貴州水城縣木果鄉七股水水電站擋水與泄洪建筑物設計

□余榮健（六盤水市水利水電勘測設計研究院）

1 工程概況

七股水水電站位于長江流域烏江水系三岔河的一級支流連山河上，為引水式電站，電站正常水位1810m，相應庫容68.31萬m3，總庫容184.60m3。電站利用天然落差113m，裝機5MW，發電引用流量5.71m3/s，多年平均流量3.69m3/s，水量利用系數63%。

工程建設內容包括擋水壩、取水口、無壓隧洞、明渠、壓力前池、壓力鋼管及廠房。經過綜合比較，電站裝機容量5MW，多年平均年發電量1784.32萬kW·h，年利用小時數3568h。工程施工總工期為31個月。工程總投資11153.87萬元；靜態總投資11153.87萬元。

2 擋水建筑物設計與計算

2.1 壩頂高程確定

根據壩址洪水調節計算成果，大壩壩址處P=5%時的洪峰流量為362m3/s，其壩址處的水位為1807.95m；大壩壩址處P=2%時的洪峰流量為499m3/s，其壩址處的水位為1811.48m；大壩壩址處P=1%時的洪峰流量為612m3/s，其壩址處的水位為1812.68m；受下游伏流入口泄洪能力限制。當超過20年一遇洪水時壩體將淹沒于水下，綜合考慮正常水位及進水口取水的要求，故壩頂高程確定為1813.00m。

2.2 壩體結構設計

由壩體抗滑穩定及壩體應力條件控制擬定壩體斷面。非溢流壩壩頂高程1813m，頂寬4m、壩底寬16m，上游面直立，下游面1810～1808m直立，1808～1800m坡比為1:0.70；溢流壩堰面曲線由WES曲線、直線段、反弧段三部分組成，WES曲線方程為y=0.11X1.85、直線段坡比1:0.87、反弧半徑8m，并在溢流壩下游設置長40m、寬30m的護坦。

2.3 抗滑、抗浮穩定計算

2.3.1 計算工況

鑒于本工程特殊的洪水情況，根據壩址尾水水位流量關系曲線，擬定以下兩種工況對大壩進行穩定復核。

工程一：水庫為正常蓄水位1810m，未下泄洪水，下游最低水位為1803m，此時上下游水位差最大為7m。

工況二：在校核和設計洪水位下壩體完全淹沒于水下的抗浮穩定驗算。

2.3.2 壩體抗滑穩定復核

壩體抗滑穩定按抗剪斷強度公式計算，計算公式如下：

結合工程類比法，擬建大壩地基物理力學參數為：f=0.80～1.20，c=0.70～1.10MPa，抗壓強度為0.80MPa。經計算，大壩K′＞3.00，故壩體抗滑穩定滿足規范要求。

2.3.3 抗浮驗算

當超過20年一遇洪水時壩體將淹沒于水下，故需復核校核洪水位（P=1%）和設計洪水位（P=5%）下的抗浮安全系數，計算公式如下：

經抗浮驗算，在校核洪水位和設計洪水位下的抗浮安全系數均＞1.10，滿足要求。

2.3.4 應力計算

本工程壩體斷面設計時，抗滑穩定及壩體應力計算的荷載組合考慮在正常蓄水位情況和校核洪水位情況，各種狀況所受荷載見表1。

表1 作用組合表

壩體應力計算方法參照《混凝土重力壩設計規范》(SL319-2005),壩基截面的垂直應力按下式計算：

取擋水壩最大斷面，河床建基面高程分別為1800.00m的斷面進行壩基應力計算。計算結果顯示，非溢流壩、溢流壩在各種組合下壩踵垂直應力均未出現拉應力；而壩趾最大垂直應力為0.16MPa，小于壩基的允許承載力3.50MPa，也小于壩體混凝土的允許應力值，因此，壩基面應力滿足規范要求。

3 泄水建筑物設計與計算

3.1 結構設計

大壩溢洪道布置于河床段，采用開敞式表孔溢流，溢流前沿凈寬30m，堰頂高程1810m。堰流面曲線上半段為圓弧段，半徑為10m；下半段為反弧段，采用底流消能。堰面采用C20鋼筋混凝土襯護。因壩頂無交通要求，故不設閘墩和交通橋。

3.2 設計計算

3.2.1 泄流能力計算

溢洪道泄流能力按《混凝土重力壩設計規范》（SL319－2005）附錄A.3.1中公式進行計算，計算公式如下：

經計算，當洪水流量為410m3/s時，其堰頂下泄流量為75.81m3/s。

3.2.2 消能計算

本壩的溢流段壩高10m，下游河床和岸坡基巖裸露，壩下河床受該灰巖河段堅硬巖石的限制，河床的切割深度受到限制，洪水期壩下游水位高容易形成水墊。因此溢洪道下游選用了底流式消能。底流消能是借助于一定的工程措施控制水躍位置，通過水躍發生的漩滾和強烈的紊動來消除余能。

底流式消能的水力計算，首先分析建筑物下游的水流銜接形式，亦即判定水躍發生的位置；然后確定必要的工程措施。建筑物下游水躍的位置決定于通過建筑物下泄水流的特性和下游河道中水深和流速的大小。當通過流量一定時，下游河道中的水深和流速是已知的。通過建筑物下泄的水流，以建筑物下游的收縮斷面作為分析水流銜接形式的控制斷面。

3.2.2.1 下游收縮斷面水深的計算

溢流壩收縮斷面水深hc計算公式如下：

3.2.2.2 水躍發生的位置

在一般情況下，下泄水流多為急流，而下游河道中的水流多屬于緩流，這樣水流就要從急流通過水躍過渡到緩流。為了判別水躍發生的位置，先假設水躍在收縮斷面處發生，即以收縮斷面為躍前斷面，則收縮斷面水深hc應等于躍前水深hc′，其共軛水深為hc"。因下游河道中的水深就是發生水躍時的實際躍后水深，因此用來判別建筑物下游是發生臨界水躍、遠離水躍或淹沒水躍。

水躍共軛水深計算公式如下：

式中：Frc—收縮斷面弗勞德數。

表2 水躍狀態判別成果表

由表2看出，幾種工況下均為淹沒水躍，故不需要設置人工輔助消力工。

3.2.2.3 水躍長度的計算

自由水躍長度按下式計算：

通過計算，壩下游40m內河床有可能受到沖刷，故下游設置長30m護坦。此處計算過程不作贅述。

4 結語

綜上所述，在水電站建筑物設計中，擋水建筑物以及泄洪建筑物的設計是非常重要的，按規范要求合理布置、加強設計與計算，保證建筑物設計的合理性，以此保證水電站運行的安全和壽命。

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