下滸山壩后電站壩式進水口結構設計與研究

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

設計與施工

下滸山壩后電站壩式進水口結構設計與研究

康金橋 李 軍 胡建華(長江勘測規劃設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構型式，使進水口墩墻牛腿支撐體系的結構規模加大，廠房尾水兼做供水渠首，下游河道只有很少的生態基流，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，對壩式進水口的結構進行變形、應力及配筋計算，為設計提供依據。

碾壓混凝土重力壩；水電站廠房布置；壩式進水口；結構設計；結構研究；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境內的大沙河上，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構規模加大；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，有利于結構的受力和變形，但同時也會加大支撐體系的規模，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構的安全和電站建成后的高效穩定運行，具有十分重要的意義。

1 設計標準

根據《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，上游設計洪水位為115.70m，上游校核洪水位為117.69m。為了防止產生貫通式漏斗漩渦，進水口引水管的底部高程必須滿足一定的淹沒深度。攔污柵的尺寸設計應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的規范要求。

依據《水工混凝土結構設計規范》SL191—2008，進水口各鋼筋混凝土構件最大裂縫寬度為0.3mm，撓度最大值為l/200。

2 結構布置

引水發電系統位于大壩右岸，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電與灌溉引水，考慮生態及環保要求后，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，以保證結構的整體穩定性。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，單節尺寸為4.2m×3.5m，共有8節。喇叭口段流道的斷面由8.5m×5.8m漸變為 3.2m×3.2m，流道底面、側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，為防止產生貫通式漏斗漩渦，保證電站正常引水發電，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，均通過布置在壩頂的門機操作。

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 三維有限元結構計算

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 對進水口結構在最不利工況下各部位的變形、應力及配筋進行計算，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構自重、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格單元為六面體。為使所求結果更加準確，進水口支撐結構的網格單元劃分應足夠精細。對大壩底部與基礎頂面接觸部位采用共結點的方式，計算模型的約束則采用巖基底面全約束，上、下游側面及左、右側面則采用法向約束。

對參數的選取，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完成，泊松比取為 0.24，彈性模量為 1.8×1010Pa。

4 計算結果分析

(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，出現在進水口頂部下游側。進水口結構支撐體系的最大位移為5.5 mm，以順水流方向位移為主，出現在支撐體系頂部下游側。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，進水口結構的變形均在合理范圍以內。

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

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

在邊墩及中墩，是以較小的拉應力或壓應力為主，大約為 0.1 MPa，中墩底部的壓應力最大，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 論

5.1 結構布置

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《混凝土重力壩設計規范》SL319—2005關于壩頂高程應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 結構計算

(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件撓度的要求。

(2) 進水口墩墻、連系梁的結構尺寸設計合理。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、下側各配5根Φ25鋼筋，垂直水流向的連系梁上、下側各配5根Φ22鋼筋，裂縫寬度為 0.27 mm。滿足鋼筋混凝土構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力以較小的拉應力或壓應力為主，在順水流向的支撐梁及垂直水流向的連系梁等連接部位，出現應力集中現象。通過加強局部配筋提高結構剛度，可以保證結構的安全。

下滸山壩后電站進水口的結構布置及計算結束，均滿足規范要求，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果表明，該結構運行的安全穩定性能夠得到保障。

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

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

2014-12-23

康金橋，男，長江勘測規劃設計研究有限責任公司樞紐處，工程師.

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