江边水电站进水口设计

高 悦，柳成熙

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

1 概述

江边水电站位于四川省甘孜藏族自治州东南部九龙县，是九龙河干流“一库五级”开发方案中的最末一级水电站。电站总装机330 MW，共装3台混流式发电机组。电站采用引水式布置形式，工程枢纽由首部低闸、引水系统以及尾部地下厂房三大部分组成，首部闸坝高27.5 m，引水隧洞长约8.5 km，为一低闸、长隧洞、高水头引水式电站。工程等级为二等大（2）型。

电站进水口位于九龙河流域，进水口区域悬移质泥沙多年平均输沙量为197万t，推移质泥沙输沙量为16.7万t，多年平均输沙总量为213.7万t，为多泥沙河流。

2 进水口设计位置选择

2.1 选择基本原则

选择需要考虑的因素主要有：

①进水口布置需满足枢纽总体布置功能；

②宜选择稳定河段，并靠近河流主槽布置；

③满足取水防沙要求，确保“门前清”。

2.2 地形地质条件

闸坝左岸地形相对右岸地形地面自然坡度较陡，且河流主槽位于左岸。经现场勘查，左岸地形1 800 m高程以上为陡崖，坡度60°~65°，坡高约90 m；1 800 m高程以下，地形坡度稍缓，以30°~40°为主，坡高约 18 m。

据地质钻孔ZK13，ZK32揭露，陡崖外侧1 800 m高程以下岸坡基岩面坡度较陡，约40°~65°，覆盖层厚度变化较大，厚度10~50 m，进水口地基地质特性如下：

1）覆盖层为河床冲洪积（Qa4l+pl）漂（块）卵（碎）石层，厚度13.5~24 m，层底高程1 753~1 757 m，以漂块卵碎石为主，充填砂砾，局部含块石较大。承载力特征值fk=550~600 kPa，变形模量E0=30~35 MPa，渗透系数 K=5~8×10-2cm/s，允许坡降 J=0.1~0.15。

2）基岩为黑云母石英片岩，风化浅薄。据ZK13及ZK32孔揭露，1 800m高程以下部位，弱风化岩厚1~5 m，以下为微风化岩，RQD=80%~96%，岩体较完整~完整。据PD2平硐及ZK16孔揭露，1 800 m高程以上部位，陡崖由弱~微风化组成，属较完整~完整岩体，局部因断层f1及f2通过，岩体完整性差。另据PD2平硐揭露，陡崖弱卸荷带水平埋深约8 m，多表现为卸荷节理及裂隙，面多微张，铁锰质渲染，局部夹岩屑。

从地形地质条件，左岸具备布置进水口条件。

（2）打造精英型组织或团队，由其专门负责构建和完善我国航空用金属材料标准和标准体系。一个优秀的组织或团队是所有体系运行的基石。要汲取国外已经成熟的航空用金属材料标准和标准体系运用及管理模式的精髓，结合我国实际情况，由专业组织或团队对我国航空用金属材料标准体系进行实时跟踪、不断更新和持续维护，确保技术领先、科学管理。

2.3 进水口防沙设计

由于九龙河为多泥沙河流，因此，在进水口布置过程中对该河段的水文泥沙情况展开了细致的调查研究，经对水文泥沙资料分析认为进水口布置需解决取水防沙问题。通常的防止泥沙淤积的处理措施主要有3种：①设置拦沙坎；②进水口底板高程高于电站使用期泥沙淤积高程之上一定安全距离；③采用进水口与冲沙泄洪建筑物结合布置形式，即“正向冲沙，侧向取水”。鉴于江边电站为日调节水库，为了增大水库运行期的有效库容，减少泥沙淤积对库容的影响，简单的拦沙无法解决泥沙影响，防沙的主导原则以排为主，因此，首部枢纽闸坝设置了冲沙闸，进水口的泥沙淤积防治与冲沙闸结合，即防沙措施主要采用上述第③种措施，同时又组合采用了第①种过程措施即在进水口前缘设置了拦沙坎。

2.4 位置选择

综合首部枢纽地形地质条件、冲沙闸布置及取水防沙要求，进水口布置在靠近闸址左岸坝头上游位置，与冲沙闸结合布置。进水口平面位置布置见图1。

3 进水口结构布置

根据上述布置原则以及地形地质条件、取水防沙功能需要，选择岸塔式进水口布置形式，进水口布置于左岸，进水口前缘紧邻冲沙闸，进水口轴线与坝轴线成15°夹角，形成“正向泄洪冲沙，侧向取水”的布置形式。整个进水口建筑物主要分为进水口前部挡沙坎、拦污栅段、事故闸门室段，总长41.5 m，宽由最前缘26.5 m逐渐收缩至闸室部位9.6 m，进水口建基面高程为1 772.50 m，进水口平台高程为1 799.50 m，塔体高度27 m。挡沙坎设在进水口前5 m处，坎顶高程1 783.00 m，拦污栅段底板高程为1 780.00 m，为满足进水口满足淹没深度要求，拦污栅段后的喇叭口进口段闸门室段底板高程1 774.50 m，两者之间用1∶3斜坡过渡。拦污栅孔口尺寸为10.00 m×9.00 m（宽×高），为2孔。事故闸门孔口尺寸为5.6 m×7.2 m。拦污栅设置2栅工作栅1扇备用栅，同时工作栅前设置了清污耙机，启闭采用双向门机。事故闸门采用固定卷扬启闭，启闭机室设置在事故闸门井顶部，由排架柱及启闭机室组成。因进水口基础分别位于覆盖层和岩基上，在两种地层分界处设置沉降缝。进水口纵剖面见图2。

4 水工模型试验

为了验证进水口与冲沙闸布置形式的防沙效果，进行了进水口整体水工模型试验，模型比尺为1∶50。模型试验结果表明，每年汛期6—9月份限制运行水位在1 789.0 m，此时当流量大于400 m3/s，全闸敞泄排沙，通过排沙运行，进水口前水库於沙高程控制在1 781.0m，低于进水口拦沙坎高程1 783.00 m，验证了进水口布置能够满足要求。通过模型试验研究，增设了进水口弧形导流墙、束水墙等结构措施，进一步提高了排沙效果。模型试验结果同时表明，在各级流量与不同运行水位下电站取水口进流流态良好，没有产生侧收缩与漩涡，进水口进流较均匀，各种运行工况下流道比界于1～1.15之间。

5 进水口稳定分析与结构设计

5.1 抗滑稳定

进水口紧靠后侧洞脸岩石边坡布置，岩石边坡稳定，进水口整体为空腔结构，运行期塔内部水体与库水可保持平压状态，因此不存在使进水口整体沿基础抗滑失稳的荷载条件。对于深层抗滑稳定，现场开挖揭露的地质条件表明，不存在对塔体稳定不利的深层滑动面，即深层抗滑稳定也满足要求。因此，进水口整体抗滑稳定满足设计要求。

5.2 抗倾覆稳定

进水口塔体抗倾覆稳定按下式计算：

式中：K0——抗倾覆稳定安全系数；∑MS——建基面上稳定力矩总和；∑M0——建基面上倾覆力矩总和。

计算荷载包括：自重、静水压力、扬压力。计算工况分别为完建工况和正常蓄水位工况。

经计算，正常蓄水位工况为控制工况，相应的抗倾覆安全系数为K0＝3.47＞1.35，抗倾覆稳定满足要求。

5.3结构计算

进水口结构计算采用三维有限元计算软件ANSYS进行计算。计算荷载主要考虑：①进水口结构自重（结构重量及永久设备重）；②静水压力；③顶部活荷载；④风压力；⑤浪压力；⑥扬压力；⑦地震惯性力；⑧地震动水压力。其中④风压力和⑤浪压力较小，忽略不计。⑦、⑧为动荷载，按拟静力法计算。

计算工况及荷载组合如表1所示。

表 1计算工况及荷载组合

按照1∶1实体比例建立有限元模型。有限元模型采用代号为solid 186的20节点二次六面体单元组成，接触单元采用conta174划分，接触面单元采用targe 170单元划分。在进水口主体混凝土结构与漂（块）卵（碎）石层、基岩、C15混凝土垫层之间均采用接触对单元模拟，接触单元的工作特性为绑定，即接触面可以传递应力和位移，且两者不会脱开。进水口结构和基岩的材料不同，采用接触单元可以避免网格划分时出现不同材料共用一个节点而造成在交接面上单元等值划分所引起的计算误差。计算参数见表2。

几何模型由46 421个solid 186单元，2 125个接触对构成，总节点数193 586个。

表2 计算基本参数

有限元分析计算结果见表3。

表3 进水口主体结构及基础应力计算成果 MPa

基础沉降计算成果见表4。

表4 进水口基础沉降计算成果表

根据计算结果分析，表明：

1）主体结构拉应力与压应力值基本小于混凝土抗拉、抗压强度设计值。

2）仅拦污栅轨道梁端部出现拉应力值较大现象，实际通过采取增大结构断面和加强配筋措施来降低应力水平。

3）覆盖层基础压应力水平在0.18～0.58 MPa之间，实际漂（块）卵（碎）石层地基承载力为550～600 kPa，地基承载力满足要求。

4）位移计算表明覆盖层上进水口整体结构与岩基上进水口整体结构沉降差在4.22～7.33 cm，塔体沉降缝位置处上下游侧最大沉降差为4.07 cm，沉降缝位置处沉降满足SL265-2001《水闸设计规范》中最大沉降差不宜超过5 cm的要求。

6 结语

进水口设计应结合河流具体特性，充分考虑泥沙、地形地质条件、与周边建筑物关系等多方面因素。江边水电站进水口在取水防沙、适应地基基础、结构体型功能以及水力学条件等方面均较好地适应了工程布置需要。进水口已于2010年3月投入运行，目前运行情况良好。

［1］杨欣先，李彦硕.水电站进水口设计［M］.大连：大连理工大学出版社.

［2］DL/T5398-2007,水电站进水口设计规范［S］.

［3］四川省九龙河江边水电站可行性研究报告工程地质篇［R］.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，2006.

［4］四川省九龙河江边水电站可行性研究首部枢纽水工泥沙模型试验研究专题报告［R］.四川大学、华东勘测设计研究院，2006.