果多水電站引水系統設計特點

申顯柱 邵凌峰 駱世威

摘 要：果多水電站為壩后式水電站，工程區地處高海拔、寒冷地區，地震烈度較高。引水系統布置于重力壩引水壩段，其壩式進水口布置空間受限、壩后背管存在防寒抗震要求和大型牛腿結構設計等存在深入研究論證的問題。

關鍵詞：果多水電站 壩式進水口 壩后背管 大型牛腿

1.工程概述

果多水電站位于西藏扎曲河段熱曲匯口上游4km處，水庫正常蓄水位高程3418m，相應庫容為7959萬m3，最大壩高83m，裝機容量160MW（4×40MW），為三等中型工程，樞紐布置由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、壩身泄洪沖沙孔、左岸排沙管、左岸引水壩段及壩后廠房等建筑物組成。地震基本烈度Ⅶ度，水平地震加速度0.09g。壩址多年平均氣溫5.6oC，極端最低氣溫-20.7oC，年平均日溫差為16℃。工程區地處高海拔、寒冷地區，地震烈度較高。

引水系統位于左岸擋水壩段，采用單管單機的供水方式，由壩式進水口及壩后背管兩部分組成。單條引水管路長98.74m，引用總流量365m3/s，流速5.25m/s。進水口底板高程為3398.00m，塔頂操作平臺與壩頂同高。進水口由攔污柵、喇叭口、閘門井和通氣孔組成，采用四孔分體式布置，進水口前緣寬度64.50m，順水流方向長17.85m。壩后背管采用全留槽（淺埋管）布置型式，斜井段背管外包混凝土外緣與下游壩面重合。四條鋼管平行布置，中心間距15.8m。鋼管直徑4.8m，外包C20W8F200混凝土厚1.2m，管壁厚度14～18mm（Q345R）。引水系統縱剖面布置見圖1。

2.進水口設計特點

2.1 進水口底板高程確定

考慮如下因素：（1）應高于河床沖淤平衡高程3378.38m。（2）進水口淹沒深度應有一定富余深度。（3）按規范的要求，淹沒深度要滿足冬季庫區結冰后的運行要求。

2.2 進水口結構型式選擇

壩式進水口布置于左岸引水壩段。因為常規進水口的布置長度較大，所以應盡量縮短進水管道長度，減少喇叭口、閘室、通氣孔等開孔對壩體的削弱。通過對大古力第三電廠、長江三峽等類似工程的分析研究后，提出設計原則：（1）進水口的喇叭口頂板、兩側邊墻及底板均由不同半徑的圓弧曲線或橢圓曲線組成，并盡量做成四邊對稱的鐘形喇叭口，以便水流流態穩定。（2）將第一道平板檢修閘門布置在喇叭口進口斷面處，第二道平板快速事故閘門布置在喇叭口末端。（3）進水口的過水流道斷面積不宜過大，喇叭口進口斷面面積一般為引水主管道斷面面積的1.8～2倍，末端斷面面積為引水主管道斷面面積的一倍或稍大，其高寬比一般為1.5：1。（4）進水口后緊接的漸變段長度一般為引水主管直徑的一倍或者稍大。（5）結合引水壩段寬度及冬季庫區冰蓋厚度對攔污柵的影響，確定攔污柵底板高程3394.80m，底部坐落在壩體上游懸挑7.35m的牛腿上。

根據以上原則，本電站壩式進水口的孔口面積減小，對壩體的削弱影響減小，孔口曲線簡化，且與進水流線更吻合。

3.壩后背管設計特點

3.1 壩后背管布置型式選擇

（1）布置原則：①需考慮本工程布置特點，使樞紐布置整體協調、順暢；②盡量減少對壩體的削弱，減少對大壩混凝土施工與壓力鋼管安裝之間的干擾；③盡量縮短管道長度，節省工程量；④需考慮管道防寒保溫效果；⑤具有良好的抗震性能。

（2）布置型式選擇。壩后式水電站多采用壩后背管結構布置型式，即管道穿過進水口后的壩體，隨后平行于下游壩面布置，如已建成投產發電的五強溪、景洪、金安橋、三峽等水電站工程。這種布置型式既能減少壩體混凝土施工與壓力鋼管安裝之間的干擾，又可使壓力鋼管隨機組先期投產運營而提前獲得效益。鑒于本電站鋼管管徑不大，重點對兩種典型的壩后背管布置方案進行研究、比較及選擇，第一種是采用全留槽（淺埋管）方案，第二種是全背管方案。兩個方案剖面布置見圖1、圖2，綜合比較內容見表1。

本工程位于西藏高海拔、寒冷地區，地震烈度較高，因此鋼管的防寒保溫效果和抗震性能不容忽視。最終選擇全留槽（淺埋管）布置方案。

3.2 壩后背管結構計算

（1）常規計算方法。常規計算方法是指采用規范進行各工況結構計算分析，壩后背管按鋼襯鋼筋混凝土管道聯合承載設計，鋼材選用Q345R，鋼筋選用HRB400，外包C20混凝土厚度1.2m，選取三個典型斷面進行結構計算，成果見表2。

（2）有限元法計算。有限元法計算所采用的模型分為殼單元和實體單元兩類，混凝土和鋼管按共節點方式處理，并考慮晝夜溫差的不利工況。在內水壓力作用下，鋼管的Mises應力分布見圖3，混凝土的第一主應力分布見圖4。

計算成果表明，壩后背管由于受到壩體混凝土的三面約束，鋼管的Mises應力最大值10.32MPa，整體應力水平較低。壩面在垂直于水流方向的低高程區域第一主應力最大值為1.29MPa，大于混凝土的抗拉強度設計值，會有順水流方向裂縫出現。結合計算成果進行配筋計算，垂直水流方向的壩面受力鋼筋Φ22@15cm，鋼管外包混凝土迎水面內層受力鋼筋Φ25@20cm，裂縫寬度最大值為0.27mm，滿足要求。

綜上所述，通過對壩后背管采用不同方法進行分析計算，其結構應力處于較低水平，且有結構配筋措施，故安全性可以得到保障。

4.大型牛腿結構設計研究

4.1 基本情況

本電站壩式進水口與大壩檢修閘門共用一個門機。根據壩頂結構布置特點及門機布置、運行需求，需在進水口左右兩側端部向上游各懸挑7.35m的大型牛腿，牛腿結構采用C20混凝土，鋼筋選用HRB400，門式啟閉機軌道單點荷載作用在牛腿上的豎向輪壓標準值Fvk=770kN。牛腿結構斷面見圖5。

按現行規范采用常規方法對牛腿配筋進行計算時，由最小配筋率控制，但是牛腿跨度長、斷面尺寸大，導致鋼筋直徑很大、間距極密，給鋼筋的加工安裝造成難度，也影響到混凝土的澆筑下料施工和振搗密實，同時高海拔、寒冷地區對混凝土施工質量控制要求很嚴格，這些技術問題處理不當將會影響結構的安全性。因此，在參考已建工程同類型牛腿結構設計資料的基礎上，對本工程所涉及的具體問題進行了重點研究分析。

4.2 牛腿結構配筋計算

經過對牛腿高度驗算，滿足裂縫控制條件，現僅對縱向受拉鋼筋配筋計算進行重點研究，按不同計算方法考慮的縱向受拉鋼筋計算成果見表3。

通過上述計算成果表可知，按常規牛腿方式計算得到的縱向受拉鋼筋面積最小，按簡化牛腿方式、懸臂梁方式及有限元應力圖形法計算得到的鋼筋面積基本相當，按規范規定的大體積混凝土方式考慮配筋面積最大，但均遠小于按結構最小配筋率計算結果。從有限元應力圖形上可以看出，牛腿結構內部總拉應力值并不大，按有限元應力圖形法算得的配筋量已基本能滿足要求。最終選配鋼筋為Φ32@15cm（面積AS=5361mm2）。

5.結語

果多水電站引水系統具有壩式進水口整體布置緊湊且體形合理、壩后背管采用防寒抗震全留槽（淺埋管）結構型式、大型牛腿結構設計配筋計算方法研究等鮮明技術特色，可為同類工程借鑒。電站自2015年12月首臺機組并網發電以來，引水系統至今運行良好。

參考文獻：

[1]NB/T 35024-2014，水工建筑物抗冰凍設計規范[S].

[2]DL/T 5398-2007，水電站進水口設計規范[S].

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