靖宇县福生水电站泄水建筑物设计

胡顺志 ，鞠 晔 ，郑 军 ，刘 峰

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.松辽水利委员会，吉林 长春 130021）

1 工程概况

福生水电站位于白山市靖宇县花园口镇高丽城子村北侧，是松花江流域头道松花江中下游的径流式梯级电站，该工程是一座以发电为主，兼顾旅游等综合利用的小型工程。

坝址控制流域面积4 750 km2，水库正常蓄水位419.50 m，相应库容 93.00万 m3，工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等工程。电站枢纽自右至左由右岸浆砌石挡水坝段、自由溢流坝段、翻板门泄水闸坝段、冲砂闸坝段、河床式发电厂房坝段和左岸挡水坝段等组成。

2 坝址区地形地质条件

坝址位于头道松花江干流上，河道地势平坦，坝址区河谷呈不对称的“U”型河谷，谷宽为250～300 m，河床大部分为砂砾石层覆盖，基岩为玄武安山岩。左岸为Ⅰ级阶地，表层为砂壤土。右岸为山体，由安山岩组成。

泄水建筑物位于河床中部，地面高程一般414～415 m。覆盖层零星分布，厚度一般1 m左右。基岩为玄武安山岩，强风化带厚度一般2～3 m，以下为中等风化岩石。泄水建筑物基础建于中等风化岩体上部较完整岩体上，基础岩体分类为AⅢ2类。

3 泄水建筑物布置设计

3.1 泄水建筑物型式选择

该工程是头道松花河上的径流式水电站，。根据坝址区附近地形地质条件，选定坝线处河谷宽度约310 m。水库无调蓄能力，具有低水头、洪峰流量大及泄洪规模大特点，要求泄水建筑物具有较长的泄水前缘宽度，因此枢纽布置在满足河床式发电厂房坝段布置的前提下，河床部位尽可能布置泄水建筑物。

泄水建筑物布置在考虑加大泄流能力的同时，还要考虑枢纽的排沙要求，由于上游梯级电站的调洪作用，本工程下泄小流量的洪水频率较多，因此泄水建筑物布置采用自由溢流坝、翻板门泄水闸和冲沙闸布置形式。

3.2 泄水建筑物设计

3.2.1 结构设计

泄水建筑物全部布置在主河床，从右至左由净宽82.50 m自由溢流坝段、17孔翻板门泄水闸坝段和2孔冲沙闸坝段组成，下游采用底流消能，底板顶高程414.00 m。

1）自由溢流坝。自由溢流坝具有运行管理简单，不需要布置金属结构设备，泄洪时不需要设备操作，运行安全可靠。

自由溢流坝布置在主河床右侧，坝段长度82.50 m，堰顶高程与水库正常蓄水位高程一致为419.50 m；堰面曲线采用WES型，曲线方程为：y=0.147 645x1.85，上游侧与椭圆圆弧相接，下游与反弧段相接。

溢流坝堰体采用浆砌石外包混凝土的结构型式，建基高程为413.00 m，上、下游均设齿槽。堰体内部浆砌石采用砂浆标号为M10的块体浆砌石砌筑，外包混凝土全部为C30F300W4混凝土，外包混凝土厚度不小于0.8 m。

2）翻板门泄水闸。翻板门泄水闸是近年来发展较快的一种低水头电站的挡、泄水建筑物首选形式，分为自动翻板门泄水闸和液压双控翻板闸门泄水闸。

自动翻板门泄水闸主要特点是：不需要任何启闭机械设备、人力、电力,靠水推力和闸门重力就能使闸门沿水流方向自动启闭，达到泄洪、控制上游库水位的目的，运行管理方便，同时具有制作简单、施工快捷、造价低廉等优点。缺点是不能随时启闭，或关闭不严等问题，并且在启闭时有瞬间撞击情况，容易损坏建筑物。

液压双控翻板闸门泄水闸是在原自动翻板闸门泄水闸的基础上增设液压启闭系统，达到了在任何水位下均能够安全启闭翻板门，可使闸门在运行时平稳启闭，可以有效消除翻板闸门存在着被杂物卡住而造成的漏水、振动、拍打、维修难度大的问题，其性能在运行中更可靠、更安全，便于管理，使用寿命长、投资成本低。因此该工程采用液压双控翻板门泄水闸形式。

液压双控翻板门泄水闸坝段布置在主河床中央，坝段长度139.00 m，共布置 17孔，每孔净宽8.00 m，泄水闸中间布置两个中墩，每个中墩厚1.20 m，翻板门自左向右布置为6孔泄水闸+中墩+6孔泄水闸+中墩+5孔泄水闸。堰顶高程416.30 m，闸门高度3.20 m，堰型采用宽顶堰，堰面下游坡比为1∶2.0，采用半径2.0m的圆弧与消力池底板相接。堰体建基高程为412.00 m，上游侧设齿槽。堰体混凝土全部为C30F300W4混凝土。

3）冲沙闸。根据福生水电站上游来沙量确定本工程布置2孔冲沙闸，每孔净宽8.0 m，满足枢纽冲砂的需要，同时汛期还可以参加枢纽泄洪。

冲沙闸坝段布置在河床式发电厂房坝段右侧，坝段长度20.80 m，共设 2孔，每孔净宽8.00 m，布置2个边墩，1个中墩，边墩厚1.50 m，中墩厚1.8 m。闸门高度4.0 m，堰型采用宽顶堰，堰顶高程与上游河床基本一致为415.50 m，堰面下游坡比为1∶2.5，采用半径2.0 m的圆弧与消力池底板相接。堰体建基高程为412.00 m，上游侧有1.0 m深的齿槽，齿槽底宽为1.0 m。堰体混凝土全部为C30F300W4混凝土。

3.2.2 消能设计

泄水建筑物具有泄量大、水库上下游水位变幅大、低佛氏数等特点，推荐采用底流消能型式。消力池采用一级消力池，经计算弗洛德数均在2～5之间，消力池消能率低，因此需要在消力池内布置消力墩，产生强制水跃，增加水跃在消力池内的消能效果，通过计算及模型试验确定：自由溢流坝和翻板门泄水闸坝段消力池长度采用14.50 m，池深采用1.0 m；冲沙闸消力池长度采用16.0 m，池深采用1.5 m。

消力池底板混凝土厚度为1.0 m，上、下游设齿槽，混凝土标号全部为C30F300W4。池底布置间排距2.0 m的锚杆，锚杆直径为22 mm，长度为4.0 m。

自由溢流坝部位消力池内布设1排消力墩，墩高为1.0 m，平面间距2.0 m。翻板门泄水闸部位消力池内布设2排消力墩，墩高为1.0 m，垂直水流方向间距2.0 m，顺水流方向间距2.5 m。冲沙闸部位消力池内布设1排消力墩，墩高为1.5 m，垂直水流方向间距1.5 m。

3.2.3 基础处理

因坝基开挖较浅，岩体表部节理多有微张，为提高其整体性和改善变形特性，需进行基础固结灌浆。固结灌浆孔采用方格形布置，灌浆孔距、排距均为3 m，灌浆深度均为岩面以下4.0 m。

根据钻孔压水试验成果，坝基岩体的透水率多为 0.1～1 L/（min·m·m），大于低坝的防渗标准0.05 L/（min·m·m），另外，坝基岩体中节理发育，且连续性强。因此，需作帷幕灌浆，帷幕深度为建基面以下6 m深，孔距采用2.0 m。