黄丰水电站工程泄洪闸排水系统优化设计.pdf

2 4 王 智 阳， 甄燕 ， 焦健 黄丰 水 乜 站 工程 泄洪 闸排 水 系统优 化设 计 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 - - 0 0 2 4 - - - - 0 3 黄丰水 电站工程泄洪闸排水系统优化设计 王智阳， 甄 燕， 焦 健 ( 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 传统河床式水电站泄洪闸消力池采用排水幕与无砂混凝 土排水管网结合共 同排水 的形式 。这种设计形式 目 前被广泛采用， 其主要目的是解决检修T况下消力池底板的抗浮稳定问题。随着T程经验的积累以及对地质特性认 识的逐步加深 ， 进一步优化设计 ， 使之更符合 1 ： 程建设和运行 的需要。根据黄丰水 电站特点 ， 取消泄洪闸消力池廊道 的排水孑 L 、 无砂混凝土排水管 网的排水系统 ， 采用临时措施满足泄洪闸消力池 的检修要求 ， 从而达到泄洪 闸的整体优 化 。 关键词： 黄丰水电站； 泄洪闸消力池； 排水系统； 优化设计 中图分类号 ： T V 6 5 3 文献标识码 ： A Opt i ma l de s i g n o f dr a i n a ge s y s t e m f o r s l ui c e s o f Hu a ng f e ng hy dr o po we r s t a t i o n WANG Z h i y a n g，Z HE N Ya n，J I A0 J i a n ( H y d r o c h i n a X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C HE C C ， X i h n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F o r t r a d i t i o n a l r u no f fi v e r h y d r o p o we r s t a t i o n， j o i n t d i s c h a r g e b y t h e c o mb i n a t i o n o f d r a i n a g e c u r t a i n a n d n ofi n e s c o n c r e t e d r a i n a g e pi p e n e t wo r k i s us e d f o r t h e s l ui c e s t i l l i n g b a s i nT hi s t y p e o f d e s i g n i s wi d e l y a do pt e d p r e s e n t l y，ma i n l y f o r t he pu rpo s e o f s t a b i l i t y a g a i n s t f l o a t i n g i n t h e b o t t o m fl o o r o f t h e s t i l l i n g b a s i n u n d e r r e p a i r Al o n g wi t h t h e a c c u mu l a t i o n o f e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e a n d u n d e r s t a n d i n g o f g e o l o g i c a l f e a t u r e s ，t h e d e s i g n i s f u r t h e r o p t i mi z e d t o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r o j e c t c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n A c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f Hu a n g f e n g h y d r o p o we r s t a t i o n，t h e c o mbi n e d d r a i na g e s y s t e m o f g a l l e y d r a i na g e ho l e s，n ofin e s c o n c r e t e dr a i n a g e pi p e n e t wo r k a n d dr ain a g e g a l l e y i s c a n c e l l e d，a nd t e mp o r a r y me a s u r e s a r e t a k e n t o me e t t he r e p air r e q u i r e me n t o f s l u i c e s t i l l i n g b a s i n，S O t h a t t h e s l ui c e s c a n b e o p t i mi z e d a s a who l e Ke y wo r d s ： Hu a n g f e n g h y d r o p o w e r s t a t i o n；s l u i c e s t i l l i n g b a s i n；d r a i n a g e s y s t e m ； o p t i ma l d e s i g n 黄河黄丰水 电站工程位于青海省循化县境内的 黄河干流上 ， 是黄河上游龙羊峡 刘家峡河段水 电 规划中的第 1 0座梯级电站。距上游 已建公伯峡水 电站和苏只水电站分别为 2 1 k m和 9 k m， 距西宁市 里 程 1 5 9 k m。 黄丰水 电站工程以发电为主， 并兼顾少量灌溉 供水等综合利用要求。水库总库容 0 7亿 I l l ， 装机 容量 2 2 5 MW。电站枢纽属 等工程， 工程规模 为 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 8 - 0 7 作者简 介： 王智 阳 ( 1 9 8 3一) ， 男 ， 陕西省凤翔县人 ， 助理工程师 从事水电站水 下设计工作 中型。枢纽主要 由右岸土石坝 、 泄洪闸 、 河床式电站 厂房 、 左岸重力挡水坝段 、 左岸副厂房及 G I S开关站 等建筑物组成。水工建筑物抗震设防烈度为 7度。 2 l 地质 黄丰水电站坝址 区岩石均为上第 三系上新统临 夏组地层 ( N L ) ， 主要岩性为含粉砂质泥岩( M ) 和 含粉砂黏土质石膏岩( G ) ， 分布较有规律。第三系 含粉砂质泥岩强风化层属弱 微透水层 ； 弱 微风 化层属相对不透水层。 含粉砂质泥岩 ( M ) ： 砖红 褐黄色 ， 岩石主要 由黏土矿物和少量碎屑物组成 ， 含 白云母 、 绿泥石 、 方解石等。黏土矿物 占4 0 5 5 ， 石英长石为主 西北水 电 2 0 1 1年 第 1 期 2 5 的碎屑物约 占 2 0 3 5 。泥质 结构 ， 层 状构造。 该岩石具有一定遇水软化特性 。 含粉砂黏土质石 膏岩 ( G ) ： 呈灰 白 灰绿色 ， 岩石主要 由石膏 、 黏土 、 碎 屑物及少量绿泥石组成。 石膏 占 4 0 5 5 ， 黏土矿物约 占 2 5 。石英 、 长 石等碎屑物 占 2 5 ， 绿泥石含量 5 1 0 ， 细 中 粒结晶粒状结构 ， 层状构造。相对较差 的含粉砂质 黏土质石膏岩在建基面以下埋深较浅 ， 封 闭不良时 ， 对坝基抗滑稳定及渗透稳定不利 。 泄洪闸坝段位于土坝与厂房坝段之间 ， 由 3孑 L 泄洪闸组成 ， 从左至右 ， 坝段总长 6 6 m， 建基岩体均 为弱风化含粉砂质泥岩 ， 地基岩体较均一 ， 工程地质 完整性 良好 。相对较差的含粉砂黏土质石膏岩在闸 ( 坝 ) 建基面下埋藏深度 2 0 2 5 m， 弱 微风化 岩 体均为相对隔水层， 坝基工程地质条件较好 。 3 消力池排水 系统优化方案 的提 及设想 黄丰水电站泄洪闸消力池原设计设置灌浆排水 廊道 ， 采用排水幕与无砂混凝 土排水管 网共 同排水 的形式 。黄河上游尼那 、 苏 只等水 电站 已建工程均 采用这种形式 ， 但在长期运行过程中， 出现不同程度 的渗漏及其它破坏。通过多个工程的实践分析与比 较， 结合本 电站 自身特点 ， 对其泄洪闸消力池排水系 统提出优化 ， 原因如下 ： ( 1 )黄丰泄洪闸消力池建基岩体为弱风化含粉 砂质泥岩及含粉砂 黏土质石膏岩夹层。含粉砂质泥 岩虽完整性好 ， 但强度低 ， 遇水易引起软化 、 膨胀 、 崩 解 、 收缩干裂 ， 属相对不透水层 。采用灌浆帷幕与排 水管 网结合的方式 ， 排水效果并不佳 ； 含粉砂黏土质 石膏岩夹层在静水 环境 中的溶蚀不 明显 ， 在流水及 动态环境 中石膏岩 的溶蚀与时间有关 ， 时间越长越 明显 ， 消力池排水孔及无砂混凝 土排水管 网长期运 行会引起一定程度的基础软化和溶蚀 。 ( 2 )黄丰水 电站水头较低 ， 从正常蓄水位到下 游正常为水位仅 1 8 2 m， 消力 池内流速较低 ， 常遇 洪水工况下 ， 底流速介 于 57 m s ； 3 0年一遇洪水 工况下 ， 底流速介于 1 01 3 m s ， 不会发生空蚀破 坏。黄河上游河段 由于天然泥沙含量较低 ， 加之梯 级水库的拦蓄作用 ， 黄丰坝址处年平均含沙量仅 为 0 1 5 k g m ， 产生磨蚀破坏 的可能性较小。因此可 以认为在 电站 的设计 寿命 内， 消力池需要检修 的概 率很低。黄河上游尼那 、 苏只、 康阳等 电站的运行也 证明了上述情况 。 ( 3 )泄洪闸右导墙是黄丰水电站施工的关键线 路之一 ， 该部位必须在汛前施工至挡水高程 ， 而右导 墙下部排水廊道 的施工是制约该 段工期 的关 键因 素， 若能简化 ， 将能为安全渡汛提供有力保证 。 ( 4 )由于排水孑 L 设置在粘土岩上 ， 虽然设置了 反滤保护 ， 但在长期运行后仍然会有部分排水孔堵 塞 ， 在检修时需预先扫孑 L ， 并重新施工反滤保护部分 方可检修 ， 否则可能导致消力池底板失稳 。 经对 电站各运行工况复核计算 ， 泄洪闸设置排 水系统其主要 目的是解决检修工况下消力池底板的 抗浮稳定问题。因此优化设想为 ： 取消泄洪闸消力 池廊道的排水孔 、 无砂混凝土排水管网的排水系统 ， 采用临时措施满足消力池 的检修要求。 4 泄洪 闸消 力池排水 系统优化设计 4 1 原 泄洪 闸消 力池 设计 黄丰水电站枢纽泄水建筑物为 3孑 L 平底泄洪闸， 布置于水电站厂房右侧 的主河床上 ， 由闸室段、 消力 池段、 尾渠段 、 钢筋笼海漫段组成， 全长约 2 2 5 m。泄 洪闸坝段顺水流方向宽 4 8 0 m， 孑 L 口宽 1 4 m， 采用缝 墩结构， 墩厚 3 5 m， 每孑 L 泄洪闸坝段长 2 1 0 0 m。与 厂房坝段连接处的边墩厚 6 5 m， 坝段总长 6 6 0 0 lq l ， 坝顶高程 1 8 8 3 5 0 m， 最大高度 3 5 0 m。 泄洪闸采用底流消能 ， 消力池为泄洪 闸 3孑 L 共 用 ， 总池长 7 2 5 m， 池宽 5 9 5 m， 池深为 4 5 m， 池 底高程 1 8 5 1 5 0 I T I ， 坎顶高程 1 8 5 6 0 0 m。消力池 采用矩形断面 ， 底板厚 2 5 m， 设有纵横 向结构缝 ， 缝面设橡胶止水带。消力池底板结构缝下设置纵横 向无砂混凝土排水管排水系统 ， 并在消力池两侧边 墙底部及上下游齿坎 内设 2 0 m X 2 5 m( 宽 高) 排水廊道 ， 该廊道也是底板排水系统的集水廊道 ， 渗 水通过廊道流人集水井集中抽排。底板基础设置锚 筋使底板与岩石连接紧密。采用 中2 5锚筋 ， 间排距 1 5 i n1 5 m， 深入 基岩 4 0 m。 4 2 优 化设 计 方案 比较 4 2 1 优 化设计 方 案 ( 1 )取消泄洪 闸消力池廊道的排水孑 L 、 无 砂混 凝土排水管 网的排水系统 ， 采用临时措施满足消力 池的检修要求。 具体措施为 ： 检修消力池 时， 首先施工下游 2 6 王智 阳 ， 甄 燕 ， 焦健 黄 丰水 电站 工程泄 洪 闸排 水 系统优化 设计 围堰 ， 然后在消力池内倾倒砂砾石， 使消力池底板满 足抗浮稳定要求 ； 排除消力池 内集水 ， 在消力池 底板打排水孑 L ， 通过渗压计观测扬压力消散情况 ； 当扬压力消散至满足要求时， 清除消力池内砂砾石 ； 检修消力池 ； 封堵排水孑 L ， 并迅速充水 ； 排 水孔封堵强度满足要求后拆除下游同堰 ， 完成检修。 ( 2 )透水底板优化方案 具体措施为： 消力池底板设 P VC O 5 0改性聚 丙烯塑料排水管 ， 问排距 3 0 0 c m x 3 0 0 c m， 深 入基 岩 5 0 c m； 排水管下端深入基岩部分采用花管 ， 外 侧 由土工布包裹 ， 尼龙绳绑扎。排水 管内填入细砂 卵石 ， 顶部 2 0 c m封 以无砂混凝土。 4 2 2方案 比较 从施工 、 运行 、 可靠性 、 检修 、 造价等方面 比较以 上 2种优化方案 ， 其优缺点如下： ( 1 )从施工方面看 ， 临时检修措施方案施 工简 单， 透水底板方案需要在底板设置排水孔 ， 并对排水 孑 L 实施保护 ， 施T较为复杂 ， 因此临时检修措施方案 明显优于透水底板方案。 ( 2 )从运行方面看 ， 透水底板方案 由于排水孑 L 顶面的无砂混凝土强度低 ， 抗磨蚀能力较差 ， 易产生 破坏 ， 临时检修措施方案消力池底板完整不宜损坏 ， 因此临时检修措施方案明显优于透水底板方案。 ( 3 )从可靠性方面看 ， 临时检修措施方案水流 和地基不接触， 避免了黏土岩遇水软化和石膏岩溶 解的问题 ， 透水底板方案虽然对排水孑 L 实施 了保护 ， 但仍然存在一定程度上的黏土岩遇水软化和石膏岩 融解的问题。另外排水孔经过长期运行以后能否保 持畅通 ， 保持畅通 的数量也让人担心。因此 临时检 修措施方案明显优于透水底板方案。 ( 4 )从检修方面看 ， 如果排水孔运行情况 良好 ， 透水底板方案拥有较好的检修条件 ， 但经过长 时间 的水下含泥沙运行 ， 检修时能 可靠排水的排水孑 L 数 量 让人 担心 。一旦不 足 以满 足消 力池 底板 的抗 浮稳 定要求 ， 则需采取与临时检修措施方案相同的检修 方式 。 ( 5 )从造价方面看 ， 在建设期临时检修措施方 案优于透水底板方案。运行期 ， 透水底板方案可能 优于临时检修措施方案 。综合考虑 ， 两方案基本相 当。 综合 以上所述 ， 临时检修措施 方案优于透水底 板方案 ， 我们以临时检修措施方案为推荐优化方案。 4 3 泄洪 闸消 力池排 水 系统优化 设计 4 3 1具 体优化 措施 经过上述两种优化方案 比较 ， 并在安全 、 可靠 、 耐久 、 施工维护方便 、 节省投资的设计原则下 ， 取消 原设计方案中的排水系统， 采取 临时检修措施 。具 体如下： 取消消力池两侧左 、 右导墙底部纵向排水廊道 内所设排水孔 ； 取消消力池坝下 0+ 0 4 5 0 0 0 、 坝下 0 +1 1 8 5 0 0横 向排水廊道内所设排水孔 、 防渗帷幕 ； 在 消 力 池 底 板 坝 下 0 +0 4 2 5 0 0 一坝 下 0+ 0 4 8 o 0 0 增设 3排锚筋桩 ( 3 4 9 2 8 ) 。 4 3 2优化后 泄 洪 闸消力 池底板稳 定 分析 ( 1 )优化后泄洪闸消力池抗浮稳定分析 取消排水 ， 未采用措施 的消力池底板稳定计算。 根据施工分缝情 况作为抗 浮计算单元 ， 取 1 7 m l 7 5 m底板块作为计算对象， 厚 2 5 m。汁算中在 底板基础均设置锚筋， 扬压力系数取 1 0 。计算结 果详见表 1 。 表 1 消力池抗浮 稳定计算成果表 由表 1可以看 出， 除检修T况外消力池底板抗 浮稳定均满足要求。检修T况 ， 考虑不 同下游水位 情况， 向消力池 内填人不同厚度的砂砾石 ， 砂砾石容 重按 1 8 k N m 计。计算结果详 见表 2 。 表 2 检修工况不 同尾水位消力池护坦抗浮稳定计算成果表 检修工况 下游水位 m 填砂砾石厚度 m q o S ( ) R ( ) 镀 低尾水 位( Q = 2 0 0 m 3 s ) 1 8 6 1 3 6 2 5 3 8 4 2 6 3 9 0 0 2 正常尾水位( Q= 7 0 3 m 3 s ) 1 8 6 2 3 1 3 0 4 1 3 7 9 4 1 4 2 5 根据上述计算结果可知 ， 在最低尾水位时( 1 2月 ) 检 修 ， 在 消力 池 内铺设 2 5 m 厚 的砂砾 石 ( 9 6 8 0 m ) 即可满足抗浮稳定要求 ； 在正 常尾水位 时( 非汛期 ) 检修 ， 在消力池 内铺设 3 0 m厚的砂砾 石( 1 1 6 5 0 m ) 即可满足抗浮稳定要求。 ( 2 )优化后泄洪 闸闸室的抗滑稳定应力及抗倾 覆安全稳定分析 消力池排水 系统优化后 ， 泄洪闸闸室底部的扬 压力分布情况发生变化 ， 原计算 巾闸室末 端的水位 为下游水位， 取消排水系统后将消力池末端水位取 ( 下转 第 2 9页) 西北 水 电 2 0 1 1年 第 1期 2 9 了锁定装置， 当闸门开启 、 关闭或调节水位时不会发 生 自动塌坝的现象。 橡胶坝须建 1 座泵房 ， 管路多且复杂 ； 而底横轴 翻转门只需配备 2台电液一体式启 闭机 ， 无 外露油 管及泵站等附属设施 。并且配备手动应急装 置， 在 断电时可手动启闭闸门， 因而既提高了安全性 ， 又增 强可靠性。 冬季 ， 橡胶坝必须做好刨冰工作。春天解冻时， 冰凌不能在橡胶坝上溢流。底横轴翻转门可以轻松 地度过春 、 冬季节 ， 冬季只需将底横轴翻转 门倾斜一 定角度 ， 结冰时冰层就会沿着斜角向上延伸 ， 从而有 效地释放水结冰时膨胀力 ， 闸门不会受到任何的破 坏。且钢坝闸是围绕底轴 向下游倾倒 ， 启 门时淤积 的泥沙被水流冲向下游 ， 不会形成阻塞。 5 结语 由于城市河道对安全性及景观要求较高， 且陷 泥河河宽较窄 ， 钢 坝闸造价 相对较低 ， 经过方案 比 较 ， 决定采用 6座跨度在 1 53 4 m之间的钢坝 闸， 使之成为临沂市的又一亮丽名片。 参考文献 ： 1 s L 2 2 7 _ _ 9 8， 橡胶 坝技 术规范 s 北 京： 中国水利水 电出版社 ， 1 9 9 9 2 高本虎 橡胶 坝工程 技术指南 M 北京 ： 中国水 利水 电出版 社 2 0 0 4 ( 上接第 2 6页) 为下游水位 ， 闸室段扬压力有所增加 ， 据此对优化成 果进行复核。 表 3 泄洪闸闸室段坝基面抗滑稳定应 力计算结果表 ( 优化后) 承载能力极限状态 正常使用极限 状态 设计 荷载 主要考虑 状况 组合 情况 ( ) 。 。 e r o S ( ) 拉为正 ，压为负 Y a 计算结果表明， 取消消力池排水设施后 ， 扬压力 虽然有所增加 ， 但对闸室整体稳定 和基础应力影响 较小 ， 闸室抗滑稳定满足规范的要求 。 4 4消 力池检 修施 工技 术 要求 在消力池底板 出现损坏需要检修时 ， 应尽量选 择下游水位较低 的时段 ， 以减少消力池底板所承受 的扬压力； 在消力池下游围堰施工完毕后 ， 应依据可 能出现的下游水位 ， 在消力池 内铺设砂砾石 ； 铺设前 不 能排 除消力 池 内积 水 。积水 排 除后 在铺设 砂 砾石 顶面钻临时排水孑 L ， 排水孑 L 按照先周边 ， 后 中央 ， 逐 步加密的顺序进行。在排水孔施工 的同时加强消力 池扬压力的监测 ； 采用反铲、 装载机结合人工挖除消 力池 内砂砾石后 ， 根据确定的方案 ， 处理损坏的消力 池底板 ； 处理完成后 ， 封堵 临时排水孔 ， 并 向消力池 内注水。然后拆除下游围堰 ， 待封堵 材料 达到设计 强度后消力池方可运行。 5 观测 没计 消力池监测主要为底板扬压力监测。原监测设 计利用环向排水廊道布置测压管 以及在消力池底板 布置渗压计进行监测 。优化设计后取消消力池底板 排水系统 。根据优化 后消力 池体形和相关 计算成 果 ， 结合黄丰 电站基础地质条件含粉砂质泥岩遇水 易软化和崩解 的特点 ， 重点采用渗压计对 消力池底 板基础渗压进行监测 。 6 结论 黄丰水 电站水头较低 ， 消力池损坏检修 的概率 相对较低 ， 可以采用临时措施来 解决检修工况下消 力池底板的抗浮稳定问题。泄洪闸消力池建基岩体 为第三系弱风化含 粉砂质泥岩 ， 在水 的作用下易引 起软化、 泥化、 膨胀 、 崩解 、 收缩干裂 ， 取消排水对基 础岩体保护较为有利。泄洪 闸消力池的建基岩体 中 存在含粉砂黏土质石膏岩夹层 ， 取 消排水系统可 以 避免基础中的含粉砂黏土质石膏岩产生溶蚀。泄水 闸右导墙是黄丰水 电站施工 的关键线路之一 ， 该部 位必须在汛前施工至挡水高程 ， 若取消排水设施 ， 能 为工程安全渡汛提供有力保证 。采用在消力池铺设 砂砾石的临时方案完全 可以满足消力池 检修 的要 求。并且取消消力池排水系统可节约工程投资 。因 此 ， 黄丰水电站泄洪 闸消力池排水系统优化 方案是 可行 的。 参考 文献 ： 1 王亚娥 ， 李浚元 ， 韩鹏辉 ，黄河康 扬水 电站泄洪 闸消力池设 计 J 西北水电 ， 2 0 0 8 ， ( 5 ) ：1 82 1