泄洪建筑物工程設(shè)計(jì)方案與計(jì)算,水工建筑物論文

泄洪建筑物工程設(shè)計(jì)方案與計(jì)算,水工建筑物論文摘要：江坪河水電站泄洪建筑物布置充分考慮地形地質(zhì)條件、樞紐總體布置協(xié)調(diào)、運(yùn)行安全可靠等因素，通過水力學(xué)模型試驗(yàn)、模型優(yōu)化試驗(yàn)及構(gòu)造計(jì)算分析，最終選擇了右岸布置2條洞式溢洪道和1條泄洪放空洞的設(shè)計(jì)方案。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：泄洪建筑物;溢洪道;泄洪放空洞;江坪河水電站;Abstract：ThelayoutofJiangpingheHydropowerStationsflooddischargestructuresfullyconsidersthefactorssuchasthetopographyandgeologicalconditions,thecoordinationofoverallstructurelayout,andthesafeandreliableoperation.Throughhydraulicmodeltest,modeloptimizationtestandstructuralcalculationandanalysis,thedesignschemeofarrangingtwospillwaytunnelsandoneflooddischargetunnelontherightbankisfinallyselected.Keyword：flooddischargestructure;spillway;flooddischargetunnel;JiangpingheHydropowerStation;1.工程大概情況江坪河水電站工程(下面簡(jiǎn)稱江坪河工程)為一等大(1)型工程，主要由混凝土面板堆石壩、右岸泄洪建筑物、左岸輸水系統(tǒng)及岸邊地面廠房等建筑物組成。擋水建筑物、泄洪建筑物等主要永久建筑物為1級(jí)建筑物;輸水發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電進(jìn)水口、主廠房、副廠房、開關(guān)站出線場(chǎng)等主要永久建筑物為2級(jí)建筑物;其余建筑物為3級(jí)建筑物。泄洪建筑物包括2孔隧洞式溢洪道和1孔泄洪放空洞，集中布置于右岸;按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量9370m3/s;PMF洪水校核，洪峰流量11600m3/s;消能防沖按100年一遇洪水設(shè)計(jì)。江坪河水電站壩址位于長(zhǎng)約600m的峽谷河段內(nèi)，河流流向自西向東，河谷呈V形，兩岸地形陡峻，無天然地形埡口，不具備明挖溢洪道地形條件。右壩肩上游側(cè)有一沖溝，且右岸山體雄厚，可布置隧洞式溢洪道。泄洪建筑物布置于右岸，見圖1。溢洪道控制段底板位于2K1-3～2K1-4層上，進(jìn)口邊坡位于8號(hào)沖溝下游的2K1-3～2K1-5地層，洞臉坡為斜交順向坡，側(cè)坡為近正交坡。溢洪道通過的地層主要以Ⅲ類圍巖為主，少量地段圍巖為Ⅳ類;部分地段穿越溶蝕堆積物和垮塌拉裂巖體，圍巖類型為Ⅴ類。溢洪道出口位于1L1-2地層，為灰綠色薄層鈣質(zhì)粉砂巖、板巖，其上部是自然坡度達(dá)75的陡崖。第一組陡傾角的F11、F41斷層在出口邊坡上部陡崖中發(fā)育，走向與出口邊坡方向基本一致，中陡傾角的第三組F53、F183斷層以較大交角在邊坡中下部發(fā)育。泄洪放空洞洞室圍巖除進(jìn)口有壓段及工作閘門豎井中部為Ⅳ～Ⅴ類圍巖外;其余洞段為Ⅲ～Ⅱ類圍巖，洞室圍巖地質(zhì)條件及成洞條件中等～較好。經(jīng)初步分析，泄洪建筑物的布置主要受部分Ⅳ～Ⅴ類圍巖地形地質(zhì)條件影響;出口布置需考慮下泄水流對(duì)岸坡、河床的沖刷和泄洪霧化對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響。圖1泄洪建筑物平面布置示意2.泄洪建筑物工程設(shè)計(jì)方案江坪河工程河谷狹窄，岸坡陡峻，泄洪霧化及沖刷問題較為復(fù)雜，其泄洪消能和岸坡保衛(wèi)問題是泄洪建筑物設(shè)計(jì)的重點(diǎn);電站泄水建筑物校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(PMF)洪峰流量大，最大泄洪水頭約105.14m，溢洪道運(yùn)行期最大泄水流速約45.975m/s，泄洪放空洞運(yùn)行期最大流速為34.75m/s，高速水流空化空蝕問題及預(yù)防措施是泄洪建筑物設(shè)計(jì)的另一重點(diǎn)[1,2]。綜合來看，江坪河工程泄洪具有水頭高、泄量大、流速高的特點(diǎn)。因而，其泄洪建筑物設(shè)計(jì)方案充分考慮了各常規(guī)泄洪設(shè)施能夠互為備用、流道抗沖耐磨和防空化空蝕、重視泄洪霧化區(qū)內(nèi)的建筑物和岸坡的保衛(wèi)等措施[3]。2.1.溢洪道設(shè)計(jì)方案溢洪道由進(jìn)水渠段、控制段、泄槽段及挑流鼻坎組成。其軸線方向?yàn)镹84.60E，為2條平行布置的隧洞式溢洪道，洞軸線間距35m，洞間壁厚21m,2條溢洪孔口及隧洞斷面尺寸一樣，引水渠共用?？刂蒲卟捎瞄_敞式孔口。由于受地形條件限制，泄槽采用無壓隧洞形式，下游采用挑流消能。(1)進(jìn)水渠段。引水渠底板高程438.50m，堰前直線段長(zhǎng)度約180m。476.00m高程下面進(jìn)水渠邊坡開挖坡比1∶0.5，以上1∶0.25;高差20m左右設(shè)置一級(jí)寬3m馬道。高程476.00m馬道寬7.0m，兼作連接泄洪放空洞進(jìn)水塔的交通公路。進(jìn)水渠邊坡水位頻繁變動(dòng)區(qū)坡面采用鋼筋混凝土面板防護(hù)，厚1.0m。(2)控制段。控制段采用開敞式孔口，堰頂高程448.00m，單孔孔口寬14m，溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰面曲線方程為y=0.037x1.85，其原點(diǎn)高程為448.00m，樁號(hào)為溢0+004.660，上游接橢圓曲線，下游與坡比為1∶0.8的泄槽陡坡段相接?？刂贫伍l墩頂部高程為476.00m，兩孔口中心線間距為35m。(1)1號(hào)溢洪道左閘墩兼作大壩右壩肩趾墻，墩頂厚3.0m，迎水面為垂直面，背水面為1∶0.35的斜坡;進(jìn)口左導(dǎo)墻向上游引水渠延伸，使繞流位置上移，以改善進(jìn)口水流狀態(tài)。(2)中墩為U形構(gòu)造，頂厚3.0m，迎水面為垂直面，背水面為1∶0.1的斜坡。(3)2號(hào)溢洪道右閘墩樁號(hào)溢0+030.975上游頂厚9.5m，迎水面與背水面均為垂直面，華而不實(shí)樁號(hào)溢0+008.000上游右閘墩與右岸邊坡之間采用C20貼坡混凝土回填;樁號(hào)溢0+030.975往下游頂厚3.0m，迎水面為垂直面，背水面為1∶0.2的斜坡。(3)泄槽段。隧洞進(jìn)口段為地質(zhì)條件較差的2K1-2～2K1-3地層，為改善隧洞成洞條件，采用了龍?zhí)ь^布置形式。兩條溢洪道泄槽段均由底坡1∶0.8的陡坡段、半徑為90.0m的反弧連接段及緩坡段組成;陡坡段和反弧連接段是基本一樣的，陡坡段斷面采用城門洞形，寬為14.0m，側(cè)直墻高度高于最高水面線1m，由18.0m漸變至12.0m，頂拱中心角105兩條溢洪道緩坡段斷面一樣，也采用城門洞形，寬為14.0m，側(cè)直墻高約12m，頂拱中心角105，但底坡和長(zhǎng)度不一樣;采用鋼筋混凝土襯砌，底板及邊墻采用C45抗沖耐磨混凝土，頂拱采用C30混凝土，襯砌厚度為1.0～1.5m。1號(hào)、2號(hào)溢洪道泄槽段各設(shè)置5道摻氣槽。華而不實(shí)，1號(hào)溢洪道摻氣槽樁號(hào)依次為溢0+043.890、溢0+131.000、溢0+261.000、溢0+401.000、溢0+501.000;2號(hào)溢洪道摻氣槽樁號(hào)依次為溢0+043.890、溢0+131.000、溢0+261.000、溢0+401.000、溢0+551.000;1號(hào)、2號(hào)溢洪道分別在樁號(hào)溢0+131.000、溢0+261.000、溢0+401.000各設(shè)置了3道摻氣洞，每條摻氣洞穿過溢洪道頂部，為2條溢洪道共用。摻氣洞寬2.5m，高3.25m，為城門洞形，頂拱半徑1.25m。(4)挑流鼻坎。根據(jù)出口地形條件，2條溢洪道出口均采用下游挑流消能方式:1號(hào)溢洪道出口采用異形斜鼻坎，左邊墻樁號(hào)為溢0+558.000～溢0+573.180，右邊墻樁號(hào)為溢0+579.500～溢0+599.590，左導(dǎo)墻擴(kuò)散半徑45m，擴(kuò)散角18。挑坎反弧采用橢圓弧，長(zhǎng)軸半徑53.209m，短軸半徑50m，挑角77～337，挑坎高程為337.759～344.656m。2號(hào)溢洪道出口采用斜切式鼻坎，左邊墻樁號(hào)為溢0+638.606～溢0+667.775，右邊墻樁號(hào)為溢0+656.320～溢0+708.949，左導(dǎo)墻擴(kuò)散半徑59.431m，擴(kuò)散角178，右導(dǎo)墻擴(kuò)散半徑689.965m，擴(kuò)散角453。挑坎反弧半徑90m，挑角5～33，挑坎高程為316.595～330.772m。1號(hào)溢洪道及2號(hào)溢洪道挑坎左邊墻迎水面1.5m厚、右邊墻采用抗沖耐磨混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，挑坎底板迎水面設(shè)置成臺(tái)階狀，1號(hào)溢洪道最小厚度1.78m,2號(hào)溢洪道最小厚度1.75m;底板其余部位采用C35混凝土。2.2.泄洪放空洞設(shè)計(jì)方案泄洪放空洞采用有壓接無壓洞的布置形式，由進(jìn)水塔、有壓洞段、工作閘門豎井、無壓洞段及挑流鼻坎等組成，工作閘門豎井布置于有壓洞之后。(1)進(jìn)水塔。進(jìn)水塔基礎(chǔ)高程354.00m，底坎高程370.00m，塔頂高程476.00m，與壩頂高程一樣。順?biāo)飨蜷L(zhǎng)22.0m，寬15.0m，高122m。進(jìn)水塔進(jìn)口為有壓短管式，進(jìn)口頂曲線為橢圓曲線。進(jìn)口設(shè)倒鉤式平面滑動(dòng)檢修門，事故門設(shè)置在塔內(nèi)，均為平板門。塔頂設(shè)有7m寬交通橋，與進(jìn)水渠側(cè)面坡高程476.00m、寬7m的山體公路相接。(2)有壓洞段。有壓洞段由直段和平面彎段組成，總長(zhǎng)227.239m，縱坡水平。有壓洞斷面為內(nèi)徑8.5m的圓形斷面，采用C30鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為1.0m。樁號(hào)泄0+074.487～0+099.309之間設(shè)有一平面轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑60m，轉(zhuǎn)角23.703。有壓洞前后各一段漸變段，上游段長(zhǎng)為22m，下游段長(zhǎng)為20m。彎段后直洞長(zhǎng)約132m，泄0+203.239～0+249.239位內(nèi)襯鋼襯段，外包混凝土;末端為圓變方壓坡連接段，長(zhǎng)度為20.0m，將直徑8.5m的圓形洞漸變至6.0m6.56m(寬高)，后接工作閘門豎井。(3)工作閘門豎井。該豎井為井筒式構(gòu)造，位于右壩肩防滲帷幕線下游，為地下洞室構(gòu)造，緊接有壓洞段末端，底板高程366.00m，頂部高程476.00m。豎井開挖高度87.726m，襯砌厚度1.0～2.0m，左側(cè)上游處設(shè)交通洞與大壩下游高程383m馬道相連。工作閘門控制室底板高程398m，布置有弧形工作閘門啟閉設(shè)備，弧形工作閘門的支鉸固定于閘門室后壁山體上的支鉸大梁上。(4)無壓洞段。無壓洞段始于工作閘門豎井后，前段為i=0.1385的斜坡，其后接底坡i=0.0894的緩坡。采用城門洞形斷面，頂拱中心角為90，寬7.0m，直墻高約9.5m;采用鋼筋混凝土襯砌，底板及邊墻為C45抗沖耐磨混凝土，頂拱為C30混凝土，厚度0.7～1.0m。分別在樁號(hào)泄0+371.000、泄0+491.000和泄0+611.000各布置一道摻氣坎，分別為1號(hào)摻氣坎、2號(hào)摻氣坎和3號(hào)摻氣坎，摻氣坎通氣至無壓隧洞水面線以上。華而不實(shí)，1號(hào)摻氣坎坎高為1.7m，水平方向長(zhǎng)8.046m，兩側(cè)側(cè)向通氣孔的斷面尺寸為，1.5m2m，通氣豎井?dāng)嗝娉叽鐬?.5m2m;2號(hào)摻氣坎坎高1.5m，水平方向長(zhǎng)8.046m，兩側(cè)側(cè)向通氣孔的斷面尺寸為，1.5m2m，通氣豎井?dāng)嗝娉叽鐬?.5m2m;3號(hào)摻氣坎坎高1.5m，水平方向長(zhǎng)8.046m，兩側(cè)側(cè)向通氣孔的斷面尺寸為，1.5m2m，通氣豎井?dāng)嗝娉叽鐬?.5m2m。(5)挑流鼻坎。根據(jù)出口地形條件，出口采用下游挑流消能方式，其構(gòu)造形式為左導(dǎo)墻擴(kuò)散斜鼻坎。左導(dǎo)墻擴(kuò)散半徑44.87m，擴(kuò)散角1825。挑坎反弧半徑80m，挑角1223～2347，挑坎高程為330.701～335.635m。挑坎建基面高程為326.00m。挑坎左邊墻采用重力式邊墻，右邊墻貼巖面澆筑，邊墻迎水面1.5m采用C45抗沖耐磨混凝土，底板采用C45抗沖耐磨混凝土，抗沖耐磨最薄處厚度1.335m，臺(tái)階狀布置，其余部位采用C35混凝土。3.模型試驗(yàn)及構(gòu)造計(jì)算分析為驗(yàn)證泄洪建筑物布置設(shè)計(jì)方案合理性，進(jìn)行了大量的水力學(xué)試驗(yàn)及構(gòu)造計(jì)算分析，評(píng)價(jià)及建議如下。3.1.溢洪道(1)江坪河工程溢洪道的布置方式，知足樞紐整體布置方案要求。根據(jù)水力學(xué)計(jì)算，并經(jīng)過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，溢洪道的泄流能力知足設(shè)計(jì)泄流量要求。(2)溢洪道引渠段、溢流堰體、泄槽段摻氣形式以及出口構(gòu)造布置經(jīng)過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證是可行的。(3)溢洪道引渠段構(gòu)造設(shè)計(jì)、控制閘室構(gòu)造設(shè)計(jì)、隧洞襯砌構(gòu)造設(shè)計(jì)及泄槽段、出口段構(gòu)造設(shè)計(jì)及配筋知足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求;無壓洞段洞頂余幅經(jīng)水力學(xué)計(jì)算和水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證可知足規(guī)范要求。進(jìn)口導(dǎo)墻、控制閘、泄槽邊墻和出口挑坎整體穩(wěn)定性知足規(guī)范要求，進(jìn)口、出口挑坎地基巖體采用固結(jié)灌漿和錨索支護(hù)處理，地基承載力可知足要求。(4)2條溢洪道泄槽段各設(shè)置了5道挑跌坎式底部摻氣減蝕設(shè)施，經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，摻氣效果可知足規(guī)范要求。(5)抗沖耐磨混凝土根據(jù)水流含沙量、水力學(xué)參數(shù)和相關(guān)試驗(yàn)成果確定，并經(jīng)專家咨詢，知足規(guī)范要求。(6)溢洪道泄流量大，流速高，應(yīng)加強(qiáng)原型觀測(cè)，過流后應(yīng)進(jìn)行檢查和維護(hù)，保證溢洪道各個(gè)部位均能安全運(yùn)行。3.2.泄洪放空洞(1)結(jié)合江坪河水電站整體樞紐布置，并經(jīng)樞紐整體、泄洪放空洞單體水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，泄洪放空洞采用有壓接無壓的布置形式是適宜的。(2)根據(jù)水力學(xué)計(jì)算，并經(jīng)過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，江坪河水電站泄洪放空洞泄流能力知足設(shè)計(jì)泄流量要求。(3)經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，在各工況下水流流態(tài)平順，過流斷面知足設(shè)計(jì)要求，泄洪放空洞洞身體型是可行的。(4)泄洪放空洞出口挑流消能形式，經(jīng)過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證是可行的，知足泄洪消能要求。下游河道防護(hù)可知足泄水建筑物泄洪消能要求。(6)泄洪放空洞工作閘井后無壓洞段設(shè)置了3道挑跌坎式底部摻氣減蝕設(shè)施，經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，摻氣效果可知足規(guī)范要求。(7)抗沖耐磨混凝土根據(jù)水流含沙量、水力學(xué)參數(shù)和相關(guān)試驗(yàn)成果確定，并經(jīng)專家咨詢，知足規(guī)范要求;設(shè)計(jì)提出的過流外表混凝土的不平整度知足規(guī)范要求。(8)泄洪放空洞泄流量大，流速高，應(yīng)加強(qiáng)原型觀測(cè)，過流后應(yīng)進(jìn)行檢查和維護(hù)，保證泄洪放空洞各個(gè)部位均能安全運(yùn)行。4.結(jié)束語(yǔ)監(jiān)測(cè)成果表示清楚，江坪河水電站溢洪道及泄洪放空洞洞身段圍巖變形和應(yīng)力、圍巖與襯砌接縫處以及襯砌內(nèi)環(huán)