古学水电站尾水渠结构型式研究

梁 剑， 黄 小 春

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 ，湖北 宜昌 443002)

1 概 述

古学水电站位于四川省甘孜州得荣县境内，为金沙江左岸一级支流定曲河乡城、得荣段梯级开发中的第八级水电站。古学水电站为三等中型工程，采用引水式开发方式。工程枢纽由拦河坝、左岸引水系统、岸边式地面厂房等建筑物组成。其中主厂房尺寸为53.3 m×21 m×40.2 m(长×宽×高)，主副厂房及GIS楼呈“一”字型并排布置，厂内安装两台单机容量为45 MW的水轮发电机组，机组安装高程为2 112 m。

古学水电站厂址位于得荣县古学乡卡日共村上游350 m处的定曲河左岸一级阶地上。阶地沿河呈条带状分布，宽17～30 m，地势相对狭窄。场地内侧公路以上地表基岩裸露，山势陡峻，为顺向坡，天然状态下岸坡稳定，受坡脚开挖影响存在变形失稳的风险。厂址处河道对岸亦为条带状一级阶地，宽8～15 m，右岸山体风化破碎带深厚且存在变形迹象。因此，厂址两岸均不宜大范围开挖，厂房布置条件十分有限。

由于厂址阶地地形狭窄，若尾水渠侵占部分天然河道，束窄定曲河河道行洪断面，必将加大河道水流流速，该水流将对右岸河岸造成较为严重的冲刷，严重影响右岸山体的安全。因此，受厂址地形地质条件的制约，尾水渠结构型式的选择至关重要。

2 尾水渠地质条件

拟建的尾水渠场地范围内均为第四系堆积物覆盖，厚约19.5～42 m，从上往下可分为三层：第一层为人工造田填筑砂土层，厚1～3 m，结构松散；第二层为冲洪积物，厚4.2～10.5 m，稍密～中密，主要为含漂、卵砾石层，间隙充填粘性土及粉细砂，漂、卵、砾石含量约为75%，砂土含量约为25%；第三层为冲洪积物，厚22～36.5 m，主要由卵砾石、粗砾砂组成，夹有少量漂石，次磨圆状，结构为中密～密实。

3 结构型式的拟定与选择

基于尾水渠地形地质条件，我们拟定了两个尾水渠布置方案进行比较。

方案一(开敞式尾水渠方案)：尾水渠底宽22.14 m，底板以1∶4的纵向反坡与天然河道衔接，尾水管出口高程为2 114.5 m，中轴线总长26.1 m，尾水渠渠底采用0.4 m厚的钢筋混凝土板护面，两侧为扶壁式钢筋混凝土挡土墙，墙顶宽度为1 m，最大墙高20.54 m(图1)。

图1 开敞式尾水渠方案示意图(方案一，单位：m)

方案二(箱涵式尾水渠方案)：采用双箱式尾水箱涵布置型式，纵向长8 m，横向宽24.266 m，高19.35 m，两侧边墙为梯形断面，顶宽1.5 m，底宽4 m，中隔墙为矩形断面，宽2 m，底板厚2.75 m，箱涵后接尾水渠，宽17.2 m，中轴线长10.15 m，纵向坡度i=0，两侧为混凝土挡墙，最大高度为7.55 m，如图2所示。

图2 箱涵式尾水渠方案示意图(方案二，单位：m)

在与开敞式尾水渠方案比较后可知，箱涵式尾水渠方案有效缩短了尾水渠长度，侵占天然河道少，对定曲河河道行洪影响小。

鉴于尾水渠基础座落于卵砾石、粗砾砂组成的冲洪积物层上，结构中密～密实。方案一采用高扶壁式钢筋混凝土挡墙结构型式，由于其高度大，挡墙断面尺寸较大，对地基要求较高。方案二采用整体箱涵结构型式，结构简单，适应地基变形能力强，整体稳定性好。

两方案导流标准相同，根据厂址地形地质条件及水工建筑物布置特点，在采用方案一时，厂房分两期施工,一期采用全年围堰进行主副厂房及安装间施工；二期采用枯水期围堰进行尾水渠施工。方案二可以在一期全年围堰内施工，工期安排合理，减少了导流建筑物工程量，简化了施工导流程序。

另外，方案二可利用箱涵顶板布置厂区道路，使厂区形成更加便捷的环形交通。

综上所述，古学水电站最终选用了箱涵式尾水渠方案。

4 结构分析

尾水箱涵结构布置情况见图3。

4.1 计算力学模型及计算方法

我们对该结构进行了三维有限元法计算。箱涵结构按1∶1原型建模，地基考虑了10 m深的覆盖层以及10 m厚的基岩，基础上、下游及两侧面分别延伸20 m。地基的底部为三向约束(X、Y、Z方向均固定)的固定边界面，地基的四个侧面为单向法向约束面，地基上部结构各边界面均为自由面。

总体结构的平衡方程为：

(1)

对于每一个杆件，其杆端内力为：

图3 尾水箱涵结构图(单位：m)

(2)

式中PI，PJ为杆端内力；UI，UJ为杆端变位；I，J为点号；上角码m表示杆号；下角码P表示固端内力；[K]m为杆件单元刚度矩阵。

4.2 基本资料

(1)箱涵混凝土及墙后填土参数见表1。

表1 箱涵混凝土及墙后填土参数表

(2)地震参数。

地震动峰值加速度为110 cm/s2，工程设计烈度为Ⅶ度，采用拟静力法计算地震作用效应。

4.3 计算工况及相应荷载组合

尾水箱涵计算工况及相应荷载组合见表2。

荷载施加情况见图4。

4.4 应力计算结果

通过计算得到的各工况基底及各方向最大应力分布情况如图5所示。

结构正应力大小及分布情况见表3。

表2 尾水箱涵计算工况及荷载组合表

图4 荷载施加示意图

4.5 配筋计算

根据线弹性应力图形法配筋计算原则，当截面在配筋方向的正应力图形偏离线性较大时，受拉钢筋截面面积计算公式为：

图5 基底及各方向最大应力分布图

表3 结构正应力大小及分布表

表4 尾水箱涵结构配筋表 /mm2

(3)

T=Ab

(4)

Tc=Actb

(5)

式中T为主拉应力在配筋方向上形成的总拉应力；Tc为混凝土承受的拉力。

根据三维有限元法计算结果得到的尾水箱涵不同部位的钢筋配置情况见表4。

古学水电站厂区地形狭窄，厂房基础位于深厚覆盖层基础上，尾水出流采用箱涵式尾水渠结构，缩短了尾水渠长度, 减少了对河道行洪断面的影响,同时简化了施工导流程序,对类似工程尾水渠布置型式具有一定的参考意义。

参考文献：

[1] 水电站厂房设计规范，SL266-2001[S].

[2] 水工混凝土结构设计规范，DL/T 5057-2009[S].

[3] 曾 攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.