公伯峽水電站水利水電工程中旋流消能工的選擇

公伯峽水電站水利水電工程中旋流消能工的選擇

隨著我國(guó)水電工程建設(shè)水平不斷提高，建設(shè)速度不斷加快，相應(yīng)的設(shè)計(jì)水平和新技術(shù)的提出要求必須提高。以滿足水電工程建設(shè)的需要。為此,公伯峽水電站在新技術(shù)應(yīng)用方面做了許多試驗(yàn)研究工作,并在設(shè)計(jì)中采用,取得了良好的效果。采用的新技術(shù)主要有:右岸泄洪洞采用水平旋流消能泄洪洞;電站引水壓力鋼管采用鋼襯鋼筋混凝土管;引水壓力管道與進(jìn)水口分縫處及上游副廠房和主廠房分縫處用彈性墊層管代替伸縮節(jié);混凝土面板堆石壩的墊層區(qū)上游面采用擠壓式混凝土邊墻;混凝土面板堆石壩采用了電磁式沉降儀觀測(cè)壩體沉降;采用了新型挑流鼻坎(溢洪道的舌型鼻坎和側(cè)擴(kuò)加折流檐鼻坎)等?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下。1旋流消能泄洪洞計(jì)算公伯峽水電站工程泄水建筑物由左右岸泄洪洞及左岸溢洪道組成。初步設(shè)計(jì)階段右岸泄洪洞是利用導(dǎo)流洞改建而成,非結(jié)合段采用“龍?zhí)ь^”型式。非結(jié)合“龍?zhí)ь^”段位于導(dǎo)流洞右側(cè),洞頂上覆巖體較薄,大部分洞段為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和片巖、片麻巖互層的Ⅲ、Ⅳ類圍巖,局部洞段為Ⅴ類圍巖,圍巖穩(wěn)定及成洞條件差。在技施設(shè)計(jì)階段為了減少施工風(fēng)險(xiǎn),對(duì)非結(jié)合段采用豎井型式代替“龍?zhí)ь^”型式進(jìn)行了科研試驗(yàn)研究。按照公伯峽水電站右岸泄洪洞要求的最大下泄流量(1060m3/s)和相應(yīng)上下游水位差(102m)的條件,研究了2種不同型式的旋流消能工,即豎井旋流泄洪洞(垂直旋流,水流繞豎井軸旋轉(zhuǎn)下泄)和水平旋流泄洪洞(水流經(jīng)豎井進(jìn)入泄洪洞繞洞軸水平旋轉(zhuǎn)下泄)。從水工模型試驗(yàn)成果看2種方式消能率均能滿足要求,但豎井旋流方案水頭高度(110m)顯得不足,豎井內(nèi)水流的旋流流態(tài)不穩(wěn)定,水流旋轉(zhuǎn)消能率低,消能主要由豎井下部水墊塘來(lái)完成,因而其豎井的振動(dòng)比水平旋流消能豎井的振動(dòng)要明顯得多,對(duì)風(fēng)化巖層中的豎井襯砌結(jié)構(gòu)不利。另外豎井旋流泄洪洞進(jìn)水口高程低于水平旋流泄洪洞,且豎井直徑也大于水平旋流泄洪洞,相應(yīng)工程造價(jià)較高,施工風(fēng)險(xiǎn)較大,經(jīng)綜合比較右岸泄洪洞選用水平旋流泄洪洞。在水工模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)反復(fù)研究最終采用的水平旋流消能泄洪洞由開(kāi)敞式進(jìn)水口、豎井(豎井中部設(shè)環(huán)型摻氣坎,下部為水平旋流發(fā)生裝置)、通氣孔、水平旋流洞、水墊塘消能段及與原導(dǎo)流洞結(jié)合的退水洞段(含末端挑流消能鼻坎)組成。為使豎井上部(古全風(fēng)化巖部位)水流平穩(wěn)震動(dòng)小,而又能滿足水平旋流發(fā)生裝置與水平旋流洞銜接處充分摻氣的要求,故溢流堰進(jìn)水口采用淹沒(méi)流并在豎井中部設(shè)環(huán)型摻氣坎。由于水平旋流洞長(zhǎng)度較短,為提高消能率,因此利用一段導(dǎo)流洞設(shè)三角體阻水墩形成水墊塘消能段。在摻氣坎和通氣孔的共同作用下,水流摻氣充分,退水洞段的流速由原方案的39.6m/s減小到15m/s以下,消能率達(dá)85%以上。該方案不僅減小了施工風(fēng)險(xiǎn)和下游的沖刷及霧化現(xiàn)象,而且減少投資約3500萬(wàn)元左右。2混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力水電站引水壓力管道為直接敷設(shè)在地基上的鋼襯鋼筋混凝土管道,單機(jī)引用流量335m3/s,鋼管直徑8m,最大設(shè)計(jì)水頭135m。采用鋼襯與外包鋼筋混凝土共同承受內(nèi)水壓的組合結(jié)構(gòu),并按承載能力極限狀態(tài)(即假定混凝土開(kāi)裂,混凝土不承擔(dān)環(huán)向拉力,僅傳遞徑向壓力,環(huán)向拉力由鋼襯和鋼筋承擔(dān))和正常使用極限狀態(tài)(驗(yàn)算裂縫寬度)設(shè)計(jì)。在用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算的基礎(chǔ)上,又用三維有限元計(jì)算進(jìn)行了復(fù)核。結(jié)果表明,雖然鋼筋用量比按明管設(shè)計(jì)有所增加,但鋼襯的厚度由原17～41mm減小為16～34mm,減少了鋼材用量、降低了鋼板加工焊接難度并節(jié)省投資500多萬(wàn)元。3管道流變變形的數(shù)值計(jì)算分析在初步設(shè)計(jì)階段壓力管道在進(jìn)水口分縫處及上游副廠房和主廠房分縫處均設(shè)有適應(yīng)沉降及伸縮變形的伸縮節(jié),施工詳圖設(shè)計(jì)階段,在收集和分析國(guó)內(nèi)外取消伸縮節(jié)工程實(shí)例的基礎(chǔ)上,參考李家峽水電站取消伸縮節(jié)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為公伯峽水電站與李家峽水電站引水管道直徑均為8m,最大作用水頭分別為(包括水錘壓力)135m和155m,但李家峽水電站引水管道為拱壩壩后背管,其變位受壩體影響較大,而公伯峽水電站引水管道為敷設(shè)在地基上的鋼襯鋼筋混凝土管道,地基對(duì)管道變位影響較小,因此,公伯峽水電站引水管道取消伸縮節(jié)是有可能的。為此進(jìn)行了管道三維有限元計(jì)算分析,計(jì)算表明,在最不利的荷載組合下,用彈性墊層管后進(jìn)水口分縫處及上游副廠房和主廠房分縫處的相對(duì)位移軸向分別為-9.29mm和-6.33mm,豎向分別為1.69mm和-1.91mm,用10mm的聚氨脂軟木墊層(彈模3.75MPa)可以適應(yīng)此變位;用彈性墊層管或設(shè)伸縮節(jié)對(duì)管道中間斷面位移、應(yīng)力影響不大,位移差小于0.4mm,混凝土環(huán)向及軸向應(yīng)力差分別小于0.31MPa和0.08MPa;墊層管鋼管采用610MPa高強(qiáng)鋼,進(jìn)口段分縫處鋼管厚度為18mm,主副廠房分縫處鋼管厚度為36mm,進(jìn)口段分縫處墊層管鋼管最大Mises應(yīng)力為263.9MPa,主副廠房分縫處墊層管鋼管最大Mises應(yīng)力為213.7MPa,均可滿足高強(qiáng)鋼墊層管抗力限值的要求。用彈性墊層管取代了壓力管道在進(jìn)水口分縫處及上游副廠房和主廠房分縫處伸縮節(jié),節(jié)約投資約1000萬(wàn)元并簡(jiǎn)化了施工。4擠壓式混凝土邊墻固坡傳統(tǒng)的面板堆石壩施工中,上游墊層區(qū)均采用坡面超填30～40cm的墊層料,在填筑一定高度后,進(jìn)行人工削坡整理,用斜坡碾反復(fù)碾壓后再進(jìn)行削坡整理、噴砂漿固坡等多道工序施工。采用這種傳統(tǒng)的施工方法,墊層區(qū)斜坡面密實(shí)度難以保證,施工工序復(fù)雜、墊層料超填量和人工削坡整理工作量大,且坡面易受雨水沖刷。為提高墊層區(qū)壓實(shí)質(zhì)量、簡(jiǎn)化施工工序、加快施工進(jìn)度并減少墊層料用量,在國(guó)內(nèi)首次采用墊層區(qū)上游面采用擠壓式混凝土邊墻固坡。擠壓式混凝土邊墻固坡,是在每填筑一層墊層料之前,沿著設(shè)計(jì)斷面用拉摸施工成連續(xù)混凝土小墻(墻高與墊層區(qū)每層填筑高度相等即40cm,墻頂寬10cm,上游坡同于土面板堆石壩的上游坡,內(nèi)側(cè)坡比采用8∶1以便于墊層料碾壓),墻體混凝土應(yīng)具有低強(qiáng)、低彈模、半透水(K=10-3cm/s左右)并凝固較快(一般2h左右)的性能。墻體筑成后即可鋪設(shè)墊層料并進(jìn)行碾壓。施工實(shí)踐表明采用擠壓式混凝土邊墻固坡達(dá)到了預(yù)想的目的。壩體三維應(yīng)力應(yīng)變分析計(jì)算表明:運(yùn)行期擠壓墻順坡向的壓應(yīng)力為20～36MPa,軸向壓應(yīng)力為22～36MPa,遠(yuǎn)大于墻體的抗壓強(qiáng)度(5～10MPa),因此運(yùn)行期的擠壓墻已被壓碎,其性能基本與墊層相同;有無(wú)擠壓墻時(shí)面板撓度分別為27.3cm和28.1cm;面板順坡向拉應(yīng)力分別為3.46MPa和3.52MPa、面板壓應(yīng)力分別為6.8MPa和7.1MPa,有擠壓墻的計(jì)算值反略小,因此認(rèn)為擠壓墻對(duì)面板的應(yīng)力、應(yīng)變無(wú)不利影響,擠壓墻不會(huì)影響面板安全運(yùn)行。5與限制沉降儀的互補(bǔ)由于公伯峽水電站河床覆蓋層較薄(為3～10m),因此,壩基覆蓋層全部挖除,混凝土面板堆石壩均坐落基巖上。由于第一層水管式沉降儀在1920.00m高程,以下還有40多米壩體及基礎(chǔ)沉陷在施工期未能全過(guò)程監(jiān)測(cè),為此采用2套電磁式沉降儀監(jiān)測(cè)1920.00m以下壩體及基礎(chǔ)沉陷并可與水管式沉降儀互補(bǔ),電磁式沉降儀沿測(cè)線垂直方向每5m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)并深入基巖10m。電磁式沉降儀的觀測(cè)成果表明:各測(cè)點(diǎn)的沉降量隨著大壩填筑高度的增加和時(shí)間的推移而逐漸增大,并逐漸趨于穩(wěn)定,這與水管式沉降儀各測(cè)點(diǎn)沉降過(guò)程線所揭示的規(guī)律是一致的,與以往堆石壩觀測(cè)資料的規(guī)律也是一致的;壩體沉降較大區(qū)域發(fā)生在壩高1/2處及其下部(位于高程1901.00～1950.00m處),與水管式沉降儀所測(cè)沉降值較大區(qū)域(高程1920.00～1950.00m)是吻合的,與三維有限元計(jì)算結(jié)果一致;2004年5月14日電磁式沉降儀測(cè)得最大沉降值為405mm,而水管式沉降儀所測(cè)最大沉降量為348mm,均比計(jì)算最大沉降量小,水管式沉降儀測(cè)值偏小主要是未反映出在儀器埋設(shè)安裝期間(一個(gè)多月)壩體的沉降量。從觀測(cè)資料成果看,用電磁式沉降儀所測(cè)資料來(lái)分析大壩壩體沉降量并評(píng)判壩體填筑質(zhì)量是可信的。6側(cè)擴(kuò)加折流浚為改善樞紐泄洪時(shí)下游河道水流流態(tài)和河床沖淤形態(tài),經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),在溢洪道和左岸泄洪洞出口采用了不同型式的挑流鼻坎。溢洪道左槽出口與下游河道交角較小,且河面較寬,為減小對(duì)下游河床的沖刷,采用舌型鼻坎,使水流充分?jǐn)U散。溢洪道右槽出口左側(cè)受左槽的限制,鼻坎只能向右導(dǎo)向并縱橫擴(kuò)散,為了消除下游河道右岸回流,減小水流對(duì)右岸的沖刷并避免沖擊左槽邊墻,因此采用了側(cè)擴(kuò)加折流檐鼻坎(即在側(cè)擴(kuò)鼻坎左側(cè)邊墻頂部加1.5m寬、13.0m長(zhǎng)的折流檐),折流檐將鼻坎左側(cè)頂部水冠向右翻卷,形成層距18m的雙層射流,既分散了入水能量,又消除了靠近右岸的回流,改善了右岸的沖刷和電站尾水波動(dòng)情況。左岸泄洪洞出口軸線與下游河道的夾角為30°左右,左側(cè)受岸邊限