高 悅，柳成熙

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

1 概述

江邊水電站位于四川省甘孜藏族自治州東南部九龍縣，是九龍河干流“一庫(kù)五級(jí)”開發(fā)方案中的最末一級(jí)水電站。電站總裝機(jī)330 MW，共裝3臺(tái)混流式發(fā)電機(jī)組。電站采用引水式布置形式，工程樞紐由首部低閘、引水系統(tǒng)以及尾部地下廠房三大部分組成，首部閘壩高27.5 m，引水隧洞長(zhǎng)約8.5 km，為一低閘、長(zhǎng)隧洞、高水頭引水式電站。工程等級(jí)為二等大（2）型。

電站進(jìn)水口位于九龍河流域，進(jìn)水口區(qū)域懸移質(zhì)泥沙多年平均輸沙量為197萬t，推移質(zhì)泥沙輸沙量為16.7萬t，多年平均輸沙總量為213.7萬t，為多泥沙河流。

2 進(jìn)水口設(shè)計(jì)位置選擇

2.1 選擇基本原則

選擇需要考慮的因素主要有：

①進(jìn)水口布置需滿足樞紐總體布置功能；

②宜選擇穩(wěn)定河段，并靠近河流主槽布置；

③滿足取水防沙要求，確?！伴T前清”。

2.2 地形地質(zhì)條件

閘壩左岸地形相對(duì)右岸地形地面自然坡度較陡，且河流主槽位于左岸。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，左岸地形1 800 m高程以上為陡崖，坡度60°~65°，坡高約90 m；1 800 m高程以下，地形坡度稍緩，以30°~40°為主，坡高約 18 m。

據(jù)地質(zhì)鉆孔ZK13，ZK32揭露，陡崖外側(cè)1 800 m高程以下岸坡基巖面坡度較陡，約40°~65°，覆蓋層厚度變化較大，厚度10~50 m，進(jìn)水口地基地質(zhì)特性如下：

1）覆蓋層為河床沖洪積（Qa4l+pl）漂（塊）卵（碎）石層，厚度13.5~24 m，層底高程1 753~1 757 m，以漂塊卵碎石為主，充填砂礫，局部含塊石較大。承載力特征值fk=550~600 kPa，變形模量E0=30~35 MPa，滲透系數(shù) K=5~8×10-2cm/s，允許坡降 J=0.1~0.15。

2）基巖為黑云母石英片巖，風(fēng)化淺薄。據(jù)ZK13及ZK32孔揭露，1 800m高程以下部位，弱風(fēng)化巖厚1~5 m，以下為微風(fēng)化巖，RQD=80%~96%，巖體較完整~完整。據(jù)PD2平硐及ZK16孔揭露，1 800 m高程以上部位，陡崖由弱~微風(fēng)化組成，屬較完整~完整巖體，局部因斷層f1及f2通過，巖體完整性差。另?yè)?jù)PD2平硐揭露，陡崖弱卸荷帶水平埋深約8 m，多表現(xiàn)為卸荷節(jié)理及裂隙，面多微張，鐵錳質(zhì)渲染，局部夾巖屑。

從地形地質(zhì)條件，左岸具備布置進(jìn)水口條件。

（2）打造精英型組織或團(tuán)隊(duì)，由其專門負(fù)責(zé)構(gòu)建和完善我國(guó)航空用金屬材料標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)體系。一個(gè)優(yōu)秀的組織或團(tuán)隊(duì)是所有體系運(yùn)行的基石。要汲取國(guó)外已經(jīng)成熟的航空用金屬材料標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)體系運(yùn)用及管理模式的精髓，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，由專業(yè)組織或團(tuán)隊(duì)對(duì)我國(guó)航空用金屬材料標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、不斷更新和持續(xù)維護(hù)，確保技術(shù)領(lǐng)先、科學(xué)管理。

2.3 進(jìn)水口防沙設(shè)計(jì)

由于九龍河為多泥沙河流，因此，在進(jìn)水口布置過程中對(duì)該河段的水文泥沙情況展開了細(xì)致的調(diào)查研究，經(jīng)對(duì)水文泥沙資料分析認(rèn)為進(jìn)水口布置需解決取水防沙問題。通常的防止泥沙淤積的處理措施主要有3種：①設(shè)置攔沙坎；②進(jìn)水口底板高程高于電站使用期泥沙淤積高程之上一定安全距離；③采用進(jìn)水口與沖沙泄洪建筑物結(jié)合布置形式，即“正向沖沙，側(cè)向取水”。鑒于江邊電站為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，為了增大水庫(kù)運(yùn)行期的有效庫(kù)容，減少泥沙淤積對(duì)庫(kù)容的影響，簡(jiǎn)單的攔沙無法解決泥沙影響，防沙的主導(dǎo)原則以排為主，因此，首部樞紐閘壩設(shè)置了沖沙閘，進(jìn)水口的泥沙淤積防治與沖沙閘結(jié)合，即防沙措施主要采用上述第③種措施，同時(shí)又組合采用了第①種過程措施即在進(jìn)水口前緣設(shè)置了攔沙坎。

2.4 位置選擇

綜合首部樞紐地形地質(zhì)條件、沖沙閘布置及取水防沙要求，進(jìn)水口布置在靠近閘址左岸壩頭上游位置，與沖沙閘結(jié)合布置。進(jìn)水口平面位置布置見圖1。

3 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)上述布置原則以及地形地質(zhì)條件、取水防沙功能需要，選擇岸塔式進(jìn)水口布置形式，進(jìn)水口布置于左岸，進(jìn)水口前緣緊鄰沖沙閘，進(jìn)水口軸線與壩軸線成15°夾角，形成“正向泄洪沖沙，側(cè)向取水”的布置形式。整個(gè)進(jìn)水口建筑物主要分為進(jìn)水口前部擋沙坎、攔污柵段、事故閘門室段，總長(zhǎng)41.5 m，寬由最前緣26.5 m逐漸收縮至閘室部位9.6 m，進(jìn)水口建基面高程為1 772.50 m，進(jìn)水口平臺(tái)高程為1 799.50 m，塔體高度27 m。擋沙坎設(shè)在進(jìn)水口前5 m處，坎頂高程1 783.00 m，攔污柵段底板高程為1 780.00 m，為滿足進(jìn)水口滿足淹沒深度要求，攔污柵段后的喇叭口進(jìn)口段閘門室段底板高程1 774.50 m，兩者之間用1∶3斜坡過渡。攔污柵孔口尺寸為10.00 m×9.00 m（寬×高），為2孔。事故閘門孔口尺寸為5.6 m×7.2 m。攔污柵設(shè)置2柵工作柵1扇備用柵，同時(shí)工作柵前設(shè)置了清污耙機(jī)，啟閉采用雙向門機(jī)。事故閘門采用固定卷?yè)P(yáng)啟閉，啟閉機(jī)室設(shè)置在事故閘門井頂部，由排架柱及啟閉機(jī)室組成。因進(jìn)水口基礎(chǔ)分別位于覆蓋層和巖基上，在兩種地層分界處設(shè)置沉降縫。進(jìn)水口縱剖面見圖2。

4 水工模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證進(jìn)水口與沖沙閘布置形式的防沙效果，進(jìn)行了進(jìn)水口整體水工模型試驗(yàn)，模型比尺為1∶50。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，每年汛期6—9月份限制運(yùn)行水位在1 789.0 m，此時(shí)當(dāng)流量大于400 m3/s，全閘敞泄排沙，通過排沙運(yùn)行，進(jìn)水口前水庫(kù)於沙高程控制在1 781.0m，低于進(jìn)水口攔沙坎高程1 783.00 m，驗(yàn)證了進(jìn)水口布置能夠滿足要求。通過模型試驗(yàn)研究，增設(shè)了進(jìn)水口弧形導(dǎo)流墻、束水墻等結(jié)構(gòu)措施，進(jìn)一步提高了排沙效果。模型試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，在各級(jí)流量與不同運(yùn)行水位下電站取水口進(jìn)流流態(tài)良好，沒有產(chǎn)生側(cè)收縮與漩渦，進(jìn)水口進(jìn)流較均勻，各種運(yùn)行工況下流道比界于1～1.15之間。

5 進(jìn)水口穩(wěn)定分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 抗滑穩(wěn)定

進(jìn)水口緊靠后側(cè)洞臉巖石邊坡布置，巖石邊坡穩(wěn)定，進(jìn)水口整體為空腔結(jié)構(gòu)，運(yùn)行期塔內(nèi)部水體與庫(kù)水可保持平壓狀態(tài)，因此不存在使進(jìn)水口整體沿基礎(chǔ)抗滑失穩(wěn)的荷載條件。對(duì)于深層抗滑穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)開挖揭露的地質(zhì)條件表明，不存在對(duì)塔體穩(wěn)定不利的深層滑動(dòng)面，即深層抗滑穩(wěn)定也滿足要求。因此，進(jìn)水口整體抗滑穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 抗傾覆穩(wěn)定

進(jìn)水口塔體抗傾覆穩(wěn)定按下式計(jì)算：

式中：K0——抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MS——建基面上穩(wěn)定力矩總和；∑M0——建基面上傾覆力矩總和。

計(jì)算荷載包括：自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力。計(jì)算工況分別為完建工況和正常蓄水位工況。

經(jīng)計(jì)算，正常蓄水位工況為控制工況，相應(yīng)的抗傾覆安全系數(shù)為K0＝3.47＞1.35，抗傾覆穩(wěn)定滿足要求。

5.3結(jié)構(gòu)計(jì)算

進(jìn)水口結(jié)構(gòu)計(jì)算采用三維有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算荷載主要考慮：①進(jìn)水口結(jié)構(gòu)自重（結(jié)構(gòu)重量及永久設(shè)備重）；②靜水壓力；③頂部活荷載；④風(fēng)壓力；⑤浪壓力；⑥揚(yáng)壓力；⑦地震慣性力；⑧地震動(dòng)水壓力。其中④風(fēng)壓力和⑤浪壓力較小，忽略不計(jì)。⑦、⑧為動(dòng)荷載，按擬靜力法計(jì)算。

計(jì)算工況及荷載組合如表1所示。

表 1計(jì)算工況及荷載組合

按照1∶1實(shí)體比例建立有限元模型。有限元模型采用代號(hào)為solid 186的20節(jié)點(diǎn)二次六面體單元組成，接觸單元采用conta174劃分，接觸面單元采用targe 170單元?jiǎng)澐?。在進(jìn)水口主體混凝土結(jié)構(gòu)與漂（塊）卵（碎）石層、基巖、C15混凝土墊層之間均采用接觸對(duì)單元模擬，接觸單元的工作特性為綁定，即接觸面可以傳遞應(yīng)力和位移，且兩者不會(huì)脫開。進(jìn)水口結(jié)構(gòu)和基巖的材料不同，采用接觸單元可以避免網(wǎng)格劃分時(shí)出現(xiàn)不同材料共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)而造成在交接面上單元等值劃分所引起的計(jì)算誤差。計(jì)算參數(shù)見表2。

幾何模型由46 421個(gè)solid 186單元，2 125個(gè)接觸對(duì)構(gòu)成，總節(jié)點(diǎn)數(shù)193 586個(gè)。

表2 計(jì)算基本參數(shù)

有限元分析計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 進(jìn)水口主體結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算成果 MPa

基礎(chǔ)沉降計(jì)算成果見表4。

表4 進(jìn)水口基礎(chǔ)沉降計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，表明：

1）主體結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力值基本小于混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2）僅攔污柵軌道梁端部出現(xiàn)拉應(yīng)力值較大現(xiàn)象，實(shí)際通過采取增大結(jié)構(gòu)斷面和加強(qiáng)配筋措施來降低應(yīng)力水平。

3）覆蓋層基礎(chǔ)壓應(yīng)力水平在0.18～0.58 MPa之間，實(shí)際漂（塊）卵（碎）石層地基承載力為550～600 kPa，地基承載力滿足要求。

4）位移計(jì)算表明覆蓋層上進(jìn)水口整體結(jié)構(gòu)與巖基上進(jìn)水口整體結(jié)構(gòu)沉降差在4.22～7.33 cm，塔體沉降縫位置處上下游側(cè)最大沉降差為4.07 cm，沉降縫位置處沉降滿足SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中最大沉降差不宜超過5 cm的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)水口設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合河流具體特性，充分考慮泥沙、地形地質(zhì)條件、與周邊建筑物關(guān)系等多方面因素。江邊水電站進(jìn)水口在取水防沙、適應(yīng)地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)體型功能以及水力學(xué)條件等方面均較好地適應(yīng)了工程布置需要。進(jìn)水口已于2010年3月投入運(yùn)行，目前運(yùn)行情況良好。

［1］楊欣先，李彥碩.水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社.

［2］DL/T5398-2007,水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］四川省九龍河江邊水電站可行性研究報(bào)告工程地質(zhì)篇［R］.中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006.

［4］四川省九龍河江邊水電站可行性研究首部樞紐水工泥沙模型試驗(yàn)研究專題報(bào)告［R］.四川大學(xué)、華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006.