞紐“蓄清排渾”運行方式,泄水建筑物的布置以底孔為主,并考慮汛期泄洪有排污要求,設有表孔。在泄洪時開啟底、表孔的同時啟用排沙洞參與泄洪,其下泄洪水更加平順,回流現(xiàn)象基本消失,電站尾水渠中基本沒有淤積,底、表孔壩段的單寬流量有所減小,減輕了對下游河床沖刷。表孔和底孔泄水建筑物的消能方式均采用底流消能,兩級消力池及差動坎—反坡段的總消能率為75%,滿足消能設計要求。

苗 青 女 高級工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

王曉輝 男 高級工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

劉順萍 女 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

周陳超 男 工程師 國家發(fā)展和改革委員會國家投資項目評審中心 北京 100037