农村小型水电站增效扩容改造建筑物校核

宋宝钢，叶 永

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

1 工程概况

某农村小水电站位于湖北省长阳县境内，系清江中游南岸一级支流小溪流域梯级开发的骨干工程。该电站建成于1999年，电站为水库调节式电站，主要由水库大坝、引水隧洞、压力支管、厂房和升压站组成，总装机容量2×1 000 kW，年均发电量658×104kW·h,年利用小时3 290 h。电站建成后，除自身发电外，主要可对下游重点电站起调节和增容作用。

2 存在问题及改造内容

该电站自1999年投产运行后，已超过20年，存在的问题主要有：雨水充沛期常造成大量弃水，装机容量偏低影响发电效益；主要机电设备落后老化，电站效益与建站初期相比严重下降，实际发电量远低于设计发电量，无法满足无人值班、少人值守的现代化信息管理发展要求[1]；水电站引水隧洞入口和出口出现大量裂纹，部分存在垮塌，影响渠道正常过水；导流冲砂隧洞泥沙淤积严重，部分存在垮塌，厂房等土建部分结构存在局部开裂和渗漏等安全问题和隐患，水电站处于“带病”运行状态，没有发挥正常工程效益和经济效益。此外，下游重点工程——红耀电站已由装机容量2×2 500 kW增效为1×2 500+1×4 000 kW,为满足其需水量，该电站尾水需增加下泄流量进行有效调节。

电站增效扩容改造项目主要对引水建筑物、导流冲砂建筑物及厂房进行改造。对引水建筑物进行更换拦污栅、维修进水闸门和启闭机、引水隧洞洞口维修及更换压力管道改造。对导流冲砂建筑主要进水闸门维修、启闭机防锈处理、导流隧洞洞口维修。厂房部分，更换水轮发电机组，并增容至2 800 kW,更换各变压输电设备并对厂房进行维修装饰。

3 主要建筑物校核

3.1 水库河坝渗流及稳定性复核

该电站拦河大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程502.3 m,上游设防浪墙，墙顶高程503.5 m,最大坝高57.3 m,坝顶宽5 m,大坝上游坝坡比为1∶1.4,下游坝坡设2级马道，高程分别为484.0和465.0 m,下游各级坝坡比为1∶1.3。坝体自上游至下游依次为垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、下游坝面护坡区。混凝土面板最下部厚度为45 cm,顶部厚度30 cm;河床段趾板宽5.0 m,厚1.0 m,岸坡下段4.4 m，岸坡中段4.0 m，岸坡上段3.0 m,厚0.5 m。

通过进行混凝土面板堆石坝渗流及稳定性计算，主要结论：①大坝竣工时的最大沉降24.0 cm，水平位移42 cm；蓄水时的最大沉降24.4 m,下游水平位移6 cm，说明蓄水对最大沉降影响较小，而对水平位移影响相对较大。结合国内已建面板坝的沉降变形经验，该大坝的沉降量对上游防渗面板及周边缝止水的影响不大。②蓄水时，在面板的中下部内外等出现了拉应力，在趾板和面板结合部存在应力集中，设置伸缩缝将对释放应力集中有利。③在高水位作用下，面板整体向下游位移。迎水面最大面板变位为4.8 cm,发生2/3坝高处。④渗流计算得出正常与校核洪水位时水头等势线十分相似，绝大部分水头被混凝土面板和防渗墙拦截;防渗墙、大坝与基岩接触处及出溢点等的总渗透坡降小于规范允许值;大坝渗流量较小。⑤坝坡稳定计算显示，考虑粗颗粒的非线性特性后，滑弧为大滑弧，瑞典圆弧比简化毕肖普的圆弧更大，无论是何种工况、两种方法计算处的安全系数均十分接近，其值约1.86，大于规范允许值[2]。

综上所述，水库河坝沉降和应力符合钢筋混凝土面板变化的一般规律，渗流稳定和抗滑稳定均满足现行规范要求，整个大坝处于安全受力状态。

3.2 有压隧洞安全复核

对于高压隧洞, 抗水力劈裂和防止内水外渗是设计应当考虑的主要问题[3]。有压隧洞在长期使用过程中，既要承受内水压力作用，又要承受围岩应力、温度应力等作用，在复杂的荷载作用下极容易造成混凝土开裂。采用特征因素法，校核钢筋混凝土有压隧洞在内水压力作用下混凝土的应力，以判断混凝土是否开裂。根据钢筋混凝土构件中混凝土轴心抗拉强度公式：

将电站基本参数带入上式，计算得折算系数φ=0.916，弹性特征因数A=0.412。考虑有压隧洞最不利情况，即最大水头作用下混凝土轴心抗压强度为σe=1.09 MPa,小于混凝土的容许强度1.1 MPa,即混凝土不会开裂，有压隧洞可以安全运行。

3.3 厂区防洪墙校核

厂区防洪墙设计标准为30年一遇，校核标准为50年一遇。根据电站坝址河道水位-流量关系表可计算设计水位436.088 m，校核水位436.416 m，见图1。

图1 防洪墙断面简图(单位: mm)Fig.1 Simplified section of flood control wall (Unit: mm)

3.3.1 抗滑稳定性分析

抗滑稳定性分析可按下式抗剪断强度公式：

计算结果见表1。

表1 抗滑稳定计算成果表Tab.1 Calculation results of anti-sliding stability

计算结果可知，防洪墙抗滑稳定性复核满足规范要求。

3.3.2 抗倾覆稳定性分析

采用以下抗倾覆稳定性计算公式，分析该防洪墙的抗倾覆稳定性：

式中：K0为抗倾覆稳定性安全系数；∑MN为抗倾覆力矩总和,kN·m；∑MP为倾覆力矩总和，kN·m。计算结果见表2。

表2 抗倾覆稳定计算成果表Tab.2 Calculation results of anti-aggression stability

由表2可知，防洪墙抗倾覆稳定性复核成果满足规范要求，该防洪墙设计合理，可以正常运行。

4 结 语

在农村小型水电站增效扩容改造设计过程中，受制约的因素较多，影响参数也多[4]。改造过程中，难免会对原有建筑物造成一定程度的扰动。为探求工程改造后各主要建筑物的安全稳定性，本文以山区某电站改造项目为例，从力学角度对工程改造后取水坝、有压隧洞及厂房建筑物进行了校核分析，对同类改造工程具有一定的借鉴参考价值。