農(nóng)村小型水電站增效擴容改造建筑物校核

宋寶鋼，葉 永

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 工程概況

某農(nóng)村小水電站位于湖北省長陽縣境內(nèi)，系清江中游南岸一級支流小溪流域梯級開發(fā)的骨干工程。該電站建成于1999年，電站為水庫調(diào)節(jié)式電站，主要由水庫大壩、引水隧洞、壓力支管、廠房和升壓站組成，總裝機容量2×1 000 kW，年均發(fā)電量658×104kW·h,年利用小時3 290 h。電站建成后，除自身發(fā)電外，主要可對下游重點電站起調(diào)節(jié)和增容作用。

2 存在問題及改造內(nèi)容

該電站自1999年投產(chǎn)運行后，已超過20年，存在的問題主要有：雨水充沛期常造成大量棄水，裝機容量偏低影響發(fā)電效益；主要機電設(shè)備落后老化，電站效益與建站初期相比嚴(yán)重下降，實際發(fā)電量遠(yuǎn)低于設(shè)計發(fā)電量，無法滿足無人值班、少人值守的現(xiàn)代化信息管理發(fā)展要求[1]；水電站引水隧洞入口和出口出現(xiàn)大量裂紋，部分存在垮塌，影響渠道正常過水；導(dǎo)流沖砂隧洞泥沙淤積嚴(yán)重，部分存在垮塌，廠房等土建部分結(jié)構(gòu)存在局部開裂和滲漏等安全問題和隱患，水電站處于“帶病”運行狀態(tài)，沒有發(fā)揮正常工程效益和經(jīng)濟效益。此外，下游重點工程——紅耀電站已由裝機容量2×2 500 kW增效為1×2 500+1×4 000 kW,為滿足其需水量，該電站尾水需增加下泄流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

電站增效擴容改造項目主要對引水建筑物、導(dǎo)流沖砂建筑物及廠房進(jìn)行改造。對引水建筑物進(jìn)行更換攔污柵、維修進(jìn)水閘門和啟閉機、引水隧洞洞口維修及更換壓力管道改造。對導(dǎo)流沖砂建筑主要進(jìn)水閘門維修、啟閉機防銹處理、導(dǎo)流隧洞洞口維修。廠房部分，更換水輪發(fā)電機組，并增容至2 800 kW,更換各變壓輸電設(shè)備并對廠房進(jìn)行維修裝飾。

3 主要建筑物校核

3.1 水庫河壩滲流及穩(wěn)定性復(fù)核

該電站攔河大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程502.3 m,上游設(shè)防浪墻，墻頂高程503.5 m,最大壩高57.3 m,壩頂寬5 m,大壩上游壩坡比為1∶1.4,下游壩坡設(shè)2級馬道，高程分別為484.0和465.0 m,下游各級壩坡比為1∶1.3。壩體自上游至下游依次為墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、下游壩面護(hù)坡區(qū)。混凝土面板最下部厚度為45 cm,頂部厚度30 cm;河床段趾板寬5.0 m,厚1.0 m,岸坡下段4.4 m，岸坡中段4.0 m，岸坡上段3.0 m,厚0.5 m。

通過進(jìn)行混凝土面板堆石壩滲流及穩(wěn)定性計算，主要結(jié)論：①大壩竣工時的最大沉降24.0 cm，水平位移42 cm；蓄水時的最大沉降24.4 m,下游水平位移6 cm，說明蓄水對最大沉降影響較小，而對水平位移影響相對較大。結(jié)合國內(nèi)已建面板壩的沉降變形經(jīng)驗，該大壩的沉降量對上游防滲面板及周邊縫止水的影響不大。②蓄水時，在面板的中下部內(nèi)外等出現(xiàn)了拉應(yīng)力，在趾板和面板結(jié)合部存在應(yīng)力集中，設(shè)置伸縮縫將對釋放應(yīng)力集中有利。③在高水位作用下，面板整體向下游位移。迎水面最大面板變位為4.8 cm,發(fā)生2/3壩高處。④滲流計算得出正常與校核洪水位時水頭等勢線十分相似，絕大部分水頭被混凝土面板和防滲墻攔截;防滲墻、大壩與基巖接觸處及出溢點等的總滲透坡降小于規(guī)范允許值;大壩滲流量較小。⑤壩坡穩(wěn)定計算顯示，考慮粗顆粒的非線性特性后，滑弧為大滑弧，瑞典圓弧比簡化畢肖普的圓弧更大，無論是何種工況、兩種方法計算處的安全系數(shù)均十分接近，其值約1.86，大于規(guī)范允許值[2]。

綜上所述，水庫河壩沉降和應(yīng)力符合鋼筋混凝土面板變化的一般規(guī)律，滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，整個大壩處于安全受力狀態(tài)。

3.2 有壓隧洞安全復(fù)核

對于高壓隧洞, 抗水力劈裂和防止內(nèi)水外滲是設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮的主要問題[3]。有壓隧洞在長期使用過程中，既要承受內(nèi)水壓力作用，又要承受圍巖應(yīng)力、溫度應(yīng)力等作用，在復(fù)雜的荷載作用下極容易造成混凝土開裂。采用特征因素法，校核鋼筋混凝土有壓隧洞在內(nèi)水壓力作用下混凝土的應(yīng)力，以判斷混凝土是否開裂。根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件中混凝土軸心抗拉強度公式：

將電站基本參數(shù)帶入上式，計算得折算系數(shù)φ=0.916，彈性特征因數(shù)A=0.412。考慮有壓隧洞最不利情況，即最大水頭作用下混凝土軸心抗壓強度為σe=1.09 MPa,小于混凝土的容許強度1.1 MPa,即混凝土不會開裂，有壓隧洞可以安全運行。

3.3 廠區(qū)防洪墻校核

廠區(qū)防洪墻設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。根據(jù)電站壩址河道水位-流量關(guān)系表可計算設(shè)計水位436.088 m，校核水位436.416 m，見圖1。

圖1 防洪墻斷面簡圖(單位: mm)Fig.1 Simplified section of flood control wall (Unit: mm)

3.3.1 抗滑穩(wěn)定性分析

抗滑穩(wěn)定性分析可按下式抗剪斷強度公式：

計算結(jié)果見表1。

表1 抗滑穩(wěn)定計算成果表Tab.1 Calculation results of anti-sliding stability

計算結(jié)果可知，防洪墻抗滑穩(wěn)定性復(fù)核滿足規(guī)范要求。

3.3.2 抗傾覆穩(wěn)定性分析

采用以下抗傾覆穩(wěn)定性計算公式，分析該防洪墻的抗傾覆穩(wěn)定性：

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)；∑MN為抗傾覆力矩總和,kN·m；∑MP為傾覆力矩總和，kN·m。計算結(jié)果見表2。

表2 抗傾覆穩(wěn)定計算成果表Tab.2 Calculation results of anti-aggression stability

由表2可知，防洪墻抗傾覆穩(wěn)定性復(fù)核成果滿足規(guī)范要求，該防洪墻設(shè)計合理，可以正常運行。

4 結(jié) 語

在農(nóng)村小型水電站增效擴容改造設(shè)計過程中，受制約的因素較多，影響參數(shù)也多[4]。改造過程中，難免會對原有建筑物造成一定程度的擾動。為探求工程改造后各主要建筑物的安全穩(wěn)定性，本文以山區(qū)某電站改造項目為例，從力學(xué)角度對工程改造后取水壩、有壓隧洞及廠房建筑物進(jìn)行了校核分析，對同類改造工程具有一定的借鑒參考價值。