果多水电站引水系统设计特点

申显柱 邵凌峰 骆世威

摘 要：果多水电站为坝后式水电站，工程区地处高海拔、寒冷地区，地震烈度较高。引水系统布置于重力坝引水坝段，其坝式进水口布置空间受限、坝后背管存在防寒抗震要求和大型牛腿结构设计等存在深入研究论证的问题。

关键词：果多水电站 坝式进水口 壩后背管 大型牛腿

1.工程概述

果多水电站位于西藏扎曲河段热曲汇口上游4km处，水库正常蓄水位高程3418m，相应库容为7959万m3，最大坝高83m，装机容量160MW（4×40MW），为三等中型工程，枢纽布置由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、坝身泄洪冲沙孔、左岸排沙管、左岸引水坝段及坝后厂房等建筑物组成。地震基本烈度Ⅶ度，水平地震加速度0.09g。坝址多年平均气温5.6oC，极端最低气温-20.7oC，年平均日温差为16℃。工程区地处高海拔、寒冷地区，地震烈度较高。

引水系统位于左岸挡水坝段，采用单管单机的供水方式，由坝式进水口及坝后背管两部分组成。单条引水管路长98.74m，引用总流量365m3/s，流速5.25m/s。进水口底板高程为3398.00m，塔顶操作平台与坝顶同高。进水口由拦污栅、喇叭口、闸门井和通气孔组成，采用四孔分体式布置，进水口前缘宽度64.50m，顺水流方向长17.85m。坝后背管采用全留槽（浅埋管）布置型式，斜井段背管外包混凝土外缘与下游坝面重合。四条钢管平行布置，中心间距15.8m。钢管直径4.8m，外包C20W8F200混凝土厚1.2m，管壁厚度14～18mm（Q345R）。引水系统纵剖面布置见图1。

2.进水口设计特点

2.1 进水口底板高程确定

考虑如下因素：（1）应高于河床冲淤平衡高程3378.38m。（2）进水口淹没深度应有一定富余深度。（3）按规范的要求，淹没深度要满足冬季库区结冰后的运行要求。

2.2 进水口结构型式选择

坝式进水口布置于左岸引水坝段。因为常规进水口的布置长度较大，所以应尽量缩短进水管道长度，减少喇叭口、闸室、通气孔等开孔对坝体的削弱。通过对大古力第三电厂、长江三峡等类似工程的分析研究后，提出设计原则：（1）进水口的喇叭口顶板、两侧边墙及底板均由不同半径的圆弧曲线或椭圆曲线组成，并尽量做成四边对称的钟形喇叭口，以便水流流态稳定。（2）将第一道平板检修闸门布置在喇叭口进口断面处，第二道平板快速事故闸门布置在喇叭口末端。（3）进水口的过水流道断面积不宜过大，喇叭口进口断面面积一般为引水主管道断面面积的1.8～2倍，末端断面面积为引水主管道断面面积的一倍或稍大，其高宽比一般为1.5：1。（4）进水口后紧接的渐变段长度一般为引水主管直径的一倍或者稍大。（5）结合引水坝段宽度及冬季库区冰盖厚度对拦污栅的影响，确定拦污栅底板高程3394.80m，底部坐落在坝体上游悬挑7.35m的牛腿上。

根据以上原则，本电站坝式进水口的孔口面积减小，对坝体的削弱影响减小，孔口曲线简化，且与进水流线更吻合。

3.坝后背管设计特点

3.1 坝后背管布置型式选择

（1）布置原则：①需考虑本工程布置特点，使枢纽布置整体协调、顺畅；②尽量减少对坝体的削弱，减少对大坝混凝土施工与压力钢管安装之间的干扰；③尽量缩短管道长度，节省工程量；④需考虑管道防寒保温效果；⑤具有良好的抗震性能。

（2）布置型式选择。坝后式水电站多采用坝后背管结构布置型式，即管道穿过进水口后的坝体，随后平行于下游坝面布置，如已建成投产发电的五强溪、景洪、金安桥、三峡等水电站工程。这种布置型式既能减少坝体混凝土施工与压力钢管安装之间的干扰，又可使压力钢管随机组先期投产运营而提前获得效益。鉴于本电站钢管管径不大，重点对两种典型的坝后背管布置方案进行研究、比较及选择，第一种是采用全留槽（浅埋管）方案，第二种是全背管方案。两个方案剖面布置见图1、图2，综合比较内容见表1。

本工程位于西藏高海拔、寒冷地区，地震烈度较高，因此钢管的防寒保温效果和抗震性能不容忽视。最终选择全留槽（浅埋管）布置方案。

3.2 坝后背管结构计算

（1）常规计算方法。常规计算方法是指采用规范进行各工况结构计算分析，坝后背管按钢衬钢筋混凝土管道联合承载设计，钢材选用Q345R，钢筋选用HRB400，外包C20混凝土厚度1.2m，选取三个典型断面进行结构计算，成果见表2。

（2）有限元法计算。有限元法计算所采用的模型分为壳单元和实体单元两类，混凝土和钢管按共节点方式处理，并考虑昼夜温差的不利工况。在内水压力作用下，钢管的Mises应力分布见图3，混凝土的第一主应力分布见图4。

计算成果表明，坝后背管由于受到坝体混凝土的三面约束，钢管的Mises应力最大值10.32MPa，整体应力水平较低。坝面在垂直于水流方向的低高程区域第一主应力最大值为1.29MPa，大于混凝土的抗拉强度设计值，会有顺水流方向裂缝出现。结合计算成果进行配筋计算，垂直水流方向的坝面受力钢筋Φ22@15cm，钢管外包混凝土迎水面内层受力钢筋Φ25@20cm，裂缝宽度最大值为0.27mm，满足要求。

综上所述，通过对坝后背管采用不同方法进行分析计算，其结构应力处于较低水平，且有结构配筋措施，故安全性可以得到保障。

4.大型牛腿结构设计研究

4.1 基本情况

本电站坝式进水口与大坝检修闸门共用一个门机。根据坝顶结构布置特点及门机布置、运行需求，需在进水口左右两侧端部向上游各悬挑7.35m的大型牛腿，牛腿结构采用C20混凝土，钢筋选用HRB400，门式启闭机轨道单点荷载作用在牛腿上的竖向轮压标准值Fvk=770kN。牛腿结构断面见图5。

按现行规范采用常规方法对牛腿配筋进行计算时，由最小配筋率控制，但是牛腿跨度长、断面尺寸大，导致钢筋直径很大、间距极密，给钢筋的加工安装造成难度，也影响到混凝土的浇筑下料施工和振捣密实，同时高海拔、寒冷地区对混凝土施工质量控制要求很严格，这些技术问题处理不当将会影响结构的安全性。因此，在参考已建工程同类型牛腿结构设计资料的基础上，对本工程所涉及的具体问题进行了重点研究分析。

4.2 牛腿结构配筋计算

经过对牛腿高度验算，满足裂缝控制条件，现仅对纵向受拉钢筋配筋计算进行重点研究，按不同计算方法考虑的纵向受拉钢筋计算成果见表3。

通过上述计算成果表可知，按常规牛腿方式计算得到的纵向受拉钢筋面积最小，按简化牛腿方式、悬臂梁方式及有限元应力图形法计算得到的钢筋面积基本相当，按规范规定的大体积混凝土方式考虑配筋面积最大，但均远小于按结构最小配筋率计算结果。从有限元应力图形上可以看出，牛腿结构内部总拉应力值并不大，按有限元应力图形法算得的配筋量已基本能满足要求。最终选配钢筋为Φ32@15cm（面积AS=5361mm2）。

5.结语

果多水电站引水系统具有坝式进水口整体布置紧凑且体形合理、坝后背管采用防寒抗震全留槽（浅埋管）结构型式、大型牛腿结构设计配筋计算方法研究等鲜明技术特色，可为同类工程借鉴。电站自2015年12月首台机组并网发电以来，引水系统至今运行良好。

参考文献：

[1]NB/T 35024-2014，水工建筑物抗冰冻设计规范[S].

[2]DL/T 5398-2007，水電站进水口设计规范[S].

[3]NB/T 35056-2015，水电站压力钢管设计规范[S].

[4]DL/T 5057-2009，水工混凝土结构设计规范[S].