嘉陵江蒼溪航電工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 躍，趙 艷

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

嘉陵江蒼溪航電工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 躍，趙 艷

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

蒼溪航電樞紐工程單位千瓦投資大、經(jīng)濟(jì)效益差。為節(jié)約投資，降低工程成本，加快施工進(jìn)度，提高經(jīng)濟(jì)效益，開展了泄水建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作。該工程利用水頭低，為水力自控及液控翻板門在樞紐布置中的應(yīng)用提供了條件，水力自控及液控翻板門作為擋、泄水建筑物，相對(duì)于原泄洪閘方案有工程投資省、工期短的優(yōu)勢(shì)。本文介紹了蒼溪航電工程采用翻板閘門的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則及內(nèi)容。

優(yōu)化設(shè)計(jì)；泄水建筑物；翻板閘門；蒼溪航電

1 工程概況

蒼溪航電樞紐工程系《嘉陵江渠化開發(fā)規(guī)劃報(bào)告》規(guī)劃中第三個(gè)梯級(jí)，位于四川省蒼溪縣城上游約3 km的河段上，上游接亭子口水利樞紐，下游與沙溪航電工程相連。

蒼溪航電樞紐工程設(shè)計(jì)引用流量1 193 m3／s，設(shè)計(jì)水頭6.3 m，總裝機(jī)容量66 MW，具有日調(diào)節(jié)能力。電站枯期平均出力17.5 MW，亭子口電站建成后多年平均年發(fā)電量2.66億kW·h，年利用小時(shí)3 864 h。船閘設(shè)計(jì)通航船舶噸級(jí)2×500 t，單向年通過能力376萬t。

2 原設(shè)計(jì)方案

樞紐建筑物從左岸至右岸依次由左岸土石壩、廠房、16孔泄洪沖沙閘、及右岸船閘組成，閘壩頂總長(zhǎng)515.26 m。

左岸土石壩段總長(zhǎng)96.00 m，連接廠房壩段和左岸岸坡。壩頂高程390.80 m，壩頂寬11.0 m，上下游坡比均為1∶2。

廠房壩段由主機(jī)間壩段和安裝間壩段組成，沿壩軸線方向總長(zhǎng)度109.76 m。其中主機(jī)間壩段沿軸線長(zhǎng)67.74 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)75.85 m。

16孔泄洪沖沙閘布置在主河道及左岸漫灘部位，由1孔沖沙閘和15孔泄洪閘組成，總長(zhǎng)度為247.00 m。沖沙閘與廠房壩段之間設(shè)置18.50 m寬的儲(chǔ)門槽壩段，兼做廠房縱向圍堰。泄洪沖沙閘為開敞式平底堰型，單孔凈寬均為12.00 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度均為30.00 m，閘室底板高程均為363.00 m，閘頂高程為390.80 m。

船閘布置于河床右岸，主要由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首及下引航道等組成，上閘首長(zhǎng)30.00 m，下閘首長(zhǎng)30.00 m，閘室長(zhǎng)120.00 m，閘室寬16.00 m。全閘總長(zhǎng)約956.50 m。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)基本原則

蒼溪航電樞紐工程優(yōu)化要滿足以下基本原則：

（1）工程等級(jí)、工程規(guī)模及建筑物級(jí)別保持不變。本工程為Ⅲ等工程，主要建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，臨時(shí)建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。

（2）工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)不變，設(shè)計(jì)洪水50年一遇，校核洪水500年一遇。

（3）工程總體樞紐布置格局保持不變，從左岸至右岸依次由左岸土石壩、廠房、泄水建筑物、及右岸船閘組成。為保證船閘水力學(xué)條件，船閘位置保持不變。

（4）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及相關(guān)淹沒水位不抬高（以原設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)）。水庫正常蓄水位及死水位不變。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

因嘉陵江洪枯水位變幅大，從而導(dǎo)致蒼溪航電工程采用的開敞式泄洪閘較高，其正常蓄水位至壩頂高差為17.8 m，該段范圍內(nèi)閘墩工程量大，浪費(fèi)嚴(yán)重。水力自控（液控）翻板門靠水壓力及閘門自重自動(dòng)啟閉，作為擋、泄水建筑物，相對(duì)于泄洪閘具有工程投資省、工期短等優(yōu)勢(shì)。在我國(guó)應(yīng)用多年，在中小型工程中普遍應(yīng)用，是一項(xiàng)較成熟的技術(shù)，對(duì)蒼溪航電樞紐工程的優(yōu)化具有極大的價(jià)值。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

5.1 優(yōu)化方案擬定

根據(jù)優(yōu)化調(diào)整基本原則，本次優(yōu)化調(diào)整后壩軸線總長(zhǎng)保持不變，為515.70 m。為增加泄流前緣寬度，在確保廠房進(jìn)水水流基本順暢的基礎(chǔ)上，廠房向左岸側(cè)移動(dòng)15.50 m，沿壩軸線方向總長(zhǎng)度116.70 m不變，左岸土石壩段沿壩軸線方向總長(zhǎng)度縮短15.50 m，總長(zhǎng)96.00 m調(diào)整為73 m，另外原廠房基坑全年施工調(diào)整為廠房基坑枯期施工導(dǎo)流方案，故可取消原儲(chǔ)門槽壩段，增加泄流前緣寬度18.50 m，樞紐總布置調(diào)整后泄流前緣總寬由原來的247.00 m變?yōu)?83.00 m。

考慮樞紐運(yùn)行的靈活及可靠，泄水建筑物應(yīng)由泄洪沖沙閘及水力自控（液控）翻板門壩段共同組成。本專題依據(jù)上述優(yōu)化基本原則中的淹沒要求擬定了水力自控（液控）翻板門壩段分別和1、3、5、7孔泄洪沖沙閘組合共4個(gè)方案進(jìn)行研究分析，成果見表1：

表1 優(yōu)化方案組合

樞紐布置中，為提高工程運(yùn)行的靈活性及可靠度，需要設(shè)置一定的泄洪沖沙閘，但是泄洪沖沙閘越多，工程造價(jià)越高。因此，綜合考慮翻板門高度、工程投資、樞紐運(yùn)行及導(dǎo)流方案的需要等，本專題選定3孔泄洪閘＋231.00 m水力自控（液控）翻板門壩段作為推薦方案。

5.2 翻板閘門高度選取

經(jīng)初步分析，擬定了翻板閘門高度為6.50 m、7.0 m、7.50 m三個(gè)方案進(jìn)行分析比較（見表2）。三種方案翻板壩段泄流前緣寬度為231.00 m，泄洪閘為3孔，每孔泄流前緣寬度為12.00 m，泄洪閘堰頂高程為363.00 m。泄洪閘及翻板閘泄流能力按無坎寬頂堰計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中 m——流量系數(shù)；

ε——側(cè)收縮系數(shù)；

σs——淹沒系數(shù)；

n——閘孔數(shù)；

b——閘孔凈寬；

H0——堰上水頭（包括行進(jìn)流速水頭）。

式中流量系數(shù)根據(jù)模型試驗(yàn)選取。

表2 翻板門高度比較水力學(xué)計(jì)算成果

各方案計(jì)算成果表明：隨著水力自控翻板壩堰頂高程的降低，各頻率洪水對(duì)應(yīng)的上游水位也相應(yīng)降低，翻板壩堰頂高程為366.50 m（門高6.50 m）時(shí)在兩年一遇洪水上游庫水位高于初設(shè)上游水位0.18 m，不能滿足本次優(yōu)化調(diào)整的基本原則，故該方案不宜采用。翻板壩堰頂高程分別為366.00 m（門高7.00 m）及365.50 m（門高7.50 m）時(shí)在各頻率洪水上游庫水位低于初設(shè)上游水位，能夠滿足本次優(yōu)化調(diào)整的基本原則；根據(jù)我院收集的水力自控翻板壩工程實(shí)例，目前采用的水力自控（液控）翻板門高度不宜超過7.00 m，若門高增加至7.50 m，會(huì)增大水力自控翻板閘門的設(shè)計(jì)、制造、安裝難度。綜合以上因素，推薦水力自控翻板壩堰頂高程為366.00 m（門高7.00 m）。根據(jù)水庫運(yùn)行方式的要求，當(dāng)來流量Q入庫＞3 500 m3／s，需敞泄排沙，故本階段推薦液壓自控雙作用翻板閘門。

5.3 優(yōu)化后泄水建筑物布置

樞紐泄水建筑物采用3孔泄洪閘＋水力自控翻板壩方案布置，其中3孔泄洪閘布置在左岸漫灘部位，緊鄰廠房；翻板壩段布置在主河道，經(jīng)泄流能力計(jì)算，由3孔泄洪閘和231 m長(zhǎng)水力自控翻板壩段組成，總長(zhǎng)度為283.00 m。為提高電站運(yùn)行的靈活性，翻板壩段安裝23扇水力自控液控雙作用翻板閘門。

3孔泄洪閘布置在左岸漫灘部位，泄洪閘為開敞式平底堰型，總寬度52.00 m，單孔凈寬均為12.00 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度均為30.00 m，閘室底板高程均為363.00 m，閘頂高程為390.80 m，最大閘高36.80 m（見圖1）。

圖1 樞紐布置示意

泄洪閘室下游設(shè)置48.00 m長(zhǎng)的護(hù)坦，護(hù)坦頂面高程均為360.50 m，建基巖高程為358.00 m，厚2.5 m，下設(shè)反濾排水管。

泄洪閘工作閘門尺寸為12.00 m×10.50 m，3孔閘各設(shè)1扇工作閘門，工作閘門上游設(shè)檢修閘門。工作閘門和檢修閘門均采用平面疊梁門。3孔閘共用1扇檢修門，工作閘門由固定式啟閉機(jī)操作，檢修閘門用移動(dòng)式門機(jī)操作。

翻板壩總長(zhǎng)231.00 m，設(shè)置1個(gè)分隔墩，翻板閘門尺寸為7 m×10 m（高×寬），共計(jì)23扇水力自控液控雙作用翻板閘門，分為12個(gè)壩段，布置在左岸泄洪閘和右岸船閘之間的灘地及主河床。翻板壩采用低實(shí)用堰，壩體堰面順?biāo)鏖L(zhǎng)24.00 m，堰頂高程366.00 m。翻板壩底部上游側(cè)均設(shè)有灌漿、排水廊道，廊道斷面尺寸為2.50 m×3.50 m（寬×高），帷幕灌漿孔深約15.00 m。

翻板壩下游設(shè)置混凝土護(hù)坦，護(hù)坦底板頂高程347.00～360.50 m，厚度2.50 m，護(hù)坦下設(shè)反濾排水管，末端設(shè)防沖齒墻至新鮮基巖，齒墻后設(shè)大塊石防沖槽。

初步設(shè)計(jì)階段與優(yōu)化設(shè)計(jì)階段泄水建筑物特征對(duì)比見表3：

表3 初步設(shè)計(jì)階段與優(yōu)化設(shè)計(jì)階段泄水建筑物特征對(duì)比

6 結(jié) 論

蒼溪航電樞紐工程具有水頭低的特性，為水力自控（液控）翻板門在樞紐布置中的應(yīng)用提供了有利條件。

（1）蒼溪航電樞紐工程泄水建筑物優(yōu)化調(diào)整后，樞紐的功能保持不變，仍然能渠化航道、改善航運(yùn)條件和發(fā)電。

（2）通過泄洪計(jì)算，采用“3孔泄洪沖沙閘＋231 m翻板壩”能滿足兩年一遇、十年一遇等標(biāo)準(zhǔn)洪水的淹沒要求，設(shè)計(jì)洪水及校核洪水均有所下降；樞紐泄流能力通過西南水運(yùn)科學(xué)研究所整體水工模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，滿足泄流能力要求；

（3）翻板壩在各工況下的穩(wěn)定及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；

（4）水庫運(yùn)行及閘門開啟方式的擬定綜合考慮了泄洪沖沙閘和水力自控（液控）翻板門的特性，為工程的安全、可靠運(yùn)行提供了保障。

（5）樞紐布置采用水力自控（液控）翻板門將為蒼溪航電樞紐工程節(jié)省投資約1億元。

TV222

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1003－9805（2015）02－0007－03

2014－09－22

劉 躍（1980－），男，四川三臺(tái)人，高級(jí)工程師，從事水工設(shè)計(jì)工作。