溪洛渡水电站地下厂房进水口设计

　　 溪洛渡水电站地下厂房进水口设计田 华 （国家电力公司成都勘测设计研究院，四川成都　610072）
摘　要：从地质条件、进水口型式选择、水力设计、结构设计等方面，较为详细地介绍了溪洛渡水电站地下厂房进水口的设计。
关键词：地下厂房；进水口；型式；水力设计；结构计算；边坡；溪洛渡水电站
1　前 言
溪洛渡水电站采用首部开发的地下式厂房，厂房分左右两岸对称布置，各安装9台700MW水轮发电机组，总装机容量12 600MW。电站设计水头180m，单机引用流量423．8m3／s。水库正常蓄水位600m，死水位540 m，水库水位消落深度60m。引水发电系统由电站进水口、压力管道、地下厂房、尾水调压室、尾水洞和尾水出口等建筑物组成，引水系统采用“单机单管”供水，尾水系统采用“三机一室一洞”的布置格局。
2　进水口地形、地质条件
溪洛渡坝址区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，谷肩高程在800．00m以上，但坝轴线上游250～550．00m范围内，在550．00～650．00m高程之间左右岸均存在中等缓坡台地，坡度为40°～45°，水平宽度100～150m，具备布置厂房进水口建筑物的有利地形。厂房进水口一带从谷底至谷肩自然斜坡高490～510m，两岸谷坡基本对称，自然边坡坡形较为完整，无大规模斜坡失稳的形貌特征。左右岸进水口区域基岩由二叠系上统峨眉山玄武岩（P2β）组成。

进水口基础左岸大部分置于P2β8层中部含斑玄武岩上，局部置于P2β8层顶部的角砾集块熔岩上；右岸大部分置于P2β7层中部含斑玄武岩上，局部置于P2β7层顶部角砾集块熔岩上。P2β7、P2β8层内错动带较发育，但以裂隙岩块型为主，错动带宽一般1～5cm，多为石英绿帘石条带，挤压紧密，错动面起伏光滑，见擦痕，上、下盘影响带宽一般10～30cm。除层内错动带及其影响带外，裂隙相对不发育，局部成带出现，方向较零乱，一般延伸短小，裂面新鲜，无充填，结合紧密。左岸塔基大部分为弱风化下段岩体，少部分为微新岩体；右岸塔基大部分为弱风化下段岩体，局部为微新岩体。总之，两岸进水塔基础岩体坚硬，完整性较好，在开挖范围内无大型不利组合块体和变形体存在，塔基稳定，承载力能满足要求。
3　进水口型式选择
溪洛渡水电站为巨型水电站，装机台数多，单机容量大，水库水位消落深度大，相应进水口的规模也大。根据电站枢纽布置方案并结合电站进水口地形、地质条件，选择安全可靠、经济合理的进水口型式是进水口设计中的关键问题之一。适宜的进水口型式主要有岸塔式、竖井式和地下竖井式。
3．1　岸塔式进水口
岸塔式进水口利用左右岸岸坡550．00～650．00m高程的中等缓坡台地分别布置，进水口前缘基本沿河道水流方向布置。左岸进水口距左坝肩约500m，9孔进水口呈一字型并排布置。根据进水口区域的地形、地质条件，以及与压力管道和厂房协调连接，塔体前缘方位角设为NW48°，总长度281．00m，进水口孔口中心线间距31．06 m。右岸进水口距右坝肩约450m，9孔进水口呈一字型并排布置，塔体前缘总长度296．00m，方位角NW55°。进水塔塔顶高程613．00m，塔基高程513．00m，进水塔底板高程518．00m，塔底宽度（顺水流向）29．00m，塔顶宽度28．00m，塔高100m。塔基置于弱风化下段岩体上。塔后560m高程以下与岸坡相接，塔体及两座交通桥与岸边公路连接。详见图1。
3．2　露天竖井式进水口
左右岸前缘长度及方向与岸塔式进口相同，进水口前缘设斜坡式拦污栅，坡度为1∶0．4，拦污栅斜坡基础置于弱风化岩体上，栅顶操作平台高程613．00m。竖井距进口拦污栅的水平距离为39．72m，竖井开挖采用圆形断面，开挖直径18．50m，竖井中上部置于弱风化岩体内，下段置于微新岩体内。竖井内设工作闸门、检修闸门及通气孔。开挖边坡分三级平台，从下至上平台高程分别为516．00m、595．50m、613．00m。详见图2。
3．3　地下竖井式进水口
将竖井及顶部启闭机室设于山体内，用桥机启闭工作闸门及检修闸门。为使启闭机室具有成洞条件，将启闭机室和竖井置于微新岩体内，竖井结构尺寸与竖井式相同。进口设地面斜坡式拦污栅，布置同竖井式拦污栅。地下竖井距进口拦污栅的水平距离为157．00m。详见图3。
3．4　进水口型式比较


溪洛渡水电站地下厂房进水口设计 : 　
（1）地形、地质条件：三种型式进水口的地形、地质条件基本相同，地下竖井式的启闭机和竖井由于全置于微新岩体内，地质条件最优。
（2）建筑物布置：岸塔式进水口布置紧凑，拦污栅、检修闸门和工作闸门可共用一套启闭设备。但由于塔体高达100m，结构抗震性相对较差，同时对外交通还须设置交通桥。竖井式进水口布置较分散，拦污栅清污需另增设一套启闭设备。由于拦污栅闸斜靠在岸坡上，且进水闸置于竖井内，结构抗震性能较好。
（3）施工条件：岸塔式进水口施工干扰小，施工较为方便。而竖井式进水口隧洞段和竖井施工干扰较大，施工较为不便。
（4）运行和维护条件：竖井式进水口拦污栅倾斜布置，起吊和清污都较难；拦污栅闸至竖井的隧洞段无检修条件。
（5）相对投资：经估算，岸塔式进水口直接投资为10亿元，露天竖井式进水口直接投资为11．9亿元，地下竖井式进水口直接投资为13．3亿元。露天竖井式进水口比岸塔式多投资约1．9亿元，地下竖井式进水口比岸塔式多投资约3．3亿元，岸塔式进水口投资最省。
经以上综合比较，岸塔式进水口具有明显优势，因此推荐采用岸塔式进水口。
4　进水口结构布置设计
论文溪洛渡水电站地下厂房进水口设计

4．1　进水口结构布置
岸塔式进水口前缘基本平行于河道水流方向，分左右岸布置。左右岸各9孔进水口，分别呈一字型并排布置。为减少开挖量，进水口前缘方向应尽量平行等高线的方向。左岸地下厂房轴线方位角为NW24°，根据引水系统的整体布置格局，左岸进水塔前缘方位角为NW48°，与厂房轴线成24°夹角。塔体总长度281．00m，进水口孔口中心线间距31．06m；进水塔塔顶高程613．00 m，塔基高程513．00m，进水塔底板高程518．00m，塔底宽度29．00m，塔顶宽度28．00m，塔高100m。塔基置于弱风化下段岩体上。进水塔前半部为拦污栅闸，每孔进水口共设有5孔拦污栅闸。进水口后半部称主塔体，为进水闸室结构，采用喇叭型进口，内设检修闸门槽、工作闸门槽和通气孔，通气孔后与压力管道渐变段相接。检修闸门孔口宽8．00m，孔口高10．40m。工作闸门孔口宽8．00m，孔口高10．00m。拦污栅闸和主塔体之间采用隔墙和纵撑连接。进水塔顶层设有启闭机室、油泵室、储门槽、储栅槽等，塔体之间设置门机轨道梁和连接桥。进水塔通过交通桥与岸边公路连接。右岸进水口结构布置与左岸类似，右岸地下厂房轴线方位角为NW70°，右岸进水塔前缘方位角为NW55°，与厂房轴线成15°夹角。塔体总长度296．00m。根据引水系统总体布置，进水口孔口中心线间距32．84m，其余结构尺寸和左岸进水口相同。进水口平面布置见图4。

4．2　进水口水力计算和水力模型试验
4．2．1　进口淹没深度计算
根据《水电站进水口设计规范》（SDJ303－88）（试行），按防止产生贯通式漏斗漩涡和防止进水口产生负压考虑，计算采用戈登公式，计算得孔口最小淹没深度为10．73m，淹没深度取12m。电站最低运行水位为540．00m，则进水口底板高程确定为518．00m。
4．2．2　进水塔平台高程确定
考虑在校核洪水情况下，不淹进水口工作闸门液压启闭机室，校核洪水位为607．94m，启闭机室高度约5m，故塔顶高程确定为613．00m。
4．2．3　水力模型试验
溪洛渡水电站水库运行水位变幅大，电站在不同水位运行时进水口水流条件有较大差别，为了获得好的进水口体型，并为确定进水口的淹没深度提供依据，进行了水工模型试验研究。
从模型试验成果看，拟定的进水口底板高程518．00m的布置方案，在死水位540．00m以上运行时，流态较好。为了论证进水口合理的淹没深度，进行了水库死水位以下进水口运行的试验。流态观察结果表明，在较小的范围内减小进水口的淹没深度对机组的正常取水和安全运行不会产生很大影响，但考虑到模型试验结果与电站实际情况有一定差异，为确保电站运行安全可靠，参考国内几座同类型大型电站所采用的进水口淹没深度，确定进水口的淹没深度为12．00m。进水口在各种库水位下运行时有强弱程度不同的表面漩涡发生，但都不形成吸气漩涡，不影响电站正常运行。各种库水位下进水口前缘水域均无回流区，且仅当水库水位接近死水位时才有时隐时现的表面漩涡发生，进口段水流平稳顺畅，闸门井水位波动较小。


溪洛渡水电站地下厂房进水口设计 : 　
4．3　进水口结构计算分析
4．3．1　进水塔整体稳定及基础应力计算
左右岸进水口塔体均建在L型地基上，塔基大部分位于弱风化下段含斑玄武岩地基上。对塔基应力按L型地基进行计算。
4．3．1．1　计算基本假定
（1）将塔体视作刚体，在荷载作用下岩体受挤压变形产生抗力；
（2）L型地基变形符合文克尔假定，抗力或反力按线性规律分布，塔背抗力不受闸孔影响，自下而上连续分布；
（3）塔背与岸边基岩紧密连接。
4．3．1．2　塔体基础应力分析
塔体基础应力计算成果见表1。从表1可以看出，塔基及塔背的压应力值均小于基础的允许承载力（7～9 MPa），基础承载力满足要求。塔基在各种工况下均无拉应力出现，塔背虽产生了一定量级的拉应力值，但与假定基础为刚体有关，拉应力值可能有一定的失真。通过在塔背部位设置锚筋，可以解决塔背拉应力问题。
4．3．2　进水塔结构静力、动力分析和模型试验研究
针对溪洛渡水电站进水口规模大，结构复杂，工程区域为8度高地震区的特点，进行了结构静力、动力计算分析和模型试验研究。
4．3．2．1　结构静力、动力分析计算
采用ANSYS三维结构静力、动力非线性有限元分析程序，对进水塔进行三维有限元计算，着重分析拦污栅框架结构内力、闸室孔口各周边应力、塔基及塔背的应力分布。进水塔结构静力、动力计算在各工况下的最大应力计算结果见表2。

应力计算分析表明，进水口结构在静力荷载作用下，主要薄弱环节在以下两个部位：底板上表面中部，下部纵撑与闸墩连接处；在动力荷载作用下，拦污栅中上部纵撑与闸墩交接部位比较薄弱，由于应力集中的影响，拉、压应力较大，结构设计中应对这些部位引起重视。
4．3．2．2　结构动力模型试验
进水口结构为1∶100的正态有机玻璃模型，选取中间5孔进行模型模拟，将模型固定在MTS水下地震模拟台上，以输入正弦波按反应谱法计算地震响应和设计地震振动情况下的人工随机波进行试验。主要试验内容为：进水口结构的动力特性（频率、模态）；闸门关闭情况下的地震动水压力；设计地震下的地震响应。
模型试验表明，山体与水体对闸墩模型的y向（顺水流方向）地震反应特性影响较大，而对x向（横水流方向）地震反应特性影响较小。结构的地震反应以拦污栅后纵撑的应力反应最大，横撑和拦污栅胸墙次之，拦污栅墩所受动应力相对较小。对于塔体的动水压力，实测值与按《水工建筑物抗震设计规范》计算的动水压力分布的计算结果比较接近。
4．4　进水口边坡支护设计
左右岸进水塔的塔体前缘开挖高程516．00m，塔基开挖高程513．00m，塔基置于弱风化下段岩体上，开挖边坡左岸切割P2β8～P2β12岩流层、右岸切割P2β7～P2β11岩流层，边坡上无断层或弱面切割，开挖边坡不存在岩体整体稳定问题。塔体开挖边坡最大高度左岸约150m，右岸约160m。为了适应进水口的布置和压力管道进洞的要求，高程513．00～560．00m开挖边坡采用垂直开挖，高程560．00m以上边坡，弱风化下段岩体开挖坡比1∶0．25，弱风化上段弱卸荷岩体开挖坡比1∶0．45。在613．00m高程设10m宽的马道，兼作交通公路。边坡上发育有层间、层内错动带，虽产状平缓，可能构成局部稳定较差的滑移块体。针对开挖边坡的特点，主要采取了以下工程处理措施：
（1）喷混凝土。开挖边坡坡面上采用喷混凝土保护，喷混凝土标号C25，喷层厚度0．10m。
（2）锚杆支护。进水口边坡613．00～513．00m高程布置?28、L＝6m和?32、L＝8m锚杆，间排距2．00m，两种锚杆交错布置；613．00m高程以上布置?25、L＝4m锚杆和?25、L＝6m锚杆，间排距2．00m，两种锚杆交错布置。
（3）预应力锚索加固处理。通过计算分析，对于513．00～613．00m高程进水口边坡采用预应力锚索加固，共设置5排锚索，其中20m长锚索2排，15m长锚索3排，锚索间距为4．00m。
（4）排水措施。在喷混凝土边坡上设置排水孔，并作好坡面排水。 水电站设计


溪洛渡水电站地下厂房进水口设计 :