下浒山坝后电站坝式进水口结构设计与研究

康金桥 李 军 胡建华(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

设计与施工

下浒山坝后电站坝式进水口结构设计与研究

康金桥 李 军 胡建华(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

下浒山坝后电站坝式进水口采用分层取水的结构型式，使进水口墩墙牛腿支撑体系的结构规模加大，厂房尾水兼做供水渠首，下游河道只有很少的生态基流，这一特殊的运行方式使重力坝承受的静水压力较大。采用有限元计算软件建立坝式进水口的三维整体模型，对坝式进水口的结构进行变形、应力及配筋计算，为设计提供依据。

碾压混凝土重力坝；水电站厂房布置；坝式进水口；结构设计；结构研究；下游山水库；安徽

下浒山水库工程位于安徽省安庆市潜山县源潭镇境内的大沙河上，是大沙河干流上的骨干控制性工程，具有防洪、灌溉、供水和发电等多项综合利用效益。

工程主要建筑物包括碾压混凝土重力坝、坝式进水口、厂房及其引水建筑物、灌溉与供水渠首。进水口采用分层取水的型式，使其墩墙的牛腿支撑体系的结构规模加大；厂房尾水渠兼做供水渠首，下游河道只有很少的生态基流，这种特殊的运行工况使重力坝承受的静水压力较大。另外，进水口墩墙及连系梁的断面尺寸大，有利于结构的受力和变形，但同时也会加大支撑体系的规模，增加底部牛腿的荷载。因此，选取合理的断面尺寸对确保进水口结构的安全和电站建成后的高效稳定运行，具有十分重要的意义。

1 设计标准

根据《防洪标准》(GB50201—94)和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)的规定，该工程属Ⅱ等大(2)型水库工程；电站进水口为2级建筑物，按照100a一遇洪水设计，1 000a一遇洪水校核。上游的正常蓄水位为115.00m，死水位为90.00m，上游设计洪水位为115.70m，上游校核洪水位为117.69m。为了防止产生贯通式漏斗漩涡，进水口引水管的底部高程必须满足一定的淹没深度。拦污栅的尺寸设计应当满足正常工况下最大过栅流速均不得大于1m/s，非常运行工况下不得大于 1.2m/s的规范要求。

依据《水工混凝土结构设计规范》SL191—2008，进水口各钢筋混凝土构件最大裂缝宽度为0.3mm，挠度最大值为l/200。

2 结构布置

引水发电系统位于大坝右岸，为坝后电站厂房布置型式。坝式进水口从右岸非溢流坝段取水，依次布置有拦污栅、分层取水叠梁门、喇叭口及事故检修闸门。由于电站进水口兼顾发电与灌溉引水，考虑生态及环保要求后，对进水口采用分层取水的布置型式。对进水口拦污栅及分层取水的叠梁门支墩采用两孔三墩布置。3个支墩布置在突出坝体长6m的牛腿上，考虑到分层取水的要求，拦污棚墩净间距设计为3.6m，为满槽布置，其中墩由连系梁与坝体及2个边墩相连，以保证结构的整体稳定性。连系梁及支撑横梁断面尺寸均为 0.5m×0.7m(宽×高)。2个边墩上设置有间排距2m、直径15cm的平压孔，以保证在分层取水时边墩与中墩的内外水平压。

将分层取水的叠梁门门槽布置在拦污栅的后面，叠梁门位于高程 78.20～106.20m之间，单节尺寸为4.2m×3.5m，共有8节。喇叭口段流道的断面由8.5m×5.8m渐变为 3.2m×3.2m，流道底面、侧面与顶面均采用曲线过渡。其中，底面是采用半径为 1.5m的1/4圆弧段过渡，侧面是采用x2/3.62+y2/2.652=1的二次曲线过渡，顶面是采用x2/3.62+y2/1.12=1的二次曲线过渡。

事故检修闸门紧接喇叭口段，流道尺寸为 3.2 m×3.2 m(宽×高)，在事故检修闸门后设有直径为600 mm的通气孔穿出下游坝面。3台机组总引用流量36.71 m3/s，死水位90.00 m，为防止产生贯通式漏斗漩涡，保证电站正常引水发电，按戈登公式计算，进水口所需最小淹没深度为4.68 m；相应地，引水管底部高程为82.12 m，取其高程为 80.00 m；进水口底部高程为78.20 m，进水口顶部高程与坝顶同高，为119.00 m；进水口高 40.80 m、宽11.50 m。拦污栅、分层取水叠梁门及事故检修闸门的启闭及安装，均通过布置在坝顶的门机操作。

拦污栅墩按两孔三墩布置，2个边墩及1个中墩宽均为 1.3 m，每孔设一道栅槽，尺寸为 0.60 m×0.30 m(宽×深)，孔口宽 为3.6 m；拦污栅流道尺寸为3.60 m×0.60 m(长×宽)，过栅流速为0.66 m/s，满足正常工况最大过栅流速均不得大于1 m/s以及非常运行工况也不得大于 1.2 m/s的规范要求。事故检修闸门的流道尺寸为 3.60 m×0.60 m(长×宽)。

3 三维有限元结构计算

重力坝的基岩为刘畈组黑云母二长花岗片麻岩，建基面以下大多都属于微新块状的AⅠ～AⅡ类完整岩体，饱和单轴抗压强度100～160 MPa，弹性模量为 1.8×1010Pa。采用有限元软件ANSYS12.0 对进水口结构在最不利工况下各部位的变形、应力及配筋进行计算，选取进水口所在的宽 22 m的非溢流坝段及该坝段上游 88 m、下游 88 m、大坝底面以下110 m范围的岩基作为计算单元。坝体的底部高程为45.00 m，顶部高程为 119.00 m，坝高为74 m。

由于该电站厂房的尾水渠兼作灌溉渠首使用，因此，在电站运行过程中，只有少量的生态基流流入下游河道，且进水口的最不利工况为重力坝上游校核洪水位工况。这样，重力坝在校核洪水位工况下的荷载主要为结构自重、静水压力和扬压力，静水压力为高72.69 m的水头压力。

计算模型中的有限元网格单元为六面体。为使所求结果更加准确，进水口支撑结构的网格单元划分应足够精细。对大坝底部与基础顶面接触部位采用共结点的方式，计算模型的约束则采用岩基底面全约束，上、下游侧面及左、右侧面则采用法向约束。

对参数的选取，所用的混凝土标号为C25，密度为2 500 kg/m3，泊松比为 0.167，弹性模量为 2.8×1010Pa；钢材的密度为7 850 kg/m3，泊松比为 0.3，弹性模量为 2.1×1011Pa；岩石的密度取极小值，即认为地基部分的沉降已经完成，泊松比取为 0.24，弹性模量为 1.8×1010Pa。

4 计算结果分析

(1) 变形分析。在静水压力作用下，因坝体底部刚度较大，坝体垂直方向具有单向约束的特点，各部分位移大小自上而下逐渐减小，最大位移为5.7 mm，以顺水流向位移为主，出现在进水口顶部下游侧。进水口结构支撑体系的最大位移为5.5 mm，以顺水流方向位移为主，出现在支撑体系顶部下游侧。各层连系梁自上而下的最大位移依次为 5.3、4.8、4.4、4.0、3.6 mm。同一层的3根连系梁中顺水流向的位移最大，垂直水流方向2根连系梁的位移从中墩连接部位向两侧墩墙方向逐渐减小。进水口顶部至底部的位移变化范围不大，为 5.7～2.8 mm。因此，进水口结构的变形均在合理范围以内。

(2) 应力分析。在上游校核水位工况下，大部分区域均以较小压应力和有拉应力为主，在大坝上游底部出现有拉应力，在下游底部有明显的压应力。与连系梁连接的部位出现应力集中，顺水流方向连系梁的最大拉应力为 3.2 MPa，出现在其上游的下表面和下游的上表面；最大压应力为 0.5 MPa，出现在连系梁上游的上表面和下游的下表面；垂直水流方向的最大拉应力为1.3 MPa，出现在其与边墩连接部位的上表面，而在该部位下表面的压应力为0.18 MPa，垂直水流方向连系梁与中墩连接部位的下表面最大拉应力为 0.77 MPa，上表面最大压应力为 0.16 MPa。

对顺水流向的连系梁上、下侧各配5根Φ25钢筋；垂直水流向的连系梁上、下侧，则各配5根Φ22钢筋，裂缝宽 0.27 mm。

在边墩及中墩，是以较小的拉应力或压应力为主，大约为 0.1 MPa，中墩底部的压应力最大，为0.3 MPa。墩墙水平向配置钢筋Φ18，间距为20 cm;垂直向配置钢筋Φ20，间距为20 cm;裂缝宽度为 0.26 mm。

5 结 论

5.1 结构布置

下浒山坝后电站进水口顶部高程为119.00 m，大于校核洪水位 117.69 m，满足《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005关于坝顶高程应高于校核洪水位的要求。进水口引水管底部高程满足进水口最小淹没深度的要求，拦污栅尺寸满足过栅流速的要求。

5.2 结构计算

(1) 进水口在校核洪水位工况下的变形主要为顺水流方向的位移，最大值为 5.7 mm，各层连系梁最大位移为 5.7 mm，最大挠度为1/330，满足钢筋混凝土受弯构件挠度的要求。

(2) 进水口墩墙、连系梁的结构尺寸设计合理。墩墙水平向配置钢筋Φ18，间距为20 cm;垂直向配置钢筋Φ20，间距为20 cm，裂缝宽度为 0.26 mm；顺水流向的支撑梁上、下侧各配5根Φ25钢筋，垂直水流向的连系梁上、下侧各配5根Φ22钢筋，裂缝宽度为 0.27 mm。满足钢筋混凝土构件裂缝最大宽度的要求。

(3) 进水口在校核洪水位工况下的应力以较小的拉应力或压应力为主，在顺水流向的支撑梁及垂直水流向的连系梁等连接部位，出现应力集中现象。通过加强局部配筋提高结构刚度，可以保证结构的安全。

下浒山坝后电站进水口的结构布置及计算结束，均满足规范要求，各部位断面尺寸不大，配筋率较合适、配筋方案合理。三维有限元整体计算分析结果表明，该结构运行的安全稳定性能够得到保障。

邵年，廖远志，林学锋.嘉陵江亭子口水电站进水口分层取水设计.人民长江，2004，(4).

马善定,汪如泽. 水电站建筑物.北京:中国水利水电出版社,1996.

王勖成,邵敏. 有限单元法基本原理与数值方法.北京:清华大学出版社,1997.

2014-12-23

康金桥，男，长江勘测规划设计研究有限责任公司枢纽处，工程师.

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