羅 暢，杜少磊，徐 威

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂水利樞紐是孔庫雷河(Konkouré)干流河段水電規(guī)劃的第二個梯級，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為單一目標(biāo)。水庫總庫容74.89億m3，裝機(jī)容量450 MW，多年平均發(fā)電量2 016 GWh。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程215.50 m，壩頂長度1 164 m，最大壩高120.5 m。工程為Ⅰ等大(1)型，正常蓄水位210 m，死水位185.00 m，設(shè)計洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，極端最高洪水位214.42 m。樞紐建筑物主要包括碾壓混凝土重力壩、溢流壩、泄流底孔、發(fā)電引水壩段、發(fā)電廠房等工程。發(fā)電引水壩段布置在左岸河床，左側(cè)為擋水壩段，右側(cè)為導(dǎo)流底孔壩段和泄洪底孔壩段。

1 電站進(jìn)水口布置

引水發(fā)電建筑物是電站樞紐的重要組成部分，引水壩段布置在左岸河床，基礎(chǔ)為新鮮的輝綠巖。4個引水口壩段均為19 m，總長76 m，4條引水管道分別為4臺機(jī)組供水。

引水口壩段頂高程215.50 m，壩基底高程103.00 m，頂寬22.63 m，上游壩坡在125.00 m高程以上直立，在125.00 m高程以下為1∶0.20，下游壩坡在184.903 m高程以上豎直，在184.903 m高程以下坡度為1∶0.70。進(jìn)口底坎高程155.00 m，每個進(jìn)水口前設(shè)置通倉式攔污柵，喇叭形進(jìn)水口后設(shè)置檢修門和事故門，每個引水壩段順?biāo)鞣较蛞来尾贾?孔4.2 m×12.0 m(寬×高)攔污柵，1孔4.5 m×7.0 m(寬×高)檢修門和1孔4.5 m×6.5 m(寬×高)事故門(圖1)。引水發(fā)電鋼管直徑為5.8 m，采用明管的布置形式，上下彎段采用混凝土鎮(zhèn)墩，伸縮節(jié)布置在上鎮(zhèn)墩下游附近，壓力鋼管過廠壩分縫處采用墊層管的形式過縫。

圖1 發(fā)電引水壩段剖面圖

2 水力計算

2.1 水頭損失

進(jìn)水口的水頭損失包括攔污柵段、進(jìn)口段、閘門段、漸變段等局部水頭損失和沿程水頭損失。根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范和計算手冊計算的正常蓄水位工況電站進(jìn)口段(壓力鋼管之前)的水頭損失為0.44 m，與模型試驗的結(jié)果0.41 m十分接近。

2.2 淹沒深度與進(jìn)水口流態(tài)

為避免進(jìn)水口產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，國內(nèi)外研究者甚多，一般認(rèn)為，進(jìn)口前的漩渦是在一個水位范圍內(nèi)產(chǎn)生和發(fā)展的，只要保證足夠的淹沒水深就不會產(chǎn)生漩渦，鑒于漩渦問題的特殊復(fù)雜性，目前只能根據(jù)一些經(jīng)驗公式初步確定進(jìn)水口不產(chǎn)生吸氣漩渦的最小淹沒深度。戈登(J.L.Gordon)根據(jù)29個進(jìn)水口的原型觀測資料和部分試驗資料，總結(jié)出不產(chǎn)生吸氣漩渦的最小淹沒深度的經(jīng)驗公式，目前我國的水電站進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范中采用的就是這一公式，根據(jù)該公式計算，得出最小淹沒深度為8.88 m。電站引水口底坎高程為155 m，引水道頂高程162 m，最低運行水位185 m，實際的最小淹沒深度為23.0 m(>8.88 m)，因此，按戈登公式來看，理論上應(yīng)該不會產(chǎn)生吸氣漩渦。

但是戈登公式來源于引水道式進(jìn)水口的觀測分析，較適于正面取水和兩岸地形對稱的進(jìn)水口，此外漏斗漩渦的產(chǎn)生還涉及很多因素，諸如來流方向與進(jìn)水口軸線的夾角、邊界地形條件、孔口流速和孔口尺寸等等，因此對于不完全符合戈登公式進(jìn)水口體型、邊界地形條件等工程，往往還需要進(jìn)行專門的水工模型試驗研究。

通過模型試驗對電站進(jìn)水口流態(tài)的觀察，在死水位下，在電站進(jìn)水口水流極緩慢的由右側(cè)流向左側(cè)，在一臺或兩臺機(jī)組運行時，電站進(jìn)水口水流平穩(wěn)，未發(fā)生吸氣旋渦及回流，流態(tài)較好。在三臺或四臺機(jī)組運行，且最右側(cè)機(jī)組運行時，由于電站段進(jìn)水口導(dǎo)墻影響，使得最右側(cè)進(jìn)水口發(fā)生微小的吸氣旋渦，其余位置流態(tài)均較好。在正常蓄水位，設(shè)計水位和校核水位下，電站進(jìn)水口水流平穩(wěn)，未發(fā)生吸氣旋渦及回流，流態(tài)較好。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 進(jìn)水口有限元計算

進(jìn)水口壩段結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般采用有限元法分析計算。本工程主要采用線彈性三維有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算，計算程序采用大型通用程序ANSYS進(jìn)行，計算模型為整個引水系統(tǒng)，包括進(jìn)水口、壓力鋼管、鎮(zhèn)墩支墩以及廠房等。進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的有限元分析主要研究進(jìn)水口結(jié)構(gòu)在自重、水壓力、揚壓力、溫度荷載以及地震作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，并根據(jù)計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)相關(guān)部位進(jìn)行配筋計算。

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(X，Y，Z)下，XOZ面為水平面，X軸水平指向下游為正，Y軸豎直向上為正，Z軸水平指向右側(cè)(面向下游)為正，坐標(biāo)原點位于鋼管下彎段出口斷面圓心處(圖2、圖3)。

圖2 發(fā)電引水系統(tǒng)整體模型網(wǎng)格

圖3 進(jìn)水口及廠房網(wǎng)格

根據(jù)有限元的計算結(jié)果，各個工況下，進(jìn)水口水流向(X向)和鉛直向(Y向)應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，并且數(shù)值不大；橫河向(Z向)在閘門段和漸變段頂板和底板處出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大值為2.13 MPa。

應(yīng)力配筋采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》DLT 5057-2009中的拉應(yīng)力圖形法進(jìn)行配筋，對于大體積空間復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而言，由于其自身形狀、外部受力特征以及邊界條件的多變性，最大拉應(yīng)力所在的截面上各點的主拉應(yīng)力方向各不相同，因此，實際工程應(yīng)用中，不可能將結(jié)構(gòu)配筋完全沿著主拉應(yīng)力方向布置，最實際的做法是以X、Y、Z三個方向的計算應(yīng)力配筋來代替主拉應(yīng)力配筋。基于此，在進(jìn)行配筋計算時往往假定混凝土結(jié)構(gòu)所承受的拉應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)，忽略混凝土的抗拉作用，這種做法雖略顯保守，但更為實用，也更便于實際操作。

3.2 鋼管過縫措施

根據(jù)國內(nèi)外水電工程建設(shè)經(jīng)驗，一般壩后式水電站廠壩間多設(shè)溫度縫或沉降縫，以使廠房和壩體結(jié)構(gòu)相對獨立，受力明確，并在壓力鋼管過縫處設(shè)伸縮節(jié)，以適應(yīng)縫兩側(cè)廠壩結(jié)構(gòu)的相對變位，改善廠壩混凝土結(jié)構(gòu)及壓力鋼管的受力狀態(tài) 。但是，這樣不僅使工程投資和運行費用增加，并且伸縮節(jié)的制造加工、施工安裝以及運行期的止水等技術(shù)問題也十分關(guān)鍵，特別是對于巨型壓力鋼管，問題顯得更突出。

隨著水電站壓力鋼管日趨巨型化，取消廠壩間常規(guī)伸縮節(jié)成為一個主要發(fā)展方向，研究與過縫管道結(jié)構(gòu)形式相適應(yīng)的合理的廠壩連接形式也是發(fā)展所趨。李家峽水電站5條背管中有4條經(jīng)分析論證后取消了伸縮節(jié)，用8 m長的墊層管代替。根據(jù)公伯峽水電站壓力管道三維有限元分析成果，用可傳力的墊層管代替伸縮節(jié)后，在常規(guī)荷載和溫度荷載共同作用下，進(jìn)口段和主副廠房分縫處相對位移值最大，進(jìn)口段分縫處最大軸向相對位移值為9.29 mm，為伸縮節(jié)軸向位移設(shè)計值30 mm的31%，最大Y向相對位移值為1.69 mm，為伸縮節(jié)Y向位移設(shè)計值5 mm的33.8%；主副廠房分縫處最大軸向相對位移值為6.33 m，為伸縮節(jié)軸向位移設(shè)計值30 mm的21.1%，最大Y向相對位移值為1.91 mm，為伸縮節(jié)Y向位移設(shè)計值5 mm的38.2%。由此可見，位移值都不是很大，所以有可能采取其它結(jié)構(gòu)措施來適應(yīng)變位，從而取消伸縮節(jié)。蘇阿皮蒂水電站的壓力鋼管直徑較大，通過對幾種過縫措施的研究，采取的措施是：廠壩間壓力鋼管不設(shè)伸縮節(jié)，過縫段采用360°墊層管取代伸縮節(jié)，墊層采用聚氨酯軟木墊層材料，厚30 mm，并將墊層管長度定位管道直徑的1倍左右，總長6.0 m，跨越廠壩縫的兩邊。墊層管過縫措施可取代伸縮節(jié)，以適應(yīng)分縫兩側(cè)相對變位。采用墊層管過縫時，廠壩分縫處灌漿高程越高，廠壩整體性越好，對分縫處管道受力有利，且有利于抗震。

4 結(jié) 語

蘇阿皮蒂水電站是幾內(nèi)亞共和國最大的水電站，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為單一目標(biāo)，電站進(jìn)水口與壩體結(jié)合形成一整體，引水線路短，水力條件較好。計算了引水系統(tǒng)的水頭損失和淹沒深度，并通過模型試驗驗證了水流流態(tài)。利用ANSYS軟件對進(jìn)水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)相關(guān)部位進(jìn)行配筋計算。廠壩間壓力鋼管過縫段采用墊層管取代伸縮節(jié)，以適應(yīng)分縫兩側(cè)相對變位，簡化了設(shè)計，方便施工。