引水式水电站尾水出口挡沙坎结构形式设计研究和应用.pdf

'第41卷第8期2015年8月水力发电引水式水电站尾水出口挡沙坎结构形式设计研究和应用陈念辉，陈祥荣，潘益斌(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014)摘要：为适应现场施工条件及施工工期要求，锦屏二级水电站利用原有施工围堰改建成尾水隧洞出口的挡沙坎。经研究论证表明，改建后的挡沙坎结构形式合理，而且对尾水出流流态和发电效益影响不大。新的设计结构形式降低了施工难度，改善了检修条件，缩短了施工工期，实现了设计目标，达到了预期效果，可为类似引水式电站尾水出口工程建设提供参考。关键词：尾水出口；围堰；挡沙坎；引水式水电站；锦屏二级水电站StructureDesignResearchofSand-guideSillinTailraceTunnelOutletofDiversion-typeHydropowerStationandItsApplicationCHENNianhui，CHENXiangrong，PANYibin(PowerChinaHuadongEngineeringCorporationLimited，Hangzhou310014，Zhejiang，China)Abstract：Inordertomeettherequirementsonsiteconstructionconditionsandconstructionperiod，anewsand—guidesillstructureintailraceoutlet，thatistransformedfromcofferdam，isusedinJinpingIIHydropowerStation．Theresearchshowsthatthenewstructureisreasonable，andhaslittleeffectontailwaterdischargeflowandpowergenerationefficiency．Thenewsand—guidesillstructurecanreduceconstructiondifficulty，improvemaintenancecondition，shortenconstructionperiodandachievedesigngoals．Thepracticeprovidesareferencefortheconstructionoftailraceprojectinsimilardiversion—typepowerstations．KeyWords：tailraceoutlet；cofferdam；sand·-guidesill；diversion-·typehydropowerstation；JinpingIIHydropowerStation中图分类号：TV652．2(271)文献标识码：A文章编号：0559．9342(2015)08—0043—03洞内，造成淤积，影响隧洞和机组的正常运行。0引言同时，尾水隧洞出口一般需要修建挡沙坎，用引水式水电站尾水隧洞出口一般远离大坝基坑，来阻挡河道内的推移质等杂物进入隧洞。挡沙坎一不具备干地施工条件，需要另修建临时围堰挡水，般采用混凝土结构，布置在围堰形成的干枯基坑内，形成独立的施工基坑，临时围堰多为过水围堰，待挡沙坎基础布置在坚固的基岩上，待挡沙坎建成后基坑内永久建筑完工后再拆除围堰。为方便施工及再进行临时围堰拆除及水下清渣施工。就地取材，临时围堰一般采用土石结构。临时围堰1问题的提出的堆填会占压一部分河道，同时使尾水出口附近河道淤渣增多，从而抬高河床高程，后期围堰拆除时根据国内已建或在建工程经验，常用的挡沙坎需要耗费较长的施工工期，并需要进行大量的水下一般采用低矮混凝土结构形式，坎顶高程略高于河清渣，使得拆除围堰的施工难度增大、投资增加。另外，临时土石围堰体量相对较大，其顶高程高于收稿日期：2014—05·27隧洞出口高程，一旦将围堰拆除将使得河床内堆渣作者简介：陈念辉(1983一)，男，广西桂林人，工程师，主要(包括拆除围堰本身的渣体)随着水流倒灌至尾水隧从事水工结构设计工作．WmrPoVoL4』No．8固 u10o／--3床高度，基础建在坚固的基岩上，其典型结构形式在尾水围堰拆除前需要进行大量的河道清渣(包括围如图1所示。此类挡沙坎适用于布置在地形简单、堰拆除后渣体)工作，工程量大，施工工期较长。河道淤积少、河水流量小、枯水期长、围堰拆除及④河床的抬高造成河道水位的抬高，从而降低了围清渣施工条件较好的工程中，但在地形复杂、河道堰挡水标准，加大了施工难度。因此，有必要研究淤积多，河水流量大、围堰拆除及清渣施工难度大合理的挡沙坎结构形式，以降低施工难度，加快施的电站存在许多不适应因素。工进度，提高电站效益。2锦屏二级水电站挡沙坎形式设计综合考虑结构安全、水力学、发电效益以及日后维护等各方面因素，锦屏二级水电站实施阶段采用永久建筑物与临时建筑物相结合的形式，利用部分临时围堰改建形成永久挡沙坎。主要设计原则为：(1)利用围堰改建的挡沙坎顶高程应高于围堰外河床已淤积高程，发挥挡沙功能，减少大规模河道水下清淤。(2)在首台机组发电后，尾水出口基坑还需要经历若干汛期，不可避免存在基坑淤积问题。发电图1低矮挡沙坎典型剖面前须对基坑进行逐次清淤(机组全部投产后的运行期以锦屏二级水电站尾水出口为例，电站前期设也可能存在一定淤积现象)。原设计挡沙坎需适当整计阶段尾水出口挡沙坎采用了低矮混凝土结构形式，体抬高，满足枯水期尾水基坑清淤条件。但实施过程中由于河道内淤渣增多，河床高程已远(3)改建后的挡沙坎应在各种工况下均具备良高出挡沙坎顶高程，如图2所示。由于电站河床高好稳定性和结构安全性。程的增加，实施过程中发现低矮挡沙坎存在众多不(4)研究挡沙坎高程加高后对尾水出口整体水利因素：①由于围堰及施工便道的施工，在尾水出力学条件的影响，尽可能降低出口水头损失，减少口部位对应雅砻江河床内产生了一定的淤积，淤渣对发电效益的不利影响。高程高于尾水隧洞底板约10m，挡沙坎高度需要相(5)挡沙坎的结构变更需要充分考虑施工难度、应加高。②围堰施工期间，纵向轴线根据现场实际工期控制要求等因素，并充分考虑挡沙坎部位的地情况进行了调整，部分围堰防渗体侵占了原设计挡形、地质条件，拟定合理的结构布置和加固处理沙坎的位置，原设计的挡沙坎已不具备施工条件。方案。③由于挡沙坎坎顶高程较低，不具备挡水条件，尾为充分利用尾水出口围堰，减少围堰的拆除量，水围堰拆除后，基坑即被洪水淹没，不可避免的造尾水出口挡沙坎轴线与尾水出口围堰轴线保持一致。成围堰渣体倒灌进尾水基坑。为避免发生该情况，将围堰顶部拆除后采用1m厚混凝土置换，增加压重。最终采用贴坡钢筋混凝土在围堰内侧坡面、围堰顶部衬护处理，即把土石围堰基坑一侧“包裹”在贴坡混凝土内，形成“混合式”挡沙坎。围堰外侧抛大块石压脚，避免掏刷。同时，为保证挡沙坎结构稳定，采用混凝土隔墩将尾水出口之间的岩台分隔墩与挡沙坎贴坡混凝土连接起来，以支撑、拉结挡沙坎。分隔墩采用钢筋混凝土结构，钢筋与尾水出口岩台分隔墩贴坡混凝土钢筋及挡沙坎贴坡混凝土钢筋连接，形成一个整体，以增加尾水出口挡沙坎的抗倾覆稳定性。在混凝土隔墩及实体混凝土底部开设一个尺寸为3．0m×3．0m的城门洞形联通洞，作为施工和检修图2锦屏二级水电站前期阶段尾水出口挡沙坎典型剖面通道。挡沙坎变更设计方案如图3所示。田WaterP。Vo1．4，No．8 WJ"忍奸，亍亍：3I／J＼／J＼J乇／J＼山u／"JY幻1吸l1盯,7"1i个u州纵向逐渐扩散并上浮，在运行机组的尾水出口附近河道表面形成指向左岸的流动，对挡沙坎后的水流|流态几乎没有影响。I(2)结构稳定计算分析。变更后的挡沙坎为“混岩台5}隔墩／岩台分隔墩／合形”结构的重力挡沙坎，根据结构布置特点及施工一／一⋯⋯一／期洪水的验证，其抗倾覆性较好。由于挡沙坎利用I—1／／型塾I连通洞＼施工期围堰进行改建，围堰基础为原河床覆盖层，l／且上部位于水位变动区，在运行和检修工况下受力IlIlllIll条件较为复杂。但数值有限元分析表明，由于设计采取了混凝土内包结构，并通过混凝土隔墩与尾水拦沙坎出口边坡拉结，整体稳定性较好，通过适当配筋后的结构具有足够安全储备，满足结构承载力、可靠度要求。3结语引水式水电站尾水出口一般远离大坝基坑，需修建临时围堰进行挡水，这样就不可避免的造成河道淤积，后期围堰拆除需要进行大量的水下清渣，施工难度大、工期长，并有基坑被埋风险。为解决b剖面图这些问题，锦屏二级水电站尾水出口挡沙坎利用围堰改建而成，经模型试验和数值模拟分析，表明新图3锦屏二级水电站实施阶段尾水出口挡沙坎布置示意的挡沙坎结构形式满足结构承载力、可靠度要求，尾水出口挡沙坎坎顶高程抬高后，改变了原设且对电站的发电效益没有影响，对挡沙坎后的水流计阶段尾水出口水流出流条件，加大了水流出流的流态几乎没有影响。阻力，抬高尾水渠内的尾水水位并给挡沙坎本身结构稳定造成不利影响。因此，挡沙坎的复核分析主参考文献：要包括水力学及结构稳定分析两方面。[1]潘益斌，陈祥荣，陈念辉，等．锦屏二级水电站尾水出口建筑物(1)水力学条件复核分析。改建形成的挡沙坎及挡沙坎结构布置变更设计专题报告[R]．杭州：中国顾问集团的关键是合理的选择挡沙坎顶高程，挡沙坎坎顶高华东勘测设计研究院，2001．程过低，有利于改善出流水力学条件，但围堰拆除[2]陈念辉，潘益斌．锦屏二级水电站尾水出El挡沙坎改建设计研究量较大，清渣方量大，施工难度增大，工期较长；[J]．华东工程技术，2013(3)：98．101．挡沙坎坎顶高程过高，则影响尾水出口水流形态，[3]王晓东，王党在．川西南山区河流引水式电阻取水防沙设计探讨甚至会抬高尾水水位、降低发电水头，影响电站效[J]．四JiI水力发电，2012，31(s1)：36．39．益。锦屏二级水电站下游为官地水电站，官地水电[4]陈青生，傅宗甫，等．锦屏二级水电站尾水出El水工模型试验及站死水位为1328．0m，正常蓄水位1330．0In。因数值模拟研究报告[R]．南京：河海大学，2011．[5]陈荣刚，雷运华，张建民，等．深覆盖层河道闸坝电站防沙布置此挡沙坎顶高程围绕1328．0m进行比较，分别拟试验研究[J]．吉林水利，2011(4)：6—10．定了1330．5、1330．0、1329．5、1328．0m4个方(责任编辑王琪)案进行水工模型试验复核验证，并采用三维紊流水动力数学模型进行数值模拟相互验证。根据水工模型试验研究成果，对挡沙坎体形进行适当修改，挡沙坎坎顶加高至1328m方案与原可研设计方案相比，在锦屏二级水电站发电初期下游河道水位较低时存在一些影响，但随着机组运行台数的增加逐渐减小，对今后电站效益几乎没有影响。而且挡沙坎坎顶高程抬升后，对低水位下的尾水出口流态会产生一定影响，挡沙坎后的水流在坎后出现自由跌流现象，但当下游河道水位较高时，挡沙坎后的水流Ware，PoVo1．4No．8固'