芙蓉江角木塘水电站发电引水系统设计

黄 晶

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

1 工程概况

芙蓉江角木塘水电站位于贵州省芙蓉江下游的道真县忠信镇联江村，为芙蓉江水电梯级开发中的第11级。工程由碾压混凝土重力坝、左岸坝顶溢流表孔、左岸泄洪兼放空洞、右岸发电引水系统、河床式厂房及升压站等主体建筑物组成。工程规模为中型，水库总库容3259万m3，兴利库容385万m3，工程任务主要为发电，装机2台，总装机容量70MW，保证出力10.1MW，多年平均年发电量2.51亿kW·h。

根据河床坝段开挖过程中揭露的基岩岩体质量情况，河床建基面高程优化抬高了11.4m，局部岩体质量偏低处采取深挖回填、加强固结灌浆等处理措施提高了坝基的整体性、地基承载力及抗滑能力，优化后最大坝高为55m。

2 发电引水系统设计

发电引水系统主要包括进水口和压力引水道。综合枢纽区域地质条件和建筑物布置等，引水系统轴线平面方向上与坝轴线垂直，进水口紧靠大坝上游面布置，装机2台，设计发电引用流量为279m3/s。每台机组采用2条引水道、2个进水口，一共4个进水口，进水口上游的引渠段是根据进水口进水顺畅的原则开挖而成，靠山一侧引渠边线由一圆弧段和两直线段组成，起始直线段长28.79m，中间圆弧段转弯半径为40m，转弯角度为31.63°，圆弧段长22.04m，该圆弧段末端通过长11.79m的直线段与进水口相接，引渠底板及靠山侧边坡采用0.5m的C25钢筋混凝土衬砌[1]。进口闸井段长26.84m，单条引水道轴线长38.612m。芙蓉江角木塘水电发电引水系统平面布置图见图1，芙蓉江角木塘水电发电引水系统纵断面图见图2。

图1 芙蓉江角木塘水电发电引水系统平面布置图

图2 芙蓉江角木塘水电发电引水系统纵断面图

发电引水系统施工过程中，结合开挖揭露的基础情况对基础处理、大体积混凝土浇筑要求等进行了设计优化。

1)发电引水系统基础垂直水流方向要求开挖成台阶状，开挖后揭露地层岩性为P2m灰色中-厚层灰岩、生物碎屑灰岩，夹薄层泥灰岩及沥青质，含燧石团块，层面裂裂隙夹泥。建基面岩体呈强风化至弱风化状态，岩体完整性差，岩体质量等级为BⅥ1。为提高台阶状岸坡基础的承载力及整体性，基础考虑设置C28锚筋，其布置同基础固结灌浆孔布置(5m孔深的锚筋长6m，8m孔深的锚筋长9m)，锚筋上端露出建基面长度为1.0m，待固结灌浆孔封孔前插入锚筋。同时基础考虑设置2排5C28锚筋桩，锚筋桩长9m，桩头部分露出开挖面1.0m。

2)发电引水系统下部采用C15混凝土回填，大体积混凝土浇筑要求采取薄层浇筑(0.3-0.5m)连续上升的施工方法，在连续上升时每薄层的允许浇筑时间，要求必须在混凝土初凝时间内完成，夏季允许浇筑时间2-4h、其他季节按6h控制；一个升层高度≤3m，层间间隙时间为7d左右。

2.1 进水口

进水口采用坝式进水口，底板高程在考虑了死水位满负荷运行、孔口尺寸、进水口最小淹没深度、闸门水头及压力引水道布置后综合确定。孔口断面尺寸5.1×6.3m，每孔设快速事故闸门1扇，采用液压启闭机启闭；事故闸门前设2扇检修闸门共用，采用1台台车式启闭机启闭。每个进水口检修门槽前设1扇6.5×13m的栏污栅，进水口闸室段长26.8m。进水口闸井段为C25钢筋混凝土结构，底板厚2.5m，外侧闸墩厚3.656-5.041m，栅槽位置闸墩厚2.956m；中间闸墩厚1.976-4.751m，栅槽位置闸墩厚1.136m；中间两侧隔墩厚2.678-2.70m，栅槽位置闸墩厚1.86m；靠山侧闸墩厚3.7-5.085m，栅槽位置闸墩厚3.285m。进水口底板置于下部的C15回填混凝土上，外侧回填体最低高程为334m，靠山侧回填体高程为365.5m。

井筒顶部设置清污及检修平台，配置一台液压耙斗式清污机兼启闭机用于4扇拦污栅的清污及启闭；配置一台台车式启闭机用于4扇检修闸门检修；每扇快速闸门配置一台液压启闭机。

2.2 压力引水道

压力引水道接取水口闸室末端，其轴线在平面方向上与坝轴线垂直。因压力引水道要穿过厂房段坝体，为了减小引水道位置的坝体应力，每台机组采用2条引水道，一共4个进水口；同时为了减少引水道长度，综合考虑进水口、引水道的布置、机组进水管的断面型式和尺寸等，引水道采用矩形断面，断面尺寸5.125m×6.27m，压力引水道采用C25钢筋混凝土衬砌，孔间隔墩约2.0m[2]。

压力引水道采用两圆弧转弯段与闸室末段及机组进水管相接，起始端水平直线段长0.5m，然后通过一轴线转弯半径为7.6m的圆弧段变成铅直方向，圆弧段长12m，铅直段末端通过一轴线转弯半径为16.7m的圆弧段变成水平方向，圆弧段长26.2m，末端水平段长6m，其后接机组进水管。

2.3 隔墩结构复核

同一台机组两个进水口间闸墩厚度为2.7m，相邻两个压力引水道孔间隔墩厚度为2.0m，隔墩结构较薄，主要承受结构自重和水压力等荷载，在顺水流和垂直水流两个方向受力[3]。将隔墩视为固接于底板的悬臂结构，采用材料力学方法对水平截面上的应力和门槽应力进行验算。进水口横断面图见图3。

图3 进水口横断面图

根据工程特点，隔墩结构复核时主要考虑下列3种工况：

1)在正常运行期，两台机组中只有一台机组双进水口引水的情况，两机组间隔墩主要承受上游水压力和自重等荷载，还将承受不对称侧向水压力作用。

2)在检修期，同一台机组中一孔检修，检修闸门挡水，相邻闸孔正常工作，同机组间隔墩主要承受上游水压力和自重等荷载，还将承受不对称侧向水压力作用。闸墩水平截面正应力计算成果表见表1，门槽拉应力计算成果表见图2。

3)在非常运行期，同一台机组中一孔关闭(工作闸门关闭)，相邻闸孔正常工作，同机组间隔墩主要承受上游水压力和自重等荷载，还将承受不对称侧向水压力作用[4]。闸墩水平截面正应力计算成果表见表1，门槽拉应力计算成果表见表2。

表1 闸墩水平截面正应力计算成果表

表2 门槽拉应力计算成果表

2.4 评价

发电引水系统基础岩体较为破碎，完整性差，通过基础处理和加强基础固结灌浆后，基础承载力可满足设计要求。目前的基岩变位计监测成果资料显示，累计开合度变化量在-3.2-10.3mm之间，最大开合度为10.3mm(W1)，其余沉降量较小，目前测值趋于稳定。发电引水系统结构设计合理，结构安全，进水塔稳定、应力满足现行规程规范要求。

3 结 语

1)芙蓉江角木塘水电站发电引水系统充分利用了坝址处独特的地质地形条件，采用多孔口、薄隔墩布置方式，总体布置形式紧凑、合理，有效避免了布置大孔口产生较大的坝体应力。

2)结合发电引水系统开挖揭露的基础地质情况对设计方案进行了调整优化，节省了工程投资，缩短了建设工期，为今后类似工程提供了可借鉴的工程实践经验。