乐都二级水电站压力前池泄水建筑物的设计方案探讨

韩涛（上海勘测设计研究院有限公司上海虹口200434）

乐都二级水电站压力前池泄水建筑物的设计方案探讨

韩涛
（上海勘测设计研究院有限公司上海虹口200434）

本文结合四川省乐都二级水电站研究了乐都二级水电站压力前池泄水建筑物的型式，经过综合比较，确定了最优方案，以期为类似案例提供借鉴。

水电站；压力前池；泄水建筑物；设计分析

1　概况

乐都二级水电站位于四川省雷波县以北西宁河源头支沟——乐都沟内，为西宁河流域雷波段“十级”开发方案中的第二个梯级电站，其开发方式为无调节径流引水式，开发任务为发电，无其他综合利用要求。电站设计引用流量为6.72m3/s，设计水头178m，装机容量2×5MW。电站从乐都沟中游溶洞出水口建坝取水，经河道右岸引水至乐都沟与烂坝子沟汇口处建厂发电，工程布置从上至下为：底栏栅坝、沉砂池、引水隧洞、压力前池、压力钢管、主副厂房和尾水渠等。其中压力前池为半洞内前池，渐变段长14m，池身段长10m，闸室段长8.2m。前池深5.6m，宽4m，泄水侧堰长9.5m，宽0.5m。

压力前池初步设计中采用侧堰泄水渠泄水的方案，渠道顺坡布置，坡度约25°～50°，采用箱涵式暗渠。渠道总长度为319.45m，底宽0.8m，高0.7m，底板和边墙厚均为0.4m，暗渠内设消能阶梯，渠道底部设置齿槽和底板锚杆来满足渠道的抗滑稳定要求。为增强底板基础围岩的完整性，需对底板岩石基础进行固结灌浆。

2　泄水渠方案存在的问题

初设泄水渠方案在施工实施过程中存在以下问题：

（1）泄水渠处岩层走向与边坡平行，倾向坡外，倾角大于坡角，为同向层状陡倾结构边坡，岩体中延伸性较好的结构面为岩石层面，泄水渠会有渗水，渗水浸入岩石层面，边坡有顺其层面滑移的可能，不利于边坡稳定。

（2）渠道所处地形坡度较陡，施工难度大，开挖后的护坡及混凝土浇筑不易实施。渠道下部要穿通乡公路，无改建公路条件，会对当地居民交通产生不便。

（3）渠道方案沿线有几处坟墓，且有较多植被及农田，由于当地居民阻挠，征地困难，搬迁费用较高，搬迁难度较大。

3　泄水钢管与压力主管并排泄水方案

由于原泄水渠方案地质地形条件、施工条件、移民征地和工程投资等存在的问题，现提出采用泄水钢管和压力主管并排布置的泄水方案。

（1）压力管线区地质地形条件

压力管道在高程1150m以上为30°斜坡，基岩裸露，为白云岩；高程1150m～1116m 为15°缓坡，地表覆盖薄层崩坡积块碎石夹粉质粘土，厚度小于2.5m，下伏基岩为白云岩夹灰岩；高程1116m以下为陡崖，基岩裸露，为白云岩。在管道中部高程1196m处发育f2小断层，断层走向与管道线直交。管道沿线岩层产状均倾向坡外，倾角41°～60°（大于坡角），属层状同向陡倾结构边坡，整体稳定，不存在大的稳定问题。因此，建议将管墩基础置于强风化下部岩体上。同时由于管墩开挖范围和深度有限，不会对管道边坡整体稳定产生不利影响。

（2）泄水管方案布置及优点

泄水管与引水压力管道并排布置，与主管共用管槽和镇支墩，管径采用1.0m和0.8m两种规格，其中1#镇墩与2#镇墩之间采用1.0m直径，2#镇墩以下采用0.8m直径，前池与1#镇墩之间采用暗渠形式衔接，设计最大泄水流量为6.72m3/s。由于泄水管末端为自由出流，承压较小，管壁厚度采用结构要求的6mm，泄水管从厂房底部穿过，将水流引向西宁河。

泄水管方案与泄水渠方案相比，有以下优点：

1）泄水管方案不存在渗漏问题；

2）压力主管管槽开挖已经基本完成，只需将现有管槽扩宽以满足泄水管线布置，征地较少；

3）泄水管方案可从跨过通乡公路，对当地交通的施工干扰少；

4）泄水管方案则可以与压力管道的施工索道共用，施工方便，能相应节约投资。

图1　泄水管横断面图

图2　镇墩平面面图

4　泄水管存在的问题及探讨

由于泄水管与压力主管共用管槽、镇支墩，在运行中可能存在以下问题：

（1）振动问题

在正常运行工况下，压力主管引用流量为6.72m3/s，机组满发，此时泄水管中仅为压力前池溢流侧堰流出的剩余水量，流量较小，泄水管运行中无任何问题。

当机组全部丢弃负荷时，机组关闭，此时全部流量从前池侧堰溢出，泄水管承担的下泄流量为6.72m3/s。在泄水过程中，水流势能转换为动能，水流速度变大，钢管立面上有几处转弯，水流会不断冲击泄水管管壁，同时可能会产生泄水管振动，对镇墩稳定不利。因此在钢管镇墩稳定计算中，应考虑一部分振动荷载，增加安全稳定系数，同时镇墩基础面应开挖至强风化基岩以下，凸起镇墩还应在底部设置锚杆。

（2）抗外压问题

由于在运行过程中，由于流量变化，水流速度较快，水流在泄水管转弯处就可能跳到钢管的上半部流动，空气就会掺入水流，不再具备明渠均匀流的条件，钢管的过流能力下降，当某一端面的过流能力小于Q=6.72m3/s时，水流就会在该断面处雍高，当水面雍高到一定程度时，具备了有压流的条件时，该断面处雍高的水又会被拉空，水流又变成无压流，管道中水流一直重复着上述两个无压和有压交替的复杂流态，因此泄水管中可能会存在局部水流拉空引起的抗外压失稳的问题。因此需对泄水管进行抗外压验算，必要时需设置加劲环。

5　过流能力计算、稳定计算和抗外压计算

（1）过流能力计算

最大流量下泄水管的过流能力采用明渠均匀流的计算公式：

连接暗渠、1.0m直径钢管，0.8m直径钢管段最小坡度分别为1：20，1：1.732，1：2.006。按Q=6.72m3/s套入上公式得出3段泄水断面的水深分别为0.7m，0.4m，0.5m.因此按照明渠均匀流，泄水管的过流能力是满足设计流量要求的。

但是在实际的泄水过程中，管道中水流会存在无压和有压交替的流态，设计中只需判断泄水管道三个不同断面起点位置处是否具备满足流量为Q=6.72m3/s时形成有压流的条件即可，可按照能量守恒的原理分析：

假定在暗渠首部要形成有压流，动能V2/2g=（6.72/1.42）/2/9.81=0.60m根据能量守恒，形成有压流所需势能等于动能加上能量损失及水头损失，水头损失忽略不计，安全系数取1.5，因此淹没深度为1.5× 0.6=0.9m，根据进水口规范上最小淹没深度的要求，淹没深度最小为1.5m～2m，本工程该断面处水深为4.3m，满足暗渠首部形成有压流的要求；

假设在1.0m直径管道断面起点处形成有压流，动能：V2/2g=（6.72/3.14/0.52）/2/9.81=3.735m，所需淹没深度为1.5×3.735=5.6m，本工程该断面处淹没水深为5.7m，满足要求；

假设在0.8m直径管道断面起点处形成有压流，动能：

V2/2g=（6.72/3.14/0.52）/2/9.81=9.12m，所需淹没深度为1.5×9.12=13.68m，本工程该断面处淹没深度为26.5m，满足要求。

综上所述，本工程泄水管道是满足最大流量6.72的过流能力要求的。

（2）稳定计算

前池泄水管道布置与压力钢管同管路、同镇墩、支墩，并排布置。故泄水管道稳定即为压力钢管之稳定，各镇墩稳定计算见表1。

从表中可知，管道各镇墩基地应力均满足要求，抗滑稳定系数均大于1.5，满足抗滑稳定要求。

（3）管壁抗外压稳定计算

泄水管管壁的抗外压可根据《水电站压力钢管设计规范》DL/T 5141-2001中附录A计算，外压荷载取一个大气压0.1MPa，抗外压稳定安全系数取2.0。首先验算不设置加劲环时是否满足抗外压稳定要求，计算公式为：

表1　各镇墩稳定计算表

式中：Es——钢材弹性模量；

t——管壁厚度；

Pcr——抗外压稳定临界压力计算值。

经计算，当管壁不设置加劲环时，厚度取6mm，管径1m和0.8m计算出Pcr值分别为0.089MPa和0.174MPa，抗外压安全稳定系数分别为0.89和1.74，不满足抗外压稳定要求，需设置加劲环。本工程取加劲环高度取10cm，间距3m，加劲环间管壁抗外压计算根据上述规范采用米塞斯公式，计算得抗外压安全稳定系数分别为5.33和11.22，满足要求。

6　结语

泄水管道方案可满足泄流能力，并且能够满足抗滑稳定的要求，管道振动问题可采用增加镇墩体积的方式解决，管壁设置加劲环后满足外压稳定。但是在泄水管道施工时一定要保证混凝土质量合格，镇墩和支墩的基础面一定要挖到基岩上。从电站至今运行情况来看，泄水管和压力主管工作时并未发生任何不安全现象，状态良好。陕西水利

（责任编辑：畅妮）

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