大藤峡水利枢纽工程泄洪消能建筑物研究与设计

2022-05-27 01:53谭志军潘明鸿
人民珠江 2022年5期
关键词:钢梁锚索高程

谭志军,潘明鸿

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021;2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司,广西 南宁 530200)

泄洪建筑物是水利水电枢纽的重要组成部分。其主要作用为泄洪、排沙、施工期导流及初期蓄水时向下游输水,同时也要兼顾水电站进水口前冲沙、排漂等作用。泄洪消能建筑物设计非常重要,涉及到泄流能力、过流面空化、水流掺气、泥沙磨蚀及对其下游河床冲刷等问题。三峡工程在校核洪水条件下,需宣泄流量102 500 m3/s,泄洪建筑物采用了深孔与表孔相间布置的型式,重点研究深孔、表孔联合泄洪时,大单宽流量的下游消能防冲水力学问题和相应的工程措施[1],底孔的体型研究主要是比较弧门在坝内的短有压管方案和弧门在坝后的长有压管方案的可行性,经比较选择底孔长有压管方案[2]。向家坝校核洪水流量49 800 m3/s,是采用底流消能的高坝工程,泄洪消能设计终采用了多股多层跌坎淹没射流型式,即把下泄的高速射流利用多股多层水平射流方式进入消力池水体的中部,形成多个三元空间水跃和水平淹没射流相互作用的水流形态[3]。本文以大藤峡水利枢纽工程为例,工程具有枢纽布置紧张、右岸边坡存在顺坡向软弱夹层、泄洪流量大、泄洪时上下游水头差不大等特点,泄洪消能建筑物设计的水力学问题突出且难度大,详细分析了地形地质条件、洪水特性、下游水位流量关系,借鉴三峡、向家坝的工程经验,选择泄洪消能建筑物型式,研究其大泄量、低弗劳德数条件下建筑物布置。泄水闸主要采用底孔泄洪,弧门总推力巨大,其弧门支撑体结构型式的选择也是重大的难题。

1 工程简介

大藤峡水利枢纽工程任务为防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用。水库总库容34.79×108m3,电站总装机容量1 600 MW,工程等别为Ⅰ等,工程规模为大(1)型。黔江混凝土主坝主要建筑物级别为1级,次要建筑物级别为3级,设计洪水标准为1 000年一遇,校核洪水标准为5 000年一遇,泄水闸下游消能防冲建筑物洪水标准为100年一遇。挡水建筑物由黔江主坝、黔江副坝、南木江副坝组成。黔江干流布置黔江主坝,其上布置挡水、泄水、发电、通航、过鱼等建筑物(图1)。黔江拦河主坝坝顶长1 243.06 m,坝顶高程64.00 m,主要由泄水闸、河床式发电厂房、挡水坝段、船闸坝段及其事故门库坝段组成[4]。

2 泄洪建筑物设计与研究

工程坝址洪水峰高量大,5 000年一遇校核洪水峰值达66 200 m3/s,1 000年一遇设计洪水峰值达54 600 m2/s,库区淹没控制标准20年一遇洪水洪峰达39 000 m3/s。为减少库区淹没损失,降低水库淹没投资,泄水闸规模主要受20年一遇洪水时泄洪能力控制。受地形条件限制及厂房和船闸布置影响,在满足泄洪安全的前提下,尽量减少溢流前缘宽度,泄水闸采用了大孔口尺寸的薄壁结构,堰顶高程与河床高程同高,选择带胸墙宽顶堰(即低孔)比较合适,同时可以起到排沙的作用。枢纽布置两岸厂房,考虑排漂和方便调度等因素,在左、右岸厂房侧各布置1个表孔(高孔)。故工程泄水建筑物采用高、低孔组合的布置方案,即高孔主要满足排漂和泄洪要求,采用开敞式实用堰;低孔主要满足泄洪和排沙功能,堰型采用带胸墙宽顶堰。考虑到挡水水头、闸门承受的水推力和枢纽总泄量,经综合比较选择了2个高孔和24个低孔泄水闸布置方案。为了泄洪水流条件好,将泄水闸布置在主河床偏左岸、碾压混凝土纵向围堰坝段两侧,共设2个高孔和24个低孔,泄水闸溢流前缘总长度为436.70 m。为了降低二期土石围堰施工难度,尽量多在纵向围堰左侧布置更多孔泄水闸,兼顾考虑纵向围堰右侧泄水闸能够宣泄小流量洪水,具有更高的调度灵活性,故纵向围堰右侧布置1个高孔和4个低孔,共5孔,坝段长93.40 m;纵向围堰左侧布置1个高孔和20个低孔,共21孔,坝段长343.30 m。

2.1 泄水闸低孔结构设计

泄水闸低孔主要任务是泄洪与排沙,采用平底宽顶堰[5],堰顶高程22.00 m、孔宽9 m、孔高18 m,上游设双胸墙,胸墙最低处底高程为40.00 m,按此孔口尺寸,泄水闸低孔弧门总推力达到72 576 kN,只能选用预应力闸墩,经有限元分析计算主锚索拉锚系数选用2.2,单根锚索永存吨位为4 600 kN,设计吨位为5 600 kN,超张拉吨位为6 100 kN,无论单根锚索吨位还是弧门总推力均居于国内前列。低孔预应力闸墩的主锚索布置采用辐射式平行布置方式。主锚索在闸墩立面上呈辐射状,共布设5层,长短相间,“上二下三”的布置方式,锚束两端分别锚固于闸墩中预留平孔及钢梁上(图2)。

图1 黔江主坝平面布置示意(m)

注:除高程、水位外,其余尺寸单位为cm。

预应力闸墩可选用锚块式支承结构和深梁式支承结构,锚块式支承结构多为简单四边形,结构体型简单,受力性能好,施工较为方便,多应用于大跨度、多孔口结构。深梁式支承结构多应用于高水头泄洪孔,其孔口宽度较小、孔口闸墩为缝墩的闸室结构中,它可以改善闸墩受力偏心状态,提高闸室刚度,减小变形,并具有抵御高烈度地震或高速水流强烈振动的良好性能[6]。结合国内外已建或在建的同类工程,大藤峡预应力闸墩弧门支承结构分析比较钢梁方案与混凝土锚块方案,由于钢梁方案在接触面上与闸墩混凝土是脱开的,完全靠预应力锚索将钢梁与闸墩锚固在一起,不存在闸墩颈部应力问题,整个闸墩处于受压状态,只需满足钢梁与闸墩间张开缝不影响第一排锚索,故弧门支撑体选用钢梁方案。支承钢梁选用单孔简支式箱型梁,梁体为焊接结构,材料为Q355B,钢梁跨度为11.4 m,梁高仅为3.8 m,钢梁两端通过预应力锚索固定于闸墩上。经采用三维有限元计算分析,正常蓄水位工况(右孔闸室关门,左孔闸室开门)为控制工况,在弧门推力及锚索预应力作用下,钢梁结构存在局部的挤压应力,分别为横向加劲肋与锚头相交处、横向加劲肋及隔板人孔周边、隔板与弧门支座相交处。大腹板下在弧门支座与闸墩之间附近部位剪应力峰值为112.1 MPa,达容许剪应力值的86.2%;横向加劲肋人孔周边及与锚头连接处Mises应力值较高,其峰值为176.7 MPa,达到容许应力值的80.3%;隔板与弧门支座相交处局部Mises应力值峰值为239.7 MPa,超出容许值的6.5%,但延伸范围较小(图3)。在弧门推力作用下,钢梁与闸墩张开缝峰值各工况最大值出现在边墩边缘,数值达到2.204 mm,第一排毛所处最大张开缝峰值为0.864 mm,但数值较小。综上所述,钢梁支撑体不需要控制闸墩颈部应力,验算钢梁本身应力满足承载力和稳定要求,控制钢梁与闸墩张开缝大小,解决了钢梁支撑体的设计难题。

图3 控制工况(正常蓄水位,一孔闸室关门、一孔闸室开门)钢梁整体Mises应力

针对水库水位变幅较大,汛期库水位在47.6 m,非汛期库水位61 m,泄水闸低孔在蓄水泄洪和腾空库容过程中,低孔存在从堰流过渡到孔流,存在气蚀的可能,参考三峡工程底孔设计经验,选用有压短洞比较合适,考虑在胸墙部位设置钢衬。通过水工断面试验比较了单胸墙和双胸墙的泄流情况,进一步验证了2种胸墙型式的泄流能力,对胸墙在不同水位下脉动压力进行观测,通过减压试验研究了胸墙是否出现空化现象[7]。按照SL 319—2018《混凝土重力坝设计规范》附录A.2坝身泄水孔体型设计[8],对低孔双胸墙曲线进行设计,经水力学试验及减压试验验证,低孔采用双胸墙方案结构整体性,泄流能力相差不大,双胸墙对进闸水流有较长距离的导流作用,水流和胸墙底缘贴合较好,解决了底缘脱空和负压存在的问题。

大藤峡坝址处多为那高岭组泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩互层,考虑到地基的不均匀沉降等因素,低孔采用墩中分缝的结构分缝型式,比较了单孔一连、两孔一连和三孔一连的结构型式,由于三孔一连坝段长达45.6 m并且对温控要求过高[8],单孔一连坝段长17 m,枢纽布置紧张情况下闸墩所占比例过高,故采用两孔一联的结构分缝型式,边墩厚度4.0 m,中墩厚度5.3 m,坝段长31.3 m。通过FLAC3D无厚度接触摩擦单元[9]和UDEC6.0软件离散单元法[10],对泄水闸坝段基岩内的软弱夹层及断层边界进行了模拟,计算泄水闸坝基深层抗滑稳定性,计算成果表明:当超载系数KP=4.0时,坝基岩体内开始出现塑性破坏区;当超载系数KP=8.0~9.0时,模型内的塑性区贯通,坝基岩体发生破坏,表明通过泄水闸上、下游齿槽及较大断层的基础处理措施,部分泄水闸坝段上游齿槽加深[11],坝基满足深层抗滑稳定要求。

2.2 泄水闸高孔结构设计

泄水闸高孔主要承担排漂和泄洪任务,采用开敞式实用堰,受20年一遇洪水和5 000年一遇校核洪水同时控制,堰顶高程36.00 m,堰高14 m,孔宽14 m,高孔弧门总推力标准值达62 000 kN,只能选用预应力闸墩,泄水高孔弧门支承结构采用混凝土锚块,混凝土锚块宽6.0 m,高7.0 m,厚6.8 m。经有限元分析确定主锚索的永存吨位为4 600 kN,设计吨位为5 600 kN,超张拉吨位为6 100 kN。次锚索永存吨位为2 300 kN,设计吨位为2 800 kN。高孔预应力闸墩的主锚索布置采用辐射式平行布置方式。主锚索在闸墩立面上呈辐射状,共布设5层,长短相间,“上二下三”的布置方式。在锚块体内沿水平方向垂直于主锚索布置次锚索,水平次锚索共布置3排,每排4根,共计12根。

经有限元分析计算沿弧门推力方向的颈部应力运行期工况中颈部区域拉应力峰值为9.31 MPa,控制工况为正常蓄水位遇地震工况,拉应力沿弧门推力方向约为2.88 m的范围超过混凝土抗拉强度标准值;上下方向约6.4 m的范围超过混凝土标准值;超过标准值厚度范围约为0.45 m[12],颈部应力超标的影响深度均控制在第一排锚索范围以外,且超标范围较小,选用的主、次锚索可解决颈部应力超标的问题。

溢流堰上游面坡度为3∶2,堰顶与上游面采用双圆弧曲线衔接,堰面采用WES幂曲线[13],曲线末端下接半径为46 m的圆弧。高孔采用墩中分缝的结构型式,边墩厚4 m,闸墩长67 m,坝段长30.3 m。高孔设弧形工作闸门,由液压启闭机启闭,工作闸门上游设平板事故闸门,选用双向门机操作。

注:除高程、水位外,其余尺寸单位为cm。

3 消能建筑物设计与研究

工程属中低水头径流式水电站,水库为日调节水库,水库调节能力较小,泄洪机率较高。坝址洪水洪峰流量大,最大单宽流量达到176 m3/(s·m),弗劳德数(3.1~4.3)较低。选择消能方式必须考虑如下因素:设计水头、设计流量、河床地质条件、泄水建筑物布置分区及运行调度方式等。工程各个频率洪水上、下游最大水头差不超过18 m,不能形成挑流;另外由于河床及两岸岩石抗冲能力差,水库上、下游运行水位变幅大,不易满足形成面流和戽流的水位条件,而且下游有航运要求,不稳定的水流流态将直接影响船舶的航行,故挑流、面流和戽流的消能方式均不能采用,只能采用底流消能。

初设阶段结合大藤峡水利枢纽水工水力学整体模型试验[14],进行了消能型式比选试验,比选了平底消力池方案、逆坡消力池方案、宽尾墩加消力池方案、逆坡消力池加“T”型墩方案和“工”字型差动尾坎[15]方案,通过试验比较,推荐采用消力池末端设“工”字型差动尾坎。“工”型差动尾坎的特点是在差动的消力池尾坎前放置大头墩,消能效果较好。

技施阶段考虑到本工程左侧部分低孔泄水闸堰顶高程低于滩地高程,汛期低水位运行期间推移质和施工围堰拆除的残留石渣过闸,可能冲击和磨蚀消能工,高水位泄洪时消能工附近流速较高、存在空蚀的风险,进一步研究不设辅助消能工的消能布置方案。水工模型试验在初步设计阶段方案的基础上,研究取消“工”字型差动尾坎的消力池方案。通过试验分析比选,若采用单级平底消力池,由于取消了辅助消能工容易产生远驱水跃,增加消力池尾坎高度(超过堰顶高程22.00 m),在消力池内产生强迫水跃可避免远驱水跃的发生,但同时会影响泄水闸的泄流能力。单级平底消力池方案出口采用差动尾坎消能工时,远驱水跃现象更加严重,有些工况甚至发生挑流流态。因此,若不在消力池内设置辅助消能工,只能采用二级消力池方案。消能型式采用二级消力池,消力池总长175.00 m。其中一级消力池池长115.00 m,池深6.00 m,水平段长度为62.65 m,末端尾坎顶高程22.00 m;二级消力池池长60.00 m,池深5 m,水平段长度25.00 m,末端尾坎顶高程20 m,尾坎与下游河床(高程22 m)采用1∶6斜坡相接。考虑到右区经常宣泄小洪水,消力池容易形成远驱水跃,为使消力池中形成临界水跃流态,将尾坎高程适当抬高,考虑到过度抬高尾坎会增加淹没度,从而增加底流水跃跃首拍打胸墙和弧门支铰的概率,综合各影响因素将右区消力池相比左、中区消力池延长20.00 m,消力池总长为195.00 m,其中一级平底消力池长115.00 m,二级消力池池长为80.00 m,并且将一级消力池尾坎抬高1 m。左、中和右区消力池下游设20 m长海漫,海漫采用混凝土板结构。

泄水闸孔数多达26孔,考虑到运行调度及汛后检修,消力池以纵向围堰和消力池内隔墙为界划分3个消能分区,分别为左区、中区和右区,左区消力池对应左岸厂房右侧的1个高孔和8个低孔,中区消力池对应临近纵向围堰左侧的12个低孔,右区消力池对应纵向围堰右侧的1个高孔和4个低孔。左区和中区采用混凝土挡墙分隔,挡墙顶高程为26.50 m;中区和右区利用下游纵向碾压混凝土围堰分隔,围堰顶高程43.68 m。下泄流量小于5 000 m3/s的洪水开启右区泄水闸,下泄流量大于5 000 m3/s的洪水进而开启中区泄水闸,最后开启左区泄水闸。

一级消力池采用抽排方案,能够有效降低一级消力池护坦扬压力,在一级消力池四周设纵、横排水廊道,廊道内设防渗帷幕和排水幕,从而形成封闭区,将一级消力池周围渗水通过帷幕的阻渗和帷幕后的排水孔降压来降低消力池护坦扬压力。二级消力池不设抽排系统,护坦抗浮稳定主要受检修情况控制,利用锚筋桩加固消力池护坦。

4 结语

大藤峡水利枢纽工程泄洪消能建筑物因其泄洪规模大、运行调度复杂、消能弗劳德数低,采用了底孔泄洪、表孔排漂的泄洪方案,研究了各种辅助消能工的不利因素,化繁为简地采用了二级消力池,利用消力池分区应对复杂的泄洪工况。泄水闸因其弧门推力巨大创造性地选择了钢梁作为支撑体,解决了锚块方案的闸墩颈部应力集中问题,将钢梁和闸墩之间的张开度作为其设计控制标准,具有极强的推广价值。泄洪消能建筑物因其设计难点多,对同类工程具有较好的借鉴作用。

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