韓濤（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司上海虹口200434）

樂都二級水電站壓力前池泄水建筑物的設(shè)計方案探討

韓濤
（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司上海虹口200434）

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

水電站；壓力前池；泄水建筑物；設(shè)計分析

1　概況

樂都二級水電站位于四川省雷波縣以北西寧河源頭支溝——樂都溝內(nèi)，為西寧河流域雷波段“十級”開發(fā)方案中的第二個梯級電站，其開發(fā)方式為無調(diào)節(jié)徑流引水式，開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，無其他綜合利用要求。電站設(shè)計引用流量為6.72m3/s，設(shè)計水頭178m，裝機(jī)容量2×5MW。電站從樂都溝中游溶洞出水口建壩取水，經(jīng)河道右岸引水至樂都溝與爛壩子溝匯口處建廠發(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、主副廠房和尾水渠等。其中壓力前池為半洞內(nèi)前池，漸變段長14m，池身段長10m，閘室段長8.2m。前池深5.6m，寬4m，泄水側(cè)堰長9.5m，寬0.5m。

壓力前池初步設(shè)計中采用側(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滿足渠道的抗滑穩(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題

初設(shè)泄水渠方案在施工實施過程中存在以下問題：

（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，開挖后的護(hù)坡及混凝土澆筑不易實施。渠道下部要穿通鄉(xiāng)公路，無改建公路條件，會對當(dāng)?shù)鼐用窠煌óa(chǎn)生不便。

（3）渠道方案沿線有幾處墳?zāi)?，且有較多植被及農(nóng)田，由于當(dāng)?shù)鼐用褡钃?，征地困難，搬遷費用較高，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，斷層走向與管道線直交。管道沿線巖層產(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。同時由于管墩開挖范圍和深度有限，不會對管道邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

（2）泄水管方案布置及優(yōu)點

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，泄水管從廠房底部穿過，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：

1）泄水管方案不存在滲漏問題；

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

3）泄水管方案可從跨過通鄉(xiāng)公路，對當(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　泄水管存在的問題及探討

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

（1）振動問題

在正常運行工況下，壓力主管引用流量為6.72m3/s，機(jī)組滿發(fā)，此時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，泄水管運行中無任何問題。

當(dāng)機(jī)組全部丟棄負(fù)荷時，機(jī)組關(guān)閉，此時全部流量從前池側(cè)堰溢出，泄水管承擔(dān)的下泄流量為6.72m3/s。在泄水過程中，水流勢能轉(zhuǎn)換為動能，水流速度變大，鋼管立面上有幾處轉(zhuǎn)彎，水流會不斷沖擊泄水管管壁，同時可能會產(chǎn)生泄水管振動，對鎮(zhèn)墩穩(wěn)定不利。因此在鋼管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計算中，應(yīng)考慮一部分振動荷載，增加安全穩(wěn)定系數(shù)，同時鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)面應(yīng)開挖至強(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）抗外壓問題

由于在運行過程中，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，空氣就會摻入水流，不再具備明渠均勻流的條件，鋼管的過流能力下降，當(dāng)某一端面的過流能力小于Q=6.72m3/s時，水流就會在該斷面處雍高，當(dāng)水面雍高到一定程度時，具備了有壓流的條件時，該斷面處雍高的水又會被拉空，水流又變成無壓流，管道中水流一直重復(fù)著上述兩個無壓和有壓交替的復(fù)雜流態(tài)，因此泄水管中可能會存在局部水流拉空引起的抗外壓失穩(wěn)的問題。因此需對泄水管進(jìn)行抗外壓驗算，必要時需設(shè)置加勁環(huán)。

5　過流能力計算、穩(wěn)定計算和抗外壓計算

（1）過流能力計算

最大流量下泄水管的過流能力采用明渠均勻流的計算公式：

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，泄水管的過流能力是滿足設(shè)計流量要求的。

但是在實際的泄水過程中，管道中水流會存在無壓和有壓交替的流態(tài)，設(shè)計中只需判斷泄水管道三個不同斷面起點位置處是否具備滿足流量為Q=6.72m3/s時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，形成有壓流所需勢能等于動能加上能量損失及水頭損失，水頭損失忽略不計，安全系數(shù)取1.5，因此淹沒深度為1.5× 0.6=0.9m，根據(jù)進(jìn)水口規(guī)范上最小淹沒深度的要求，淹沒深度最小為1.5m～2m，本工程該斷面處水深為4.3m，滿足暗渠首部形成有壓流的要求；

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

假設(shè)在0.8m直徑管道斷面起點處形成有壓流，動能：

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

綜上所述，本工程泄水管道是滿足最大流量6.72的過流能力要求的。

（2）穩(wěn)定計算

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)定計算見表1。

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

（3）管壁抗外壓穩(wěn)定計算

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

表1　各鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計算表

式中：Es——鋼材彈性模量；

t——管壁厚度；

Pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值。

經(jīng)計算，當(dāng)管壁不設(shè)置加勁環(huán)時，厚度取6mm，管徑1m和0.8m計算出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)間管壁抗外壓計算根據(jù)上述規(guī)范采用米塞斯公式，計算得抗外壓安全穩(wěn)定系數(shù)分別為5.33和11.22，滿足要求。

6　結(jié)語

泄水管道方案可滿足泄流能力，并且能夠滿足抗滑穩(wěn)定的要求，管道振動問題可采用增加鎮(zhèn)墩體積的方式解決，管壁設(shè)置加勁環(huán)后滿足外壓穩(wěn)定。但是在泄水管道施工時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。從電站至今運行情況來看，泄水管和壓力主管工作時并未發(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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