土卡河水电站表孔坝段及消力池体形设计优化

第２２卷　第６期　云南水力发电　ＹＵＮＮＡＮ　ＷＡＴＥＲ　Ｐ０ＷＥＲ　土卡河水电站表孔坝段及消力池体形设计优化　龙文，纪辉，王勇　１０００２４）　（北京国电水利水电工程有限公司，北京摘妻：云南土卡河水电站是一个中型水电工程，拦河坝为碾压混凝土重力坝。针对大坝施工所具有的时间短、强度高、工程量大　的特点，对表孔坝段和消力池体型进行了优化，在保证建筑物的结构强度及稳定性的前提下，简化了体形。提高了施工速度，保证　了讯前施工计划的完成。　关键词：碾压混凝土重力坝；表孔；消力池；设计优化　中圈分类号：ＴＶ６５３．’ｌ　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—３９５１（２００６）ｏ６—００３５—０３　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｒｅｓｔ　Ｏｕｔｌｅｔ　Ｄａｍ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｌｕｎｇｅ　Ｐｏｏｌ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｔｕｋａ　Ｒｉｖｅｒ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ＬＯＮＧ　Ｗｅｎ，ＪＩ　Ｈｕｉ，ＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｏｔＳｔａｔｅ　Ｐｏｗｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｔｕｋａ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｓ　ａ　ｍｅｄｉｕｍ——ｓｉｚｅｄ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａ　ｍｉｌｅｒ　ｃｏｍｐａｃｔｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｄａｍ　ｉｎ　Ｙｕｎｎａｎ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｃｒｅｓｔ　ｏｕｔｌｅｔ　ｄａｍ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ，ｈｉｇｈ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｎｄ　ａｌａｒｇｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ．　Ｉｔｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｅｆｏｒｅ　ｃｏｍｉｎｇ　ｏｆ　ｌｆｏｏｄ　ｂｙ　ｓｉｍｐｌｉｆｙｉｎｇ　ｈｅｉｔｒ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｐｅｅｄｉｎｇ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｃｏｎ—　ｓｔｒｕｅｔｉｏｎ　Ｏｉｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｙ　ｏｆｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｌｅｒ　ｃｏｍｐａｃｔｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇｒａｖｉｙ　ｄａｔｍ；ｃｒｅｓｔ　ｏｕｔｌｅｔ；ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ；ｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　１工程概况　土卡河水电站枢纽由右岸非溢流坝段、右岸河　２表孔坝段的体形优化　２．１表孔坝段原设计体形　床式厂房、中导墙坝段、左岸表孔坝段、左岸非溢流　坝段组成。电站为三等工程，主要建筑物包括拦河　坝、电站、坝肩边坡，为３级建筑物。主要建筑物设　计洪水标准为５Ｏ年一遇，洪峰流量８　６４０　ｍ３／ｓ；校核　表孔坝段位于河床左岸，桩号为０＋０００至左　０＋０８６　ｍ，分为５个坝段，孔Ｅ１尺寸１４　ｍ×１７　ｍ　（宽×高），采用弧形工作门。表孔的中墩和边墩迎　水墩头采用椭圆曲线，闸墩厚度为４．０　ｍ。表孔堰　面曲线方程式如下：　ｘ洪水标准为５００年一遇，洪峰流量１３　０００　ｍ３Ｉｓ；泄洪　消能防冲建筑物按３Ｏ年一遇洪水标准设计。　１．嘶＝２０．２５２ｙ　坝址区主要由二迭系下统栖霞组的砂质页岩、　石英砂岩、石英粉细砂岩及第四系（Ｑ）地层组成。　表孔坝基岩层主要为砂质页岩，约占坝基面积的　５９％，炭质页岩约占２８％，石英砂岩占１３％左右。　表孔坝段的施工具有时间短、强度高、工程量大　的特点。为保证施工计划的完成，施工详图阶段，在　表孔堰顶高程３５１．０　ｍ，堰面曲线原点桩号下　Ｏ＋（）ｏ５．０７６　ｍ，末点与坡比１：０．８５的斜直溢流面相　切；斜直溢流面后接反弧段，反弧半径１７．０　ｍ。反　弧段后接消力池。堰面上游为复式圆弧，上游坝面　采取３：１斜面。　参考国内外工程经验及水工模型试验的基础上，对　表孔和消力池体形进行了设计优化。　表孔坝段基础垫层采取常态Ｃ１５混凝土，上游　面采取碾压Ｃ１０混凝土，坝体采用碾压Ｃ７．５混凝　土，堰顶和溢流面及闸墩采用常态Ｃ２５混凝土。　÷收稿１３期：２００６—１１—１３　作者简介：龙文（１９６８一），男，湖南宁远人，高级工程师，主要从事水：亡建筑设计工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

云南水力发电　２ＯＯ６年第６期　２．２表孔坝段体形优化　表孔坝段溢流面采取光滑堰面，施工中先完成　碾压混凝土的施工，然后再进行２　ｍ厚的溢流面常　态混凝土的浇筑施工，施工难度较大。　国内外许多碾压混凝土坝为加快坝体混凝土的　施工进度，采取能提高施工速度并和混凝土碾压相　适应的台阶式溢流坝面，取消了溢流面常态混凝土。　如云南大朝山水电站、福建水东水电站、四川鱼剑口　水电站等。这些工程在投入运行后，经过流考验，在　溢流过程中台阶未出现空蚀破坏，证明台阶式溢流　坝面完全能满足运用要求。　借鉴上述工程的设计经验，采用台阶式溢流坝　面，对提高土卡河水电站表孔混凝土的浇筑速度，保　证施工进度是可行的。　２．３优化原则　（１）采用台阶式溢流坝面，不影响到坝体的稳定　和结构。　（２）布置台阶时，以原坝面为外轮廓线。　（３）台阶高度与碾压混凝土分层相适应。　（４）考虑到在小流量时，减轻负压影响，在上部　几级台阶采取掺气措施。　２．４优化体形设计　根据土卡河水电站水工模型试验成果，并参考　其他工程经验，台阶在堰顶以下３　ｍ开始布置，起始　高程为３４８　ｍ，直至３３３　ｍ高程，取消下游反弧，下游　坝面以１：０．８５的斜线与３２９　ｍ平台相接。台阶高　度取为Ｏ．９　ｍ，台阶顶点与原设计坝面相接，共计１５　级台阶。　在小流量泄流时，为减小上部几级台阶出现的　负压，分别在最上部的３级台阶两侧设置通气管，管　径声２ｏ　１２１／＇１。　原设计溢流面混凝土标号为常态Ｃ２５，在坝面　改为台阶式后，为保证溢流面仍然有足够的强度抵　御空蚀和冲击破坏，坝面台阶采用加浆振捣的变态　混凝土，在堰顶３４７　ｍ高程以上仍为常态Ｃ２５混凝　土，其余维持原设计不变。　３消力池体形优化　３．１消力池原设计　消力池底板顶高程为３２９　ｍ，厚度为４　ｍ，分块　为ｌ８　ｍ　Ｘ　１６　ｍ。在末端设差动齿坎，高坎顶高程为　３３５　ｍ，低坎顶高程为３３２　ｍ，尾坎末端桩号为下０＋　１０６．８　ｍ，池长为７１．４　ｍ。消力池采取封闭抽排措施　保证底板稳定性，在底板和中导墙、表孔坝段、左岸　翼墙及分块之间布置止水形成封闭止水体系，在齿　坎内设灌浆排水廊道，布置一道灌浆帷幕与中导墙　和左岸翼墙底部的灌浆帷幕相接形成完整防渗系　统；在中导墙、齿坎、左岸翼墙的廊道内布置排水孔，　在消力池底板内设排水涵管并布置３　ｍ间距的排水　孔，集渗水汇人廊道流人集水井后排人下游河道。　消力池底板布置西２８插筋，间距４　ｍ，锚人基岩　４　ｍ。在基础布景固结灌浆，孔排距为２　ｍ×２　ｍ，灌　浆深度为５～８　ｍ。　消力池底部２ｍ厚采取常态Ｃ１５（三）混凝土，顶　部采取常态Ｃ２５（三）混凝土。　３．２优化原则　（１）消力池底板必须有足够的抗浮稳定能力，并　有一定抗冲耐磨能力。　（２）采取能满足混凝土快速浇筑的施工方式，即　用碾压混凝土代替原常态混凝土。　（３）采取措施，简化混凝土分块，便于碾压混凝　土的快速施工。　（４）在满足基础承载力、变形及抗渗要求的前提　下，简化基础处理。　（５）消力池的尾坎高程尽量高一点，为抽水检修　创造条件。　３．３体形优化　根据上述优化原则及现场施工情况，对消力池　体形优化如下：　（１）将消力池底板顶高程抬高至３３３　ｍ，厚度改　为３　ｍ。在末端设连续尾坎，坎顶高程为３３７　ｍ，尾　坎内坡为ｌ：ｌ，消力池末端桩号为下０＋０９５，池长为　５９．６　ｍ。底板的常态混凝土改为碾压混凝土，标号　为Ｃ９０２ｏ。　（２）为适应快速施工，取消消力池底板的纵缝，　保留横缝，横缝间距为１８　ｍ，共５块。在底板底部配　置间距＠２０　ｅｍ的　２２钢筋网。在基础布置　２８插　筋，间距４　ｍ，锚人基岩４　ｍ。　（３）取消分缝之间的铜止水，改暗排水孔为明排　水孔，取消齿坎内的廊道及帷幕和排水孔。将下游　帷幕移到坝体下游廊道内。　４水工模型试验验证　为验证体形优化后的表孔坝段泄流能力及了解　在下泄不同频率洪水时堰面的压力分布，进行了单　体水工模型试验。试验结果表明：　（１）在设计洪水和校核洪水情况下，表孔泄流能　维普资讯 http://www.cqvip.com

龙文，纪辉，王勇土卡河水电站表孔坝段及消力池体形设计优化　力完全能满足要求；　（２）在设计洪水和校核洪水隋况下，堰面无负压　出现。但在闸门局部开启，泄小流量泄流时，在前几　（１）表孔坝段采用台阶式溢流坝面，在泄流能力　及泄流时的堰面压力分布上和原设计基本一致，但　级台阶有负压出现，但量值不大；　（３）设置通气孔掺气对台阶的减蚀有很大帮助；　（４）消力池底板顶高程抬高和池长缩短后，可满　足不同频率洪水下泄洪消能要求。　其体形方便了施工，有利于提高施工速度。　（２）消力池根据试验抬高了底板顶面高程、缩短　了池长，优化修改为整体底板、明排水，底板采用高　标号碾压混凝土浇筑后对简化施工、提高施工速度、　降低工程造价带来了可观的效益。　５结论　（上接第３４页）的不设铜止水，底板采取明排水孔，　（２）堰面压力：在设计、校核洪水位工况下，堰　面、门槽、闸墩边壁上的压力均为正压分布，时均压　力值在正常范围之内。台阶坝面在校核和设计洪水　位时，台阶面产生空蚀破坏的可能性不大。在正常　蓄水位局开工况下，空腔后台阶面上的压力，随闸门　间距３　ｍ，孔内充填反滤沙。在基础设置　２８锚杆，　入岩４　ｍ，间排距４　ｍ。　在消力池下游设１０　ｍ长的护坦，宽为１８　ｍ。护　坦厚度２　ｍ，护坦设４　ｍ间距锚杆，及３　ｍ间距的明　排水孔。　６水工模型试验　６．１整体水工模型试验　开启度的升高而增大。在局开工况下，台阶面上均　有稳定空腔，空腔长度在６．４～１２．０　ｍ之间，空腔内　负压在（一０．８　１．２４）×９．８　ｋＰａ之间。通过在第一　级台阶设置小挑坎和，ｔ５ｏ　ｃｍ的通气孔，可满足掺气　减蚀要求，对坝面起到很好的保护作用。　（３）采用台阶溢流坝面后，在设计洪水和校核洪　整体水工模型试验比尺为１：８０。试验成果表　明枢纽的整体布局是合理的，泄洪建筑物的泄流能　力可满足不同频率洪水的下泄要求。随着下泄流量　水情况，其泄流能力和光滑溢流面相比较基本一样。　（４）试验中，研究了消力池底板采用不同高程对　消能效果的影响。由于下游水位较高，当消力池底　板高程从３３１　ｍ抬高到３３３　ｍ，效果基本一样，但由　于相对淹没度减小，尾坎后的水面波动有所增加。　的加大，下游冲坑深度加大，位置下移，冲坑不会危　及建筑物安全．在大洪水情况下，消能建筑物的消能　率为３０％。　６．２单体水工模型试验　单体水工模型试验取一个表孔，模型比尺为　１：４０。对台阶坝面的泄流能力、堰面压力分布等进　行了研究。　７结论　（１）土卡河水电站采用的台阶式溢流坝面加平　尾墩加消力池的泄洪消能方案是可行的，可满足不　同频率洪水的泄洪和消能要求。　（１）堰面流态：在全开运行工况下，闸门开启后，　开始堰面水流呈现舌状跌落流态，水流逐级跌落，水　体破碎并掺入空气，舌状跌流现象历时较短，随着流　量的增大，溢流面上水流多级跌落状态消失，水流表　面趋于平顺。在校核洪水位３７０．５　ｍ和设计洪水位　３６６．２　ｍ工况下，水流表面趋于光滑，台阶潜没于溢　（２）枢纽的整体布局是合理的，泄流能力满足要　求，下游冲刷不会对工程建筑物安全造成威胁。　（３）台阶式溢流坝面在大流量泄洪时，其泄流能　力、堰面压力分布基本和光滑溢流面相当。　（４）在闸门小开度运行工况下，堰面会出现负　压，在采取一定工程措施后，可避免坝面出现空蚀破　坏。　流水舌之下，水体内部紊动减弱，第１级台阶水流衔　接连续，无脱壁现象。在正常蓄水位３６８．０　ｍ局部　开启运行时，弧门开启度ｅ＝１．７　ｍ、３．４　ｍ、５．１　ｍ、　１．７　ｍ、６．８　ｍ、８．５　ｍ、１０．２　ｍ运行工况下，台阶坝面　上有稳定空腔，随开度增加，空腔范围逐渐缩小。掺　（５）抬高消力池底板到３３３　ｍ高程是可行的。　在保证消能效果、不加剧下游冲刷的前提下，节省了　工程量，取得较好的工程效益。　气设施在小泄量能够满足掺气减蚀的要求。