溪洛渡水電站地下廠房進水口設(shè)計

關(guān)鍵字：結(jié)構(gòu)計算高程布置邊坡開挖進水口豎井攔污柵進水塔

溪洛渡水電站地下廠房進水口設(shè)計田華（國家電力公司成都勘測設(shè)計研究院，四川成都610072）

摘要：從地質(zhì)條件、進水口型式選擇、水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，較為詳細地介紹了溪洛渡水電站地下廠房進水口的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：地下廠房；進水口；型式；水力設(shè)計；結(jié)構(gòu)計算；邊坡；溪洛渡水電站

1前言

溪洛渡水電站采用首部開發(fā)的地下式廠房，廠房分左右兩岸對稱布置，各安裝9臺700MW水輪發(fā)電機組，總裝機容量12600MW。電站設(shè)計水頭180m，單機引用流量423．8m3／s。水庫正常蓄水位600m，死水位540m，水庫水位消落深度60m。引水發(fā)電系統(tǒng)由電站進水口、壓力管道、地下廠房、尾水調(diào)壓室、尾水洞和尾水出口等建筑物組成，引水系統(tǒng)采用“單機單管”供水，尾水系統(tǒng)采用“三機一室一洞”的布置格局。

2進水口地形、地質(zhì)條件

溪洛渡壩址區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，谷肩高程在800．00m以上，但壩軸線上游250～550．00m范圍內(nèi)，在550．00～650．00m高程之間左右岸均存在中等緩坡臺地，坡度為40°～45°，水平寬度100～150m，具備布置廠房進水口建筑物的有利地形。廠房進水口一帶從谷底至谷肩自然斜坡高490～510m，兩岸谷坡基本對稱，自然邊坡坡形較為完整，無大規(guī)模斜坡失穩(wěn)的形貌特征。左右岸進水口區(qū)域基巖由二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖（P2β）組成。

進水口基礎(chǔ)左岸大部分置于P2β8層中部含斑玄武巖上，局部置于P2β8層頂部的角礫集塊熔巖上；右岸大部分置于P2β7層中部含斑玄武巖上，局部置于P2β7層頂部角礫集塊熔巖上。P2β7、P2β8層內(nèi)錯動帶較發(fā)育，但以裂隙巖塊型為主，錯動帶寬一般1～5cm，多為石英綠簾石條帶，擠壓緊密，錯動面起伏光滑，見擦痕，上、下盤影響帶寬一般10～30cm。除層內(nèi)錯動帶及其影響帶外，裂隙相對不發(fā)育，局部成帶出現(xiàn)，方向較零亂，一般延伸短小，裂面新鮮，無充填，結(jié)合緊密。左岸塔基大部分為弱風化下段巖體，少部分為微新巖體；右岸塔基大部分為弱風化下段巖體，局部為微新巖體?？傊?，兩岸進水塔基礎(chǔ)巖體堅硬，完整性較好，在開挖范圍內(nèi)無大型不利組合塊體和變形體存在，塔基穩(wěn)定，承載力能滿足要求。

3進水口型式選擇

溪洛渡水電站為巨型水電站，裝機臺數(shù)多，單機容量大，水庫水位消落深度大，相應(yīng)進水口的規(guī)模也大。根據(jù)電站樞紐布置方案并結(jié)合電站進水口地形、地質(zhì)條件，選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的進水口型式是進水口設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一。適宜的進水口型式主要有岸塔式、豎井式和地下豎井式。

3．1岸塔式進水口

岸塔式進水口利用左右岸岸坡550．00～650．00m高程的中等緩坡臺地分別布置，進水口前緣基本沿河道水流方向布置。左岸進水口距左壩肩約500m，9孔進水口呈一字型并排布置。根據(jù)進水口區(qū)域的地形、地質(zhì)條件，以及與壓力管道和廠房協(xié)調(diào)連接，塔體前緣方位角設(shè)為NW48°，總長度281．00m，進水口孔口中心線間距31．06m。右岸進水口距右壩肩約450m，9孔進水口呈一字型并排布置，塔體前緣總長度296．00m，方位角NW55°。進水塔塔頂高程613．00m，塔基高程513．00m，進水塔底板高程518．00m，塔底寬度（順水流向）29．00m，塔頂寬度28．00m，塔高100m。塔基置于弱風化下段巖體上。塔后560m高程以下與岸坡相接，塔體及兩座交通橋與岸邊公路連接。詳見圖1。

3．2露天豎井式進水口

左右岸前緣長度及方向與岸塔式進口相同，進水口前緣設(shè)斜坡式攔污柵，坡度為1∶0．4，攔污柵斜坡基礎(chǔ)置于弱風化巖體上，柵頂操作平臺高程613．00m。豎井距進口攔污柵的水平距離為39．72m，豎井開挖采用圓形斷面，開挖直徑18．50m，豎井中上部置于弱風化巖體內(nèi)，下段置于微新巖體內(nèi)。豎井內(nèi)設(shè)工作閘門、檢修閘門及通氣孔。開挖邊坡分三級平臺，從下至上平臺高程分別為516．00m、595．50m、613．00m。詳見圖2。

3．3地下豎井式進水口

將豎井及頂部啟閉機室設(shè)于山體內(nèi)，用橋機啟閉工作閘門及檢修閘門。為使啟閉機室具有成洞條件，將啟閉機室和豎井置于微新巖體內(nèi)，豎井結(jié)構(gòu)尺寸與豎井式相同。進口設(shè)地面斜坡式攔污柵，布置同豎井式攔污柵。地下豎井距進口攔污柵的水平距離為157．00m。詳見圖3。

3．4進水口型式比較

（1）地形、地質(zhì)條件：三種型式進水口的地形、地質(zhì)條件基本相同，地下豎井式的啟閉機和豎井由于全置于微新巖體內(nèi)，地質(zhì)條件最優(yōu)。

（2）建筑物布置：岸塔式進水口布置緊湊，攔污柵、檢修閘門和工作閘門可共用一套啟閉設(shè)備。但由于塔體高達100m，結(jié)構(gòu)抗震性相對較差，同時對外交通還須設(shè)置交通橋。豎井式進水口布置較分散，攔污柵清污需另增設(shè)一套啟閉設(shè)備。由于攔污柵閘斜靠在岸坡上，且進水閘置于豎井內(nèi)，結(jié)構(gòu)抗震性能較好。

（3）施工條件：岸塔式進水口施工干擾小，施工較為方便。而豎井式進水口隧洞段和豎井施工干擾較大，施工較為不便。

（4）運行和維護條件：豎井式進水口攔污柵傾斜布置，起吊和清污都較難；攔污柵閘至豎井的隧洞段無檢修條件。

（5）相對投資：經(jīng)估算，岸塔式進水口直接投資為10億元，露天豎井式進水口直接投資為11．9億元，地下豎井式進水口直接投資為13．3億元。露天豎井式進水口比岸塔式多投資約1．9億元，地下豎井式進水口比岸塔式多投資約3．3億元，岸塔式進水口投資最省。

經(jīng)以上綜合比較，岸塔式進水口具有明顯優(yōu)勢，因此推薦采用岸塔式進水口。

4進水口結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

論文溪洛渡水電站地下廠房進水口設(shè)計來自

4．1進水口結(jié)構(gòu)布置

岸塔式進水口前緣基本平行于河道水流方向，分左右岸布置。左右岸各9孔進水口，分別呈一字型并排布置。為減少開挖量，進水口前緣方向應(yīng)盡量平行等高線的方向。左岸地下廠房軸線方位角為NW24°，根據(jù)引水系統(tǒng)的整體布置格局，左岸進水塔前緣方位角為NW48°，與廠房軸線成24°夾角。塔體總長度281．00m，進水口孔口中心線間距31．06m；進水塔塔頂高程613．00m，塔基高程513．00m，進水塔底板高程518．00m，塔底寬度29．00m，塔頂寬度28．00m，塔高100m。塔基置于弱風化下段巖體上。進水塔前半部為攔污柵閘，每孔進水口共設(shè)有5孔攔污柵閘。進水口后半部稱主塔體，為進水閘室結(jié)構(gòu)，采用喇叭型進口，內(nèi)設(shè)檢修閘門槽、工作閘門槽和通氣孔，通氣孔后與壓力管道漸變段相接。檢修閘門孔口寬8．00m，孔口高10．40m。工作閘門孔口寬8．00m，孔口高10．00m。攔污柵閘和主塔體之間采用隔墻和縱撐連接。進水塔頂層設(shè)有啟閉機室、油泵室、儲門槽、儲柵槽等，塔體之間設(shè)置門機軌道梁和連接橋。進水塔通過交通橋與岸邊公路連接。右岸進水口結(jié)構(gòu)布置與左岸類似，右岸地下廠房軸線方位角為NW70°，右岸進水塔前緣方位角為NW55°，與廠房軸線成15°夾角。塔體總長度296．00m。根據(jù)引水系統(tǒng)總體布置，進水口孔口中心線間距32．84m，其余結(jié)構(gòu)尺寸和左岸進水口相同。進水口平面布置見圖4。

4．2進水口水力計算和水力模型試驗

4．2．1進口淹沒深度計算

根據(jù)《水電站進水口設(shè)計規(guī)范》（SDJ303－88）（試行），按防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦和防止進水口產(chǎn)生負壓考慮，計算采用戈登公式，計算得孔口最小淹沒深度為10．73m，淹沒深度取12m。電站最低運行水位為540．00m，則進水口底板高程確定為518．00m。

4．2．2進水塔平臺高程確定

考慮在校核洪水情況下，不淹進水口工作閘門液壓啟閉機室，校核洪水位為607．94m，啟閉機室高度約5m，故塔頂高程確定為613．00m。

4．2．3水力模型試驗

溪洛渡水電站水庫運行水位變幅大，電站在不同水位運行時進水口水流條件有較大差別，為了獲得好的進水口體型，并為確定進水口的淹沒深度提供依據(jù)，進行了水工模型試驗研究。

從模型試驗成果看，擬定的進水口底板高程518．00m的布置方案，在死水位540．00m以上運行時，流態(tài)較好。為了論證進水口合理的淹沒深度，進行了水庫死水位以下進水口運行的試驗。流態(tài)觀察結(jié)果表明，在較小的范圍內(nèi)減小進水口的淹沒深度對機組的正常取水和安全運行不會產(chǎn)生很大影響，但考慮到模型試驗結(jié)果與電站實際情況有一定差異，為確保電站運行安全可靠，參考國內(nèi)幾座同類型大型電站所采用的進水口淹沒深度，確定進水口的淹沒深度為12．00m。進水口在各種庫水位下運行時有強弱程度不同的表面漩渦發(fā)生，但都不形成吸氣漩渦，不影響電站正常運行。各種庫水位下進水口前緣水域均無回流區(qū)，且僅當水庫水位接近死水位時才有時隱時現(xiàn)的表面漩渦發(fā)生，進口段水流平穩(wěn)順暢，閘門井水位波動較小。

4．3進水口結(jié)構(gòu)計算分析

4．3．1進水塔整體穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力計算

左右岸進水口塔體均建在L型地基上，塔基大部分位于弱風化下段含斑玄武巖地基上。對塔基應(yīng)力按L型地基進行計算。

4．3．1．1計算基本假定

（1）將塔體視作剛體，在荷載作用下巖體受擠壓變形產(chǎn)生抗力；

（2）L型地基變形符合文克爾假定，抗力或反力按線性規(guī)律分布，塔背抗力不受閘孔影響，自下而上連續(xù)分布；

（3）塔背與岸邊基巖緊密連接。

4．3．1．2塔體基礎(chǔ)應(yīng)力分析

塔體基礎(chǔ)應(yīng)力計算成果見表1。從表1可以看出，塔基及塔背的壓應(yīng)力值均小于基礎(chǔ)的允許承載力（7～9MPa），基礎(chǔ)承載力滿足要求。塔基在各種工況下均無拉應(yīng)力出現(xiàn)，塔背雖產(chǎn)生了一定量級的拉應(yīng)力值，但與假定基礎(chǔ)為剛體有關(guān)，拉應(yīng)力值可能有一定的失真。通過在塔背部位設(shè)置錨筋，可以解決塔背拉應(yīng)力問題。

4．3．2進水塔結(jié)構(gòu)靜力、動力分析和模型試驗研究

針對溪洛渡水電站進水口規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程區(qū)域為8度高地震區(qū)的特點，進行了結(jié)構(gòu)靜力、動力計算分析和模型試驗研究。

4．3．2．1結(jié)構(gòu)靜力、動力分析計算

采用ANSYS三維結(jié)構(gòu)靜力、動力非線性有限元分析程序，對進水塔進行三維有限元計算，著重分析攔污柵框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力、閘室孔口各周邊應(yīng)力、塔基及塔背的應(yīng)力分布。進水塔結(jié)構(gòu)靜力、動力計算在各工況下的最大應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

應(yīng)力計算分析表明，進水口結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下，主要薄弱環(huán)節(jié)在以下兩個部位：底板上表面中部，下部縱撐與閘墩連接處；在動力荷載作用下，攔污柵中上部縱撐與閘墩交接部位比較薄弱，由于應(yīng)力集中的影響，拉、壓應(yīng)力較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)對這些部位引起重視。

4．3．2．2結(jié)構(gòu)動力模型試驗

進水口結(jié)構(gòu)為1∶100的正態(tài)有機玻璃模型，選取中間5孔進行模型模擬，將模型固定在MTS水下地震模擬臺上，以輸入正弦波按反應(yīng)譜法計算地震響應(yīng)和設(shè)計地震振動情況下的人工隨機波進行試驗。主要試驗內(nèi)容為：進水口結(jié)構(gòu)的動力特性（頻率、模態(tài)）；閘門關(guān)閉情況下的地震動水壓力；設(shè)計地震下的地震響應(yīng)。

模型試驗表明，山體與水體對閘墩模型的y向（順水流方向）地震反應(yīng)特性影響較大，而對x向（橫水流方向）地震反應(yīng)特性影響較小。結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以攔污柵后縱撐的應(yīng)力反應(yīng)最大，橫撐和攔污柵胸墻次之，攔污柵墩所受動應(yīng)力相對較小。對于塔體的動水壓力，實測值與按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》計算的動水壓力分布的計算結(jié)果比較接近。

4．4進水口邊坡支護設(shè)計

左右岸進水塔的塔體前緣開挖高程516．00m，塔基開挖高程513．00m，塔基置于弱風化下段巖體上，開挖邊坡左岸切割P2β8～P2β12巖流層、右岸切割P2β7～P2β11巖流層，邊坡上無斷層或弱面切割，開挖邊坡不存在巖體整體穩(wěn)定問題。塔體開挖邊坡最大高度左岸約150m，右岸約160m。為了適應(yīng)進水口的布置和壓力管道進洞的要求，高程513．00～560．00m開挖邊坡采用垂直開挖，高程560．00m以上邊坡，弱風化下段巖體開挖坡比1∶0．25，弱風化上段弱卸荷巖體開挖坡比1∶0．45。在613．00m高程設(shè)10m寬的馬道，兼作交通公路。邊坡上發(fā)育有層間、層內(nèi)錯動帶，雖產(chǎn)狀平緩，可能構(gòu)成局部穩(wěn)定較差的滑移塊體。針對開挖邊坡的特點，主要采取了以下工程處理措施：

（1）噴混凝土。開挖邊坡坡面上采用噴混凝土保護，噴混凝土標號C25，噴層厚度0．10m。

（2）