樂(lè)都二級(jí)水電站壓力前池泄水建筑物的設(shè)計(jì)方案探討

韓濤（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司上海虹口200434）

樂(lè)都二級(jí)水電站壓力前池泄水建筑物的設(shè)計(jì)方案探討

韓濤
（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司上海虹口200434）

本文結(jié)合四川省樂(lè)都二級(jí)水電站研究了樂(lè)都二級(jí)水電站壓力前池泄水建筑物的型式，經(jīng)過(guò)綜合比較，確定了最優(yōu)方案，以期為類(lèi)似案例提供借鑒。

水電站；壓力前池；泄水建筑物；設(shè)計(jì)分析

1　概況

樂(lè)都二級(jí)水電站位于四川省雷波縣以北西寧河源頭支溝——樂(lè)都溝內(nèi)，為西寧河流域雷波段“十級(jí)”開(kāi)發(fā)方案中的第二個(gè)梯級(jí)電站，其開(kāi)發(fā)方式為無(wú)調(diào)節(jié)徑流引水式，開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，無(wú)其他綜合利用要求。電站設(shè)計(jì)引用流量為6.72m3/s，設(shè)計(jì)水頭178m，裝機(jī)容量2×5MW。電站從樂(lè)都溝中游溶洞出水口建壩取水，經(jīng)河道右岸引水至樂(lè)都溝與爛壩子溝匯口處建廠(chǎng)發(fā)電，工程布置從上至下為：底欄柵壩、沉砂池、引水隧洞、壓力前池、壓力鋼管、主副廠(chǎng)房和尾水渠等。其中壓力前池為半洞內(nèi)前池，漸變段長(zhǎng)14m，池身段長(zhǎng)10m，閘室段長(zhǎng)8.2m。前池深5.6m，寬4m，泄水側(cè)堰長(zhǎng)9.5m，寬0.5m。

壓力前池初步設(shè)計(jì)中采用側(cè)堰泄水渠泄水的方案，渠道順坡布置，坡度約25°～50°，采用箱涵式暗渠。渠道總長(zhǎng)度為319.45m，底寬0.8m，高0.7m，底板和邊墻厚均為0.4m，暗渠內(nèi)設(shè)消能階梯，渠道底部設(shè)置齒槽和底板錨桿來(lái)滿(mǎn)足渠道的抗滑穩(wěn)定要求。為增強(qiáng)底板基礎(chǔ)圍巖的完整性，需對(duì)底板巖石基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿。

2　泄水渠方案存在的問(wèn)題

初設(shè)泄水渠方案在施工實(shí)施過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

（1）泄水渠處巖層走向與邊坡平行，傾向坡外，傾角大于坡角，為同向?qū)訝疃竷A結(jié)構(gòu)邊坡，巖體中延伸性較好的結(jié)構(gòu)面為巖石層面，泄水渠會(huì)有滲水，滲水浸入巖石層面，邊坡有順其層面滑移的可能，不利于邊坡穩(wěn)定。

（2）渠道所處地形坡度較陡，施工難度大，開(kāi)挖后的護(hù)坡及混凝土澆筑不易實(shí)施。渠道下部要穿通鄉(xiāng)公路，無(wú)改建公路條件，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窠煌óa(chǎn)生不便。

（3）渠道方案沿線(xiàn)有幾處墳?zāi)梗矣休^多植被及農(nóng)田，由于當(dāng)?shù)鼐用褡钃希鞯乩щy，搬遷費(fèi)用較高，搬遷難度較大。

3　泄水鋼管與壓力主管并排泄水方案

由于原泄水渠方案地質(zhì)地形條件、施工條件、移民征地和工程投資等存在的問(wèn)題，現(xiàn)提出采用泄水鋼管和壓力主管并排布置的泄水方案。

（1）壓力管線(xiàn)區(qū)地質(zhì)地形條件

壓力管道在高程1150m以上為30°斜坡，基巖裸露，為白云巖；高程1150m～1116m 為15°緩坡，地表覆蓋薄層崩坡積塊碎石夾粉質(zhì)粘土，厚度小于2.5m，下伏基巖為白云巖夾灰?guī)r；高程1116m以下為陡崖，基巖裸露，為白云巖。在管道中部高程1196m處發(fā)育f2小斷層，斷層走向與管道線(xiàn)直交。管道沿線(xiàn)巖層產(chǎn)狀均傾向坡外，傾角41°～60°（大于坡角），屬層狀同向陡傾結(jié)構(gòu)邊坡，整體穩(wěn)定，不存在大的穩(wěn)定問(wèn)題。因此，建議將管墩基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化下部巖體上。同時(shí)由于管墩開(kāi)挖范圍和深度有限，不會(huì)對(duì)管道邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

（2）泄水管方案布置及優(yōu)點(diǎn)

泄水管與引水壓力管道并排布置，與主管共用管槽和鎮(zhèn)支墩，管徑采用1.0m和0.8m兩種規(guī)格，其中1#鎮(zhèn)墩與2#鎮(zhèn)墩之間采用1.0m直徑，2#鎮(zhèn)墩以下采用0.8m直徑，前池與1#鎮(zhèn)墩之間采用暗渠形式銜接，設(shè)計(jì)最大泄水流量為6.72m3/s。由于泄水管末端為自由出流，承壓較小，管壁厚度采用結(jié)構(gòu)要求的6mm，泄水管從廠(chǎng)房底部穿過(guò)，將水流引向西寧河。

泄水管方案與泄水渠方案相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）泄水管方案不存在滲漏問(wèn)題；

2）壓力主管管槽開(kāi)挖已經(jīng)基本完成，只需將現(xiàn)有管槽擴(kuò)寬以滿(mǎn)足泄水管線(xiàn)布置，征地較少；

3）泄水管方案可從跨過(guò)通鄉(xiāng)公路，對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ǖ氖┕じ蓴_少；

4）泄水管方案則可以與壓力管道的施工索道共用，施工方便，能相應(yīng)節(jié)約投資。

圖1　泄水管橫斷面圖

圖2　鎮(zhèn)墩平面面圖

4　泄水管存在的問(wèn)題及探討

由于泄水管與壓力主管共用管槽、鎮(zhèn)支墩，在運(yùn)行中可能存在以下問(wèn)題：

（1）振動(dòng)問(wèn)題

在正常運(yùn)行工況下，壓力主管引用流量為6.72m3/s，機(jī)組滿(mǎn)發(fā)，此時(shí)泄水管中僅為壓力前池溢流側(cè)堰流出的剩余水量，流量較小，泄水管運(yùn)行中無(wú)任何問(wèn)題。

當(dāng)機(jī)組全部丟棄負(fù)荷時(shí)，機(jī)組關(guān)閉，此時(shí)全部流量從前池側(cè)堰溢出，泄水管承擔(dān)的下泄流量為6.72m3/s。在泄水過(guò)程中，水流勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，水流速度變大，鋼管立面上有幾處轉(zhuǎn)彎，水流會(huì)不斷沖擊泄水管管壁，同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生泄水管振動(dòng)，對(duì)鎮(zhèn)墩穩(wěn)定不利。因此在鋼管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算中，應(yīng)考慮一部分振動(dòng)荷載，增加安全穩(wěn)定系數(shù)，同時(shí)鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)面應(yīng)開(kāi)挖至強(qiáng)風(fēng)化基巖以下，凸起鎮(zhèn)墩還應(yīng)在底部設(shè)置錨桿。

（2）抗外壓?jiǎn)栴}

由于在運(yùn)行過(guò)程中，由于流量變化，水流速度較快，水流在泄水管轉(zhuǎn)彎處就可能跳到鋼管的上半部流動(dòng)，空氣就會(huì)摻入水流，不再具備明渠均勻流的條件，鋼管的過(guò)流能力下降，當(dāng)某一端面的過(guò)流能力小于Q=6.72m3/s時(shí)，水流就會(huì)在該斷面處雍高，當(dāng)水面雍高到一定程度時(shí)，具備了有壓流的條件時(shí)，該斷面處雍高的水又會(huì)被拉空，水流又變成無(wú)壓流，管道中水流一直重復(fù)著上述兩個(gè)無(wú)壓和有壓交替的復(fù)雜流態(tài)，因此泄水管中可能會(huì)存在局部水流拉空引起的抗外壓失穩(wěn)的問(wèn)題。因此需對(duì)泄水管進(jìn)行抗外壓驗(yàn)算，必要時(shí)需設(shè)置加勁環(huán)。

5　過(guò)流能力計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算和抗外壓計(jì)算

（1）過(guò)流能力計(jì)算

最大流量下泄水管的過(guò)流能力采用明渠均勻流的計(jì)算公式：

連接暗渠、1.0m直徑鋼管，0.8m直徑鋼管段最小坡度分別為1：20，1：1.732，1：2.006。按Q=6.72m3/s套入上公式得出3段泄水?dāng)嗝娴乃罘謩e為0.7m，0.4m，0.5m.因此按照明渠均勻流，泄水管的過(guò)流能力是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)流量要求的。

但是在實(shí)際的泄水過(guò)程中，管道中水流會(huì)存在無(wú)壓和有壓交替的流態(tài)，設(shè)計(jì)中只需判斷泄水管道三個(gè)不同斷面起點(diǎn)位置處是否具備滿(mǎn)足流量為Q=6.72m3/s時(shí)形成有壓流的條件即可，可按照能量守恒的原理分析：

假定在暗渠首部要形成有壓流，動(dòng)能V2/2g=（6.72/1.42）/2/9.81=0.60m根據(jù)能量守恒，形成有壓流所需勢(shì)能等于動(dòng)能加上能量損失及水頭損失，水頭損失忽略不計(jì)，安全系數(shù)取1.5，因此淹沒(méi)深度為1.5× 0.6=0.9m，根據(jù)進(jìn)水口規(guī)范上最小淹沒(méi)深度的要求，淹沒(méi)深度最小為1.5m～2m，本工程該斷面處水深為4.3m，滿(mǎn)足暗渠首部形成有壓流的要求；

假設(shè)在1.0m直徑管道斷面起點(diǎn)處形成有壓流，動(dòng)能：V2/2g=（6.72/3.14/0.52）/2/9.81=3.735m，所需淹沒(méi)深度為1.5×3.735=5.6m，本工程該斷面處淹沒(méi)水深為5.7m，滿(mǎn)足要求；

假設(shè)在0.8m直徑管道斷面起點(diǎn)處形成有壓流，動(dòng)能：

V2/2g=（6.72/3.14/0.52）/2/9.81=9.12m，所需淹沒(méi)深度為1.5×9.12=13.68m，本工程該斷面處淹沒(méi)深度為26.5m，滿(mǎn)足要求。

綜上所述，本工程泄水管道是滿(mǎn)足最大流量6.72的過(guò)流能力要求的。

（2）穩(wěn)定計(jì)算

前池泄水管道布置與壓力鋼管同管路、同鎮(zhèn)墩、支墩，并排布置。故泄水管道穩(wěn)定即為壓力鋼管之穩(wěn)定，各鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算見(jiàn)表1。

從表中可知，管道各鎮(zhèn)墩基地應(yīng)力均滿(mǎn)足要求，抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于1.5，滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定要求。

（3）管壁抗外壓穩(wěn)定計(jì)算

泄水管管壁的抗外壓可根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5141-2001中附錄A計(jì)算，外壓荷載取一個(gè)大氣壓0.1MPa，抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)取2.0。首先驗(yàn)算不設(shè)置加勁環(huán)時(shí)是否滿(mǎn)足抗外壓穩(wěn)定要求，計(jì)算公式為：

表1　各鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算表

式中：Es——鋼材彈性模量；

t——管壁厚度；

Pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)管壁不設(shè)置加勁環(huán)時(shí)，厚度取6mm，管徑1m和0.8m計(jì)算出Pcr值分別為0.089MPa和0.174MPa，抗外壓安全穩(wěn)定系數(shù)分別為0.89和1.74，不滿(mǎn)足抗外壓穩(wěn)定要求，需設(shè)置加勁環(huán)。本工程取加勁環(huán)高度取10cm，間距3m，加勁環(huán)間管壁抗外壓計(jì)算根據(jù)上述規(guī)范采用米塞斯公式，計(jì)算得抗外壓安全穩(wěn)定系數(shù)分別為5.33和11.22，滿(mǎn)足要求。

6　結(jié)語(yǔ)

泄水管道方案可滿(mǎn)足泄流能力，并且能夠滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定的要求，管道振動(dòng)問(wèn)題可采用增加鎮(zhèn)墩體積的方式解決，管壁設(shè)置加勁環(huán)后滿(mǎn)足外壓穩(wěn)定。但是在泄水管道施工時(shí)一定要保證混凝土質(zhì)量合格，鎮(zhèn)墩和支墩的基礎(chǔ)面一定要挖到基巖上。從電站至今運(yùn)行情況來(lái)看，泄水管和壓力主管工作時(shí)并未發(fā)生任何不安全現(xiàn)象，狀態(tài)良好。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

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