浅谈风沙壳水电站引水枢纽防洪冲沙闸设计

浅谈风沙壳水电站引水枢纽防洪冲沙闸设计

1沙川坝保水电站汉江水库位于白龙江支流舟曲县上草乡上游约6.0公里处。这是白龙江-沙川水库河段的第12级水电站（自下而上），用于规划和调整是从白龙江-沙川水库到柴达水库的水的转换。上游是西家沟水库，下游是沙川水库。纪念碑位于距夏曲县约21公里，兰州约394公里。工程主要任务是发电,采用引水式开发。本电站工程由引水枢纽、引水发电系统及发电厂区三部分建筑物组成。引水枢纽正常蓄水位1469.00m,电站总装机容量52.5MW,单机容量17.5MW,年发电量2.41亿kW·h,属三等(中型)工程。主要建筑物为3级,次要建筑物及临时建筑物为4级。2设计断面和洪水分析白龙江是嘉陵江的一级支流,发源于秦岭西延部分的岷山郎木寺以西的郭尔莽梁北麓,源地海拔高程4072m,西北东南流向,流经甘、川两省于四川昭化注入嘉陵江。凉风壳水电站枢纽以上流域面积8586km2,电站上游23.0km处设有立节水文站,集水面积8434km2。通过对白龙江立节站实测径流系列1954~2004(调节年度5月~翌年4月)共51年年径流进行频率分析计算,用矩法初估参数,采用P—Ⅲ型曲线经适线后,求得立节站多年平均流量为Qo=75.4m3/s,Cv=0.22、Cs/Cv=2.0。凉风壳水电站工程坝址和立节站控制流域面积相差4.4%,因此,凉风壳水电站工程坝址径流成果可用面积比将立节站频率计算成果推算至设计断面,多年平均流量为78.9m3/s。以立节站1954~2004年51年实测年最大洪峰流量系列,加入1904年历史洪水,用矩法初估统计参数,采用P-Ⅲ型曲线,用适线法,求得立节站的洪峰流量均值为Qm=450m3/s,Cv=0.66,Cs=4.0Cv。凉风壳水电站工程坝址和立节站控制流域面积相差不大,本次凉风壳水电站工程坝址设计洪水成果可采用立节水文站洪水成果按面积比的一次方计算得到。凉风壳水电站设计洪水成果见表1。根据立节水文站1964~2004年泥沙资料统计,多年平均输沙量147万t,多年平均输沙模数179t/km2。由此计算出凉风壳水电站多年平均入库沙量154万t,多年平均流量为78.9m3/s,计算得多年平均含沙量为0.619kg/m3,推移质按悬沙的25%考虑,推移质输沙量为38.5万t。3工程地质条件枢纽区白龙江河谷呈基本对称的“U”型,河谷宽约150m,现代河床由Ⅰ-Ⅱ级阶地及基岩组成,Ⅰ-Ⅱ级阶地上覆低液限粉土下为大厚度的卵石混合土,现代河床宽约100m;河床河谷两侧为基岩山体,边坡陡峻,较适宜布置坝肩和隧洞进水口。坝址处河流方向为SE125°,河床宽约100m,水面宽约45m,河面水位高程1463.97m。河床上部松散堆积物由第四系全新统冲洪积物和河漫滩段组成,河漫滩主要分布于河流右侧,宽约130m,该河段左岸发育有Ⅰ、Ⅱ级阶地,阶面高出河水面约3~9m,地形平坦。从左往右各段工程地质条件分述如下:左坝肩,长115.656m,基岩山坡,坡度约35°,岩性为中上志留系板岩(局部覆盖有0.5~2m厚的坡积碎石土),新鲜面呈银灰色、灰色,风化面呈灰白色、灰褐色,鳞片变晶结构,板状构造。白龙江Ⅰ级阶地,长35.712m,地面高程在1465~1485m之间,顶部为0.5~3m厚的坡积碎石土,下部为厚3~25m的卵石混合土(SICb),岩性主要为砂岩及硅质岩等,青灰色,磨园度较好,分选性一般,浑圆-次圆状,中密。白龙江河床,地面高程在1463~1464m之间,长45.342m,上部为级配不良砾(GP),厚约2~8m,卵砾石成份主要为青灰色硅质岩及砂岩等,一般粒径约为2~9cm,磨圆度较好,呈浑圆-次圆状,稍密,渗透系数约k=6.4×10-2cm/s。下部为卵石混合土(SICb),厚约20~40m,建议级配不良砾允许承载力430kPa,卵石混合土允许承载力为450kPa,砼/石摩擦系数为0.51。白龙江Ⅰ级阶地,地面高程在1464~1495m之间,长132.980m,上部为厚5~45m的卵石混合土(SICb)下部为中上志留系板岩,属弱透水岩层。右坝肩,长22.880m,基岩山坡,坡度约30°,上部覆盖有0.5~3m厚的坡积碎石土,下部为中上志留系板岩,强风化层厚约3~5m,下为弱风化岩体,属弱透水岩层。除左、右坝肩置于基岩中外,坝、闸基础大部分将置于砂砾卵石上,其为强透水性,渗透系数约k=6.1×10-2cm/s,坝、闸基主要存在渗漏、渗透变形及闸基基坑涌水问题。4洪水枢纽工程凉风壳电站为引水式电站,由枢纽、引水系统和厂区三大部分组成。本电站可行性研究报告由甘肃省甘兰水利水电建筑设计院完成,并委托中国水电顾问集团西北勘测设计研究院、贵阳勘测设计研究院的相关专家进行咨询把关,并经甘肃省政府投资项目评审中心评审通过,最终确定了枢纽建筑物布置。引水枢纽为一综合建筑物,担负着引水、泄洪和冲沙等任务,坝轴线位于逢迭乡上游约7km处。此处河床宽约100m,布置采取凹岸侧向引水,正向泄洪冲沙的型式。枢纽由进水口、泄冲闸和溢流坝组成。进水口紧靠泄冲闸右侧布置于河流右岸,泄冲闸布置于主河槽,溢流坝靠泄冲闸左侧布置于主河床左侧,进水口中心线与泄冲闸中心线夹角为67.78°。进水口由拦污栅段、前池、闸室段组成,总长度42.8m。拦污栅为4孔10m,底板高程1464.80m,进水闸为单孔7.8m,底板高程为1460.70m。泄洪冲沙闸总宽度70m,5孔单宽10m,闸底板高程为1463.00m。溢流坝长度10m,坝顶高程1469.0m,坝高10.0m。泄冲闸和溢流坝均采用底流式消能。枢纽正常蓄水位1469.00m,设计洪水位1469.50m,校核洪水位为1471.783m,闸墩顶高程1473.00m。5冲沙闸排沙方式泄洪冲沙闸共5孔,其中1孔为冲沙闸,其余4孔为泄洪闸。冲沙闸布置于泄洪闸的右侧,紧靠电站进水口采用正向排沙方式,汛期兼顾泄洪。泄洪冲沙闸由铺盖、闸室段、消力池段组成,顺水流方向长度72m。5.1计算的河水5.1.1洪水重现期校核设计洪水重现期为50年,相应洪峰流量1420m3/s;校核洪水重现期为300年,相应洪峰流量2100m3/s;消能防冲洪水重现期为30年,相应洪峰流量1230m3/s。5.1.2计算的河水1枢纽校核计算电站发电引水流量为140m3/s,枢纽正常蓄水位1469.00m,坝顶高程1469.0m。泄冲闸、溢流坝泄流时均为堰流,因此按堰流流量公式计算:Q=δεmb√2gΗ(3/2)0(1)Q=δεmb2g−−√H(3/2)0(1)式中:Q——过闸(坝)流量(m3/s);m——堰流流量系数,泄冲闸取0.385,溢流坝取0.49;δ——堰流淹没系数,泄流时按敞泄考虑,无淹没,闸坝均取1;ε——堰流侧收缩系数,按照闸墩布置型式,经计算,泄冲闸取0.901,溢流坝取1;b——闸(坝)孔总净宽度(m),泄冲闸50m,溢流坝10m。经计算,枢纽校核洪水位:1471.783m,其中:闸泄1999m3/s,坝泄101m3/s,相应下游水位:1467.75m;设计洪水位:1469.50m,其中:闸泄1273m3/s,坝泄7m3/s,相应下游水位:1466.90m;消能防冲水位:1468.86m,闸泄1090m3/s。2消力池池深、密度的确定根据《水闸设计规范》(SL265-2001),消力池池深、池长按照以下公式计算:d=σ0h″0-h′s-ΔZ(2)h″=h02(√1+8αq2gh3c-1)(b1b2)0.25(3)h3c-Τ0h2c+αq22gϕ2=0(4)ΔΖ=αq22gϕ2h′2s-αq22gh″2c(5)Lj=0.8×6.9(h″c-hc)(6)t=k1√q√ΔΗ′(7)经试算,池深d=1.25m,hc=2.18m,hc″=5.73m,Lj=19.6m。根据以往工程经验,最终确定消力池池深1.5m,池长24.0m。取k1=0.2,计算出消力池底板厚度t=1.101m,确定取值1.2m。32海上波浪的长度确定Lp=Κs√q√ΔΗ′(8)根据地质条件Ks取11,计算出Lp=56.76m。5.2海飘带截流权的施工根据坝址地形、河床地质条件及水力计算的结果,枢纽泄冲闸布置为5孔10m,总宽度70m,由铺盖、闸室段、消力池段组成。泄冲闸顺水流方向112m,闸室长度23m。闸墩顶高程1473.00m,闸底板高程1463.00m,厚度2.0m,闸底板前齿墙基础面高程1459.00m,最大闸高14.0m。泄冲闸单孔净宽10.0m,采用平底泄洪,末端6.0m采用1∶4的坡度与消力池相接,闸室砼采用C30。边墩宽度2.0m,中墩4.0m,闸墩上下游采用圆形墩头,中墩设纵缝,使每个闸室自成一体。泄冲闸设有检修门槽,5孔共用一扇平板检修门,孔口尺寸10.0×6.0m(宽×高),采用DMS2×250kN-12m门机起吊。工作闸门5扇,采用弧型钢闸门,孔口尺寸为10.0×6.0m(宽×高),采用2×500kN液压启闭机启闭,启闭机的动力站及电控箱置于闸墩顶面的液压启闭机油泵室。闸室上游设长25.0m、厚0.6m的钢筋砼铺盖。铺盖前缘设深4.0m齿墙,以达到截流防渗的目的。闸后设长24.0m的消力池,厚度1.2m,为减小扬压力,消力池底板下设0.5m厚的砂砾石反滤层,并埋设DN75PVC排水孔,排水孔呈梅花型布置,间距2.0m。由水力计算结果可知,海漫计算长度较长,结合以往工程经验,最终确定海漫长度40m,C20砼20m,钢筋笼块石20m,后接自然河床。具体尺寸如图1所示。5.3水平和支护压力水闸承受的主要荷载有:自重、水重、水平水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、土压力及地震力等。本工程泄冲闸为单孔布置,取1孔闸作为计算单元。5.3.1正常挡水位计算Κc=f∑G∑Η(9)根据地质资料,f=0.5。由计算结果可知,正常挡水位时,Kc=1.57,大于规范允许值1.25;校核洪水位时,Kc=5.665,远大于规范允许值1.1。5.3.2/pmn对地基承载力的影响Ρmaxmin=∑GA±∑ΜW(10)由计算结果可知,正常挡水位时,Pmax/Pmin=1.11,小于规范允许值1.5,地基承载力为302kPa,小于地基允许承载力430kPa;校核洪水位时,Pmax/Pmin=1.23,小于规范允许值2.0,地基承载力为247kPa,小于地基允许承载力430kPa。5.3.3渗流坡降计算由于闸基础均置于砂砾卵石上,为强透水性,且闸室纵向地下轮廓线较长,上下游最大水位差7.5m,为了减小渗透压力,防止管涌现象发生,在闸前设置防渗铺盖25m。经过对闸体地下轮廓线进行渗流计算,在上游正常