劉 力

(丹東市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧 丹東 118000)

1 工程概況

砬子溝水電站位于遼寧省丹東市寬甸縣古樓子鄉(xiāng)砬子溝村的蒲石河之上。蒲石河為鴨綠江下游右岸的一級支流，水系發(fā)育良好，水量豐沛，多年平均徑流量7.47億m3；而且蒲石河河道平均比降為2.44‰，坡降較陡，流速亦大，蘊藏著豐富的水能資源。砬子溝水電站作為以發(fā)電為主的水利樞紐工程，經(jīng)改造后裝機容量擴大到2 640 kW，該水電站工程消能防沖建筑物設(shè)計中，按30 a一遇(P=3.33%)洪水設(shè)計，并復核不利情況。

2 消能防沖設(shè)計

為使過閘水流順利消能，不致于沖刷河岸，應(yīng)根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)設(shè)置鋼筋混凝土護坦。護坦座落在覆蓋層上，并在護坦下游設(shè)置20 m長的塊石海漫，消能方式采用消力池形式(底流消能)。為防止水流貼壁沖刷和沖坑回流淘刷基礎(chǔ)覆蓋層，消力坎下設(shè)置防淘墻進入基巖[1]。

2.1 消力池水力計算

本項目閘孔后接混凝土護坦進行底流消能，消力池深度d和底板厚度t均計算依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(NB/T 35023—2014)，分別見公式(1)、(2)[2]，計算結(jié)果如下所示(見表1)。根據(jù)以上計算及工程經(jīng)驗，最終確定本項目消力池長度42.0 m，消力池底板厚度2.0 m。

d=σ0hc-hs-ΔΖ

(1)

表1 不同流量和頻率下消力池尺寸計算值

式中，σ0為水躍淹沒系數(shù)，取值1.05～1.10；hc為躍后水深(m)；hs為出水河床水深(m)；△Z為出池落差(m)。

(2)

式中，k為消力池底板計算系數(shù)，取值0.15～0.2；q為過閘單寬流量(m3/s)；△H為閘口泄水時上下游水位差(m)。

2.2 消力池結(jié)構(gòu)計算

(1)消力池底板結(jié)構(gòu)計算

消力池運行期在水下工作，由于滲透作用可以基本保證上下水壓的平衡，不會產(chǎn)生彎矩。在自重作用下，由于地基的不均勻沉降可能產(chǎn)生局部彎矩作用；同時考慮到剛開始放水時，上下水壓平衡尚需要一定時間，最不利荷載即出現(xiàn)在此時。計算時，采取理正軟件中彈性地基梁法(梁與地基共同作用)進行地基梁計算[3]。

經(jīng)過計算，彎矩最大值為346.20 kN·m，配筋面積為595.4 mm2，小于最小配筋率下的配筋面積，則按構(gòu)造要求進行配筋；配筋面積為2 454 mm2，配5φ25@200，上下雙層配筋[4]。

(2)消力池擋墻(衡重墻)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

本項目消力池擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定采用材料力學法，擋墻前后的基底應(yīng)力按公式(3)計算[5]。經(jīng)計算，消力池擋墻底部平均基底壓應(yīng)力均小于0.4 MPa，其中最大基底壓應(yīng)力0.378 MPa，小于地基允許承載力的1.2倍(即0.52 MPa)，滿足規(guī)范要求。

(3)

式中，δ為邊墻基底應(yīng)力的最大值或最小值(kPa)；ΣG為作用在邊墻上的全部豎向荷載(kN)；ΣM為作用在邊墻上對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向形心軸力距(kN·m)；A為邊墻基底面的面積(m2)；W為邊墻基底面對于該底面垂直水流方向形心軸的載面距(m3)。

2.3 消力池消能率分析

本項目委托沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院的技術(shù)團隊對砬子溝水電站水工整體模型進行試驗，以此驗證各建筑物設(shè)計體型及工程樞紐布置的合理性，并最終確定不同泄洪工況下的最佳消能效果。

2.3.1 流態(tài)分析

通過試驗觀測發(fā)現(xiàn)：一是在下泄大流量情況下，泄洪閘和沖沙閘門全開，下游消力池內(nèi)為淹沒水躍或波狀水躍流態(tài)。二是在高水位下泄小流量情況下，3孔閘門均勻局部開啟，消力池內(nèi)均產(chǎn)生穩(wěn)定水躍，消能效果好，池內(nèi)及池后流態(tài)均佳。若只開啟一孔或二孔閘門，池內(nèi)及池后流態(tài)不佳，消能效果不好，特別是在大開度單開一孔閘門時，水流可直接沖出池外，消能效果最差[6]。

因此，在實際運行過程中，應(yīng)盡可能保證泄洪閘3孔閘門均勻同步開啟，避免單孔開啟。沖沙閘在局部開啟和全開情況下，閘后出現(xiàn)波狀水躍或淹沒水躍。

2.3.2 消能率分析

(1)將消能率計算值與測得值對比，均表明在3孔泄洪閘門全部敞開下泄大洪水時，消力池內(nèi)為低佛氏數(shù)水躍，躍前佛氏數(shù)為2.5

圖1 敞泄時消力池消能率曲線

(2)由于在高水位小流量情況下，局部單開或開啟兩孔閘門，閘下游流態(tài)均不及3孔閘門均勻局部開啟時的流態(tài)好，因此建議在控泄小流量時盡可能3孔閘門均勻開啟。

(3)正常蓄水位情況下，3孔閘門均勻局部開啟時消能率大小。通過計算、觀測分析，發(fā)現(xiàn)在不同開度下，躍前佛氏數(shù)為Fr>4.5，消能率為45%～75%；而且隨著閘門開度的增大消能率逐漸減小。在這些工況下池內(nèi)消能效果好，消能效率高，說明消力池設(shè)計是合理的。

3 下游河床護岸結(jié)構(gòu)布置分析

根據(jù)地質(zhì)勘查和現(xiàn)場開挖基礎(chǔ)揭露情況：本項目消力池左岸護坡基礎(chǔ)基本出露完整基巖；右岸護坡基礎(chǔ)為覆蓋層。

(1)左岸下游靠左側(cè)方向有基巖出露，形成巖埂，對堆積體的阻滑作用顯著，因此設(shè)計左岸護坡基礎(chǔ)坐落于基巖之上，并應(yīng)減少對巖梗阻力的削弱。

(2)右岸基礎(chǔ)及邊坡為覆蓋層，邊坡上部為通鄉(xiāng)公路，經(jīng)過幾個汛期右岸邊坡本身是自穩(wěn)的。為兼顧邊坡開挖量小、邊坡穩(wěn)定和通鄉(xiāng)公路，綜合分析將貼坡齒槽寬度擴大到3.0 m，既能保證邊坡穩(wěn)定，也能經(jīng)得起沖沙閘泄洪沖刷[8]。

(3)根據(jù)模型試驗成果，消力池末端沖坑深度約為29 m左右，沖刷坑最深處在消力坎后30 m左右，基本位于下游貼坡中部。在電站蓄水發(fā)電后，即便沖坑對貼坡穩(wěn)定有一定的影響，但不會影響電站運行；汛后加強對貼坡的檢查，并在坡腳埋設(shè)粒徑大于30 cm大塊石護腳。

(4)末端設(shè)消力坎，與原河床持平。為防止水流貼壁沖刷和沖坑回流淘刷基礎(chǔ)覆蓋層，消力坎下設(shè)置防淘墻進入基巖，并在護坦下游設(shè)置20 m塊石海漫，厚度6.50 m。

4 結(jié) 語

水電站消能防沖對于維護下游河床及護坡穩(wěn)定十分重要，砬子溝水電站的消力池結(jié)構(gòu)主要通過理論計算和試驗模型來確定基本形式，對后期施工有著明確指導；但同時這種方式也面臨一定問題，可能計算和模擬結(jié)果過于理想化，導致與現(xiàn)場存在偏差，這就需要技術(shù)人員在設(shè)計時留有一定改進余量。