公伯峡水电站水利水电工程中旋流消能工的选择

公伯峡水电站水利水电工程中旋流消能工的选择

随着我国水电工程建设水平不断提高，建设速度不断加快，相应的设计水平和新技术的提出要求必须提高。以满足水电工程建设的需要。为此,公伯峡水电站在新技术应用方面做了许多试验研究工作,并在设计中采用,取得了良好的效果。采用的新技术主要有:右岸泄洪洞采用水平旋流消能泄洪洞;电站引水压力钢管采用钢衬钢筋混凝土管;引水压力管道与进水口分缝处及上游副厂房和主厂房分缝处用弹性垫层管代替伸缩节;混凝土面板堆石坝的垫层区上游面采用挤压式混凝土边墙;混凝土面板堆石坝采用了电磁式沉降仪观测坝体沉降;采用了新型挑流鼻坎(溢洪道的舌型鼻坎和侧扩加折流檐鼻坎)等。现简要介绍如下。1旋流消能泄洪洞计算公伯峡水电站工程泄水建筑物由左右岸泄洪洞及左岸溢洪道组成。初步设计阶段右岸泄洪洞是利用导流洞改建而成,非结合段采用“龙抬头”型式。非结合“龙抬头”段位于导流洞右侧,洞顶上覆岩体较薄,大部分洞段为强风化花岗岩和片岩、片麻岩互层的Ⅲ、Ⅳ类围岩,局部洞段为Ⅴ类围岩,围岩稳定及成洞条件差。在技施设计阶段为了减少施工风险,对非结合段采用竖井型式代替“龙抬头”型式进行了科研试验研究。按照公伯峡水电站右岸泄洪洞要求的最大下泄流量(1060m3/s)和相应上下游水位差(102m)的条件,研究了2种不同型式的旋流消能工,即竖井旋流泄洪洞(垂直旋流,水流绕竖井轴旋转下泄)和水平旋流泄洪洞(水流经竖井进入泄洪洞绕洞轴水平旋转下泄)。从水工模型试验成果看2种方式消能率均能满足要求,但竖井旋流方案水头高度(110m)显得不足,竖井内水流的旋流流态不稳定,水流旋转消能率低,消能主要由竖井下部水垫塘来完成,因而其竖井的振动比水平旋流消能竖井的振动要明显得多,对风化岩层中的竖井衬砌结构不利。另外竖井旋流泄洪洞进水口高程低于水平旋流泄洪洞,且竖井直径也大于水平旋流泄洪洞,相应工程造价较高,施工风险较大,经综合比较右岸泄洪洞选用水平旋流泄洪洞。在水工模型试验的基础上,经过反复研究最终采用的水平旋流消能泄洪洞由开敞式进水口、竖井(竖井中部设环型掺气坎,下部为水平旋流发生装置)、通气孔、水平旋流洞、水垫塘消能段及与原导流洞结合的退水洞段(含末端挑流消能鼻坎)组成。为使竖井上部(古全风化岩部位)水流平稳震动小,而又能满足水平旋流发生装置与水平旋流洞衔接处充分掺气的要求,故溢流堰进水口采用淹没流并在竖井中部设环型掺气坎。由于水平旋流洞长度较短,为提高消能率,因此利用一段导流洞设三角体阻水墩形成水垫塘消能段。在掺气坎和通气孔的共同作用下,水流掺气充分,退水洞段的流速由原方案的39.6m/s减小到15m/s以下,消能率达85%以上。该方案不仅减小了施工风险和下游的冲刷及雾化现象,而且减少投资约3500万元左右。2混凝土结构内力水电站引水压力管道为直接敷设在地基上的钢衬钢筋混凝土管道,单机引用流量335m3/s,钢管直径8m,最大设计水头135m。采用钢衬与外包钢筋混凝土共同承受内水压的组合结构,并按承载能力极限状态(即假定混凝土开裂,混凝土不承担环向拉力,仅传递径向压力,环向拉力由钢衬和钢筋承担)和正常使用极限状态(验算裂缝宽度)设计。在用结构力学法计算的基础上,又用三维有限元计算进行了复核。结果表明,虽然钢筋用量比按明管设计有所增加,但钢衬的厚度由原17～41mm减小为16～34mm,减少了钢材用量、降低了钢板加工焊接难度并节省投资500多万元。3管道流变变形的数值计算分析在初步设计阶段压力管道在进水口分缝处及上游副厂房和主厂房分缝处均设有适应沉降及伸缩变形的伸缩节,施工详图设计阶段,在收集和分析国内外取消伸缩节工程实例的基础上,参考李家峡水电站取消伸缩节的设计经验,认为公伯峡水电站与李家峡水电站引水管道直径均为8m,最大作用水头分别为(包括水锤压力)135m和155m,但李家峡水电站引水管道为拱坝坝后背管,其变位受坝体影响较大,而公伯峡水电站引水管道为敷设在地基上的钢衬钢筋混凝土管道,地基对管道变位影响较小,因此,公伯峡水电站引水管道取消伸缩节是有可能的。为此进行了管道三维有限元计算分析,计算表明,在最不利的荷载组合下,用弹性垫层管后进水口分缝处及上游副厂房和主厂房分缝处的相对位移轴向分别为-9.29mm和-6.33mm,竖向分别为1.69mm和-1.91mm,用10mm的聚氨脂软木垫层(弹模3.75MPa)可以适应此变位;用弹性垫层管或设伸缩节对管道中间断面位移、应力影响不大,位移差小于0.4mm,混凝土环向及轴向应力差分别小于0.31MPa和0.08MPa;垫层管钢管采用610MPa高强钢,进口段分缝处钢管厚度为18mm,主副厂房分缝处钢管厚度为36mm,进口段分缝处垫层管钢管最大Mises应力为263.9MPa,主副厂房分缝处垫层管钢管最大Mises应力为213.7MPa,均可满足高强钢垫层管抗力限值的要求。用弹性垫层管取代了压力管道在进水口分缝处及上游副厂房和主厂房分缝处伸缩节,节约投资约1000万元并简化了施工。4挤压式混凝土边墙固坡传统的面板堆石坝施工中,上游垫层区均采用坡面超填30～40cm的垫层料,在填筑一定高度后,进行人工削坡整理,用斜坡碾反复碾压后再进行削坡整理、喷砂浆固坡等多道工序施工。采用这种传统的施工方法,垫层区斜坡面密实度难以保证,施工工序复杂、垫层料超填量和人工削坡整理工作量大,且坡面易受雨水冲刷。为提高垫层区压实质量、简化施工工序、加快施工进度并减少垫层料用量,在国内首次采用垫层区上游面采用挤压式混凝土边墙固坡。挤压式混凝土边墙固坡,是在每填筑一层垫层料之前,沿着设计断面用拉摸施工成连续混凝土小墙(墙高与垫层区每层填筑高度相等即40cm,墙顶宽10cm,上游坡同于土面板堆石坝的上游坡,内侧坡比采用8∶1以便于垫层料碾压),墙体混凝土应具有低强、低弹模、半透水(K=10-3cm/s左右)并凝固较快(一般2h左右)的性能。墙体筑成后即可铺设垫层料并进行碾压。施工实践表明采用挤压式混凝土边墙固坡达到了预想的目的。坝体三维应力应变分析计算表明:运行期挤压墙顺坡向的压应力为20～36MPa,轴向压应力为22～36MPa,远大于墙体的抗压强度(5～10MPa),因此运行期的挤压墙已被压碎,其性能基本与垫层相同;有无挤压墙时面板挠度分别为27.3cm和28.1cm;面板顺坡向拉应力分别为3.46MPa和3.52MPa、面板压应力分别为6.8MPa和7.1MPa,有挤压墙的计算值反略小,因此认为挤压墙对面板的应力、应变无不利影响,挤压墙不会影响面板安全运行。5与限制沉降仪的互补由于公伯峡水电站河床覆盖层较薄(为3～10m),因此,坝基覆盖层全部挖除,混凝土面板堆石坝均坐落基岩上。由于第一层水管式沉降仪在1920.00m高程,以下还有40多米坝体及基础沉陷在施工期未能全过程监测,为此采用2套电磁式沉降仪监测1920.00m以下坝体及基础沉陷并可与水管式沉降仪互补,电磁式沉降仪沿测线垂直方向每5m设置一个测点并深入基岩10m。电磁式沉降仪的观测成果表明:各测点的沉降量随着大坝填筑高度的增加和时间的推移而逐渐增大,并逐渐趋于稳定,这与水管式沉降仪各测点沉降过程线所揭示的规律是一致的,与以往堆石坝观测资料的规律也是一致的;坝体沉降较大区域发生在坝高1/2处及其下部(位于高程1901.00～1950.00m处),与水管式沉降仪所测沉降值较大区域(高程1920.00～1950.00m)是吻合的,与三维有限元计算结果一致;2004年5月14日电磁式沉降仪测得最大沉降值为405mm,而水管式沉降仪所测最大沉降量为348mm,均比计算最大沉降量小,水管式沉降仪测值偏小主要是未反映出在仪器埋设安装期间(一个多月)坝体的沉降量。从观测资料成果看,用电磁式沉降仪所测资料来分析大坝坝体沉降量并评判坝体填筑质量是可信的。6侧扩加折流浚为改善枢纽泄洪时下游河道水流流态和河床冲淤形态,经过反复试验,在溢洪道和左岸泄洪洞出口采用了不同型式的挑流鼻坎。溢洪道左槽出口与下游河道交角较小,且河面较宽,为减小对下游河床的冲刷,采用舌型鼻坎,使水流充分扩散。溢洪道右槽出口左侧受左槽的限制,鼻坎只能向右导向并纵横扩散,为了消除下游河道右岸回流,减小水流对右岸的冲刷并避免冲击左槽边墙,因此采用了侧扩加折流檐鼻坎(即在侧扩鼻坎左侧边墙顶部加1.5m宽、13.0m长的折流檐),折流檐将鼻坎左侧顶部水冠向右翻卷,形成层距18m的双层射流,既分散了入水能量,又消除了靠近右岸的回流,改善了右岸的冲刷和电站尾水波动情况。左岸泄洪洞出口轴线与下游河道的夹角为30°左右,左侧受岸边限