水利工程論文-軟基上的水力自控翻板閘門(mén)溢流壩設(shè)計(jì)摘要：碧蓮水電站攔水壩系建在軟基上的水力自控翻板閘門(mén)溢流壩，此壩型可有效地減少上游的洪水淹沒(méi)損失及水庫(kù)泥沙淤積；同時(shí)，采用地下混凝土連續(xù)墻進(jìn)行地基防滲處理及面流消能，節(jié)省了工程投資。該工程的設(shè)計(jì)對(duì)其他建固定壩淹沒(méi)損失過(guò)大或在軟基上建造的低重力式堰壩的類(lèi)似工程具有參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：水力自控翻板閘門(mén)軟基地下混凝土防滲墻面流消能碧蓮水電站碧蓮水電站位于浙江省永嘉縣楠溪江的最大支流小楠溪上。壩址以上集水面積為425km2，多年平均徑流總量4.89億m3，正常蓄水位83.04m，總庫(kù)容152.5萬(wàn)m3，引水系統(tǒng)全長(zhǎng)2993m，電站加權(quán)平均水頭17.4m，裝機(jī)容量4800kW，總投資2983萬(wàn)元。工程等別為四等，電站采用股份合作制集資。1壩址工程地質(zhì)條件碧蓮水電站壩址處溪流流向近東西向，河床底高程74.53m，河底寬約80m。壩址區(qū)地層巖性為侏羅系上統(tǒng)諸暨組a段(J3Za)，灰色晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r。壩址區(qū)無(wú)斷層通過(guò)，僅左、右岸各有一組節(jié)理。碧蓮水電站壩址區(qū)左、右岸山坡基巖裸露，凝灰?guī)r弱風(fēng)化帶厚12m，巖石完整堅(jiān)硬。壩址河床上部為第四系砂礫卵石覆蓋層(Q4)，厚113m，下伏基巖塊狀堅(jiān)硬，弱風(fēng)化帶厚12m。第四系覆蓋層(Q4)砂礫卵石和卵石層為強(qiáng)極強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)為25180md；基巖具裂隙透水性，左、右山坡及河床相對(duì)隔水層埋深在基巖面以下12m。壩基混凝土與弱風(fēng)化巖抗剪參數(shù)f=0.9，c=0.7MPa；混凝土與砂卵石摩擦系數(shù)f=0.5。承載力標(biāo)準(zhǔn)值：弱風(fēng)化巖fk=17001800kPa，砂卵石層fk=300350kPa，卵石層fk=400500kPa。2壩型選擇該電站為低水頭引水電站，為了洪水期不淹沒(méi)上游岸上較低處的民房、不遷移人口以及不淹沒(méi)左岸省道永縉公路，而平時(shí)又能適當(dāng)抬高水位增加發(fā)電效益，因此只有采用活動(dòng)壩。因橡膠壩存在老化快、易破壞、壽命短、難管理且運(yùn)行費(fèi)用高、投資又大等缺點(diǎn)，橡膠壩方案被舍棄。經(jīng)比較最終采用水力自控翻板閘門(mén)壩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“閘壩”，見(jiàn)圖1)。圖1水力自控翻板閘門(mén)壩示意(單位：m)3閘壩設(shè)計(jì)3.1結(jié)構(gòu)布置閘壩由閘門(mén)、溢流壩及下游護(hù)坦3部分組成。3.1.1閘門(mén)閘門(mén)采用水力自控雙鉸翻板閘門(mén)，由預(yù)制鋼筋混凝土面板、支腿、支墩與滾輪等構(gòu)件組裝而成。閘門(mén)系利用水力和杠桿原理，使其繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉的目的。由于設(shè)計(jì)中采用連桿結(jié)構(gòu)等措施，可有效地防止“振動(dòng)”、“沖撞”、“浮走”等現(xiàn)象的產(chǎn)生。當(dāng)水庫(kù)水位高于正常蓄水位0.35m，即上升至啟門(mén)水位83.39m時(shí)，閘門(mén)就自動(dòng)翻倒成傾斜狀，宣泄洪水同時(shí)沖沙，其最小傾角為10。當(dāng)水庫(kù)水位下降至回門(mén)水位82.24m時(shí)，閘門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，攔蓄河水。閘門(mén)頂高程83.04m，門(mén)高4m，單扇寬度8m，共11扇，總寬88m。閘門(mén)面板由上部3塊槽形板和下部3塊矩形板拼接而成。每扇閘門(mén)均采用雙支腿、支墩，其位置在板端1.8m處。閘門(mén)面板、支腿、支墩均采用C25混凝土預(yù)制構(gòu)件，支鉸系統(tǒng)采用鋼結(jié)構(gòu)，止水采用平板與P型橡皮。3.1.2溢流壩溢流壩長(zhǎng)88m，壩頂高程79.04m，壩底高程72m，最大壩高7.04m，屬低堰。壩身底寬12m，另利用部分下游護(hù)坦(長(zhǎng)8m)作為壩的懸臂底板，以控制壩基最大與最小應(yīng)力比值及提高抗滑穩(wěn)定性。為提高閘壩的泄流能力，根據(jù)低堰行近流速影響不可忽略的情況，溢流堰面形狀選擇WESV型。定型設(shè)計(jì)水頭Hd=7m，堰頂上游段曲線方程為Y=0.4892X0.998-0.2199X1.75；下游堰面曲線方程為Y=0.1243X1.75；堰面曲線下接反弧段，半徑為8m，中心角17，跌坎挑角15，跌坎高度4.94m(從下游護(hù)坦高程73.70m起算)。3.1.3下游護(hù)坦該工程泄洪采用面流消能，但因護(hù)坦系砂卵石地基，為防止下泄洪水沖刷河床危及閘壩穩(wěn)定，必須設(shè)下游護(hù)坦防沖。根據(jù)工程類(lèi)比與有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，護(hù)坦長(zhǎng)度為30m，首端厚度根據(jù)防沖要求為1.70m，末端厚度0.85m，護(hù)坦底板高程72m。護(hù)坦中后段長(zhǎng)22m，1001500mm的排水孔以減少滲透壓力。護(hù)坦末端設(shè)坎使上部形成一個(gè)平均深度為1.725m的消力池。壩體采用C15混凝土埋塊石，堰面及下游懸臂底板采用C20混凝土，護(hù)坦采用C15混凝土。3.2基礎(chǔ)處理壩址河床段弱風(fēng)化基巖層埋深達(dá)13m左右，若清除全部砂礫石，則投資大、施工難。經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用地下混凝土防滲墻方案，即將最上層厚2.63.0m的松散砂卵石清除掉，而將壩基持力層置于中層稍密的卵石層上，高程72m，壩踵以下澆筑地下混凝土連續(xù)墻防滲，厚1.2m，混凝土標(biāo)號(hào)C20，深入弱風(fēng)化基巖以下12m。防滲墻與上部壩踵設(shè)銅片止水。3.3壩體應(yīng)力及穩(wěn)定計(jì)算該壩屬軟基上的溢流重力壩，參照SDJ21-78混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范和SD133-84水閘設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定及本壩實(shí)際情況，對(duì)以下2組荷載組合進(jìn)行了計(jì)算?；窘M合：正常蓄水位靜水壓力泥沙壓力壩體自重?fù)P壓力浪壓力；特殊組合：校核洪水位靜水壓力泥沙壓力壩體自重?fù)P壓力動(dòng)水壓力浪壓力。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，壩的應(yīng)力采用材料力學(xué)方法計(jì)算，抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪強(qiáng)度公式，混凝土與卵石的摩擦系數(shù)f取0.5。河床部分壩體的計(jì)算成果見(jiàn)表1，壩基應(yīng)力滿足卵石層地基承載力要求，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力比值及抗剪安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。表1壩體穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果荷載組合壩基應(yīng)力MPa平均應(yīng)力MPa最大與最小應(yīng)力比值抗剪安全系數(shù)K上游面下游面基本組合0.1130.0470.0802.401.22特殊組合0.0690.0610.0651.131.183.4水力計(jì)算溢流堰堰頂高程為79.04m，堰長(zhǎng)88.0m。泄洪計(jì)算根據(jù)翻板門(mén)過(guò)水的機(jī)理，門(mén)上、門(mén)下分別按傾斜矩形薄壁堰和孔口出流兩種方法計(jì)算過(guò)流量：設(shè)計(jì)洪水時(shí)堰頂水頭7.30m，洪水位86.34m，下泄流量2965m3s，單寬流量33.69m3s，相應(yīng)下游水位82.50m；校核洪水時(shí)堰上水頭8.40m，洪水位87.44m，下泄流量4155m3s，單寬流量47.22m3s，相應(yīng)下游水位84.10m。由于該壩屬低堰，下游尾水較深，沒(méi)有通航要求，為了降低消能工投資并有利于漂浮物下泄，采用面流消能。閘壩跌坎高4.94m，大于校核工況發(fā)生面流所必需的最小坎高2.28m。面流各區(qū)界水深采用南京水科院的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，沖刷深度采用長(zhǎng)委水科院的經(jīng)驗(yàn)公式估算。因該壩下游為鋼筋混凝土護(hù)坦防沖，因而近似地按巖基河床計(jì)算沖刷深度。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)工況時(shí)下游水深大于第一區(qū)界水深而小于第二區(qū)界水深，發(fā)生自由面流，沖刷深度小于水墊，不會(huì)沖刷護(hù)坦，消能效果非常好；當(dāng)校核工況時(shí)，下游水深大于第二區(qū)界水深而發(fā)生混合面流，沖刷深度略大于水墊，對(duì)護(hù)坦略有沖刷，但因護(hù)坦按抗沖設(shè)計(jì)，因此也是安全的。計(jì)算成果見(jiàn)表2。表2面流計(jì)算成果運(yùn)行工況下游水深第一區(qū)界水深第二區(qū)界水深第三區(qū)界水深沖刷深度設(shè)計(jì)洪水(p=5%)8.907.369.1110.276.61校核洪水(p=1%)10.358.4010.0010.634結(jié)語(yǔ)由于該工程采用了水力自控翻板閘門(mén)活動(dòng)壩，閘門(mén)平時(shí)擋水發(fā)電，洪水期翻倒泄洪沖沙，有效地減少了上游的洪水淹沒(méi)損失及水庫(kù)泥沙淤積，同時(shí)閘壩又