水库电站前池漏水的研究及处理

徐政刚

摘 要：浙江省武义县源口三级电站是利用灌溉渠系落差建成的引水式电站。电站前池在寺堂山劈山开挖而建，挡水垟采用片石干砌，混凝土防渗。电站自投入运行后，前池经常发生不同程度的裂缝而漏水，尤其受2000年6.19洪水袭击后，裂缝漏水更加严重。

关键词：武义县 电站 前池漏水 挡垟

中图分类号：TV698.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0126-02

浙江省武义县源口三级电站属钱塘江水系，是麻阳港梯级开发，利用源口水库灌溉渠系落差，在总干渠上建成的引水式电站。源口二级至三级引水渠长3.01 km，设计水头16 m，流量8.0 m3/s，装机三台共计750 kW。

三级电站前池，在寺堂山半山坡劈山开挖而建，其引水渠轴线与压力水管轴线的交角接近直角，压力池垟顶高程153.6米，池底高程149.1 m，设计正常水位153.3米。前池挡水垟地基为微风化岩石，采用片石干砌的重力垟，迎水面现浇混凝土作为防渗体挡水垟，剖面。

源口三级电站自投入运行以来，前池均发生不同程度的裂缝，且裂缝几乎位于相同的部位，详见裂缝分布示意（图2）。每年电站检修期间，采用水泥砂浆进行修补，但收效甚微。尤其受2000年6.19洪水袭击，造成紧急停机，溢水槽垃圾堵塞发生了短时挡垟顶溢水后，挡垟与底板交接处产生的裂缝加剧、漏水更严重。县水利水电局、小水电管理站、源口水库管理处等有关领导高度重视，多次亲临现场勘察，要求从根本上解决漏水问题，消除安全隐患。2001年11月，源口水库管理处采用PCC新型补漏水材料，对前池的裂缝进行了修补。2002年1月11日，电站投入试运行，但漏水问题仍然没有解决。经有关领导邀请，本人前赴现场，到前池山坡脚时，见厂房后垟排水沟满淹，漏水量较大，正常水位时挡水垟背水坡脚，漏水声很响，站在挡水垟顶肉眼可见已修补的裂缝又重新开裂，严重存在工程安全隐患。源口水库管理处领导决定，成立三级电站前池漏水处理工作组，停止发电，本人负责裂缝原因分析、提交处理方案、漏水处理实施等工作。

1 前池裂缝原因分析

源口三级电站前池漏水，是由于挡水垟与底板交接处混凝土防渗体发生严重裂缝（见图2）。

1.1 裂缝原因分析

根据实际情况，基本排除了挡水垟垟身或池底底板不均匀沉陷、挡垟背水坡填土或填方沉降、温度变化等形成裂缝的原因。因此，前池裂缝很有可能是挡水垟本身结构设计的问题，有必要对原挡水垟本身结构进行验算。

1.2 荷载计算

取前池正常水位时、挡水垟背水坡无填土、池底无泥沙淤积为条件，片石干砌体容重rg1=2.4 t/m3，混凝土防渗体容重rg2=2.4 t/m3，水体容重ro=1.0 t/m3，饱和土容重rt=1.95 t/m3，根据材料力学公式其荷载计算如下[1]：

（1）土压力：

pt===0.69

式中：

K1为主动土压力系数，K1=tg2（45°-/2）=tg2（45°-25°/2）=0.49；

为填土内摩擦角，砂壤土取=25°

（2）水压力ps===14.58，其中hs=4.2+1.2=5.4

（3）渗透水压力：

u===7.78

式中：

T为计算截面宽度；

hs为计算截面宽度；

（4）挡水垟重力Gi；对O点的力臂Ci；对O点的力矩计算如（表1）所示。

1.2.1 挡水垟的整体性稳定验算

（1）抗倾覆验算。

K倾=M抗/M倾

式中：

K倾为抗倾覆安全系数；

M抗为抗倾覆力矩，M抗=∑（G·C）；

M倾为倾覆力矩，M倾=0.4×pt+1.8×ps+2×T×U/3

K倾=52.36/（0.4×0.69+1.8×14.58+2×2.88×7.78/3）=1.26<1.5[3]，[4]，抗倾覆不合格！

（2）抗滑移验算，取抗剪摩擦系数f=0.70

K滑=f·∑W/∑P

K滑=0.7×（30.52-7.78）/（0.69+14.58）=15.92/15.27=1.04<1.2[3]，[4]

式中：

K滑为抗滑移安全系数；

∑W为作用于垟体上的全部荷载对滑动平面的法向分值，∑W=∑G-u；

∑P为作用于垟体上的全部荷载对滑动平面的切向分值，∑P=pt+ps。

1.2.2 垟身强度验算

取距垟顶下4.5 m（池底）处的截面，根据材料力学公式进行验算[1]。

（1）荷载及内力计算。

水压力ps===8.82

渗透水压力u=2.63×4.2/2=5.52

G1=16.20 e1=2.63/2-0.75=0.57

G2=1.06 e2=2.63/2-1.50-2.1×0.2/3=-0.33

G3=3.70 e3=2.63/2-1.50-（0.25+2.1×0.2）/2=-0.52

G4=1.27 e4=2.63/2-1.50-（0.25+2.1×0.2）-2.3×0.2/3=-1.01

∑G=16.2+1.06+3.07+1.27=22.23

∑（G﹒e）=16.20×0.57-1.06×0.33-3.70×0.52-1.27×1.01=5.68

∑M=（1/3）×hs×ps+（1/2-1/3）×2.63×u-∑（G﹒e）=4.2×8.82/3+（1/2-1/3） ×2.63×5.52-5.68=9.09endprint

∑W=∑G-u=22.23-5.52=16.71

（2）弯曲压应力验算。

a=∑W/A+∑M/W1≤K[a]

式中：

a为计算压应力；

∑W为纵向力总和；

∑M为弯矩总和。

构件截面积，A=1.0×T，其中T=2.63 m

W1为截面对受压边缘的抵抗距，W1=T2/6

[a]为砌体的容许轴心受压应力

a==16.71/2.63+6×9.09/2.632= 6.35+7.89=14.24 t/m2=1.424 kg/cm2

K=1.0+2×1.5e0/T=1.0+2×1.5× 0.54/2.63=1.62，取K=1.50

式中：

K为塑性影响系数，矩形截面，K≤1.50

e0为偏心距，e0=∑M/∑W=9.09/16.71=0.54 m

查有关资料[5]，片石砌体石料标号C42.5，砂浆标号M2.5时的砌体容许轴心受压应力[a]=8 kg/cm2，片石为该容许应力的0.5倍，即[a]=8×0.5=4 kg/cm2，K[a]=1.5×4=6.0 kg/cm2

因此，a=1.424

（3）弯曲拉应力验算

WL=∑M/W2-∑W/A≤[WL]，（WL为负时，表明未出现拉应力）；

式中：

WL为计算弯曲拉应力；

[WL]为砌体的容许弯曲拉应力；

W2为截面对受拉边缘的抵抗距，W2=W1；

WL=7.89-0.635=0.154 kg/cm2<[WL]=0.8 kg/cm2，弯曲拉应力验算合格。

以上验算得知，挡水垟垟身强度安全；而挡水垟整体性却不稳定，K倾=1.26<1.5，K滑=1.04<1.2，不能满足安全运行。

2 前池漏水处理方案的确定

由挡水垟结构验算结果可知，采取有效的手段解决挡垟整体不稳定的设计是处理漏水问题根本。实际中，解决该问题的工程措施诸多，如在挡垟背水坡加宽放缓边坡，拆除重建改变挡垟形状和尺寸，迎水面放坡利用水重等均可达到挡垟稳定的目标。

综合考虑安全、施工方便、工期要求、项目投资等因素，三级电站前池漏水的最终处理方案见（图3），在迎水面采用悬譬式梁板结构钢筋混凝土对挡垟进行加固，并利用部分水重新建钢筋混凝土与原片石砌体成为一体，以满足挡垟的整体性稳定和防渗要求。

2.1.1 挡水垟的整体性稳定复核

（1）抗倾覆核算。

K倾=∑（G·C）/（1.8×ps+2×3.18×u/3）=79.12/（1.8×14.58+2×3.18×8.59/3）=1.78>1.5

（2）抗倾覆核算。

K滑=f（∑G-u）/ps=0.7×（38.52-8.59）/14.58=1.44>1.2

核算结果表明，采用上述处理方案满足挡垟整体性稳定的设计要求，能消除工程安全隐患。

3 前池漏水处理结果

源口三级电站前池，采用钢筋混凝土悬臂式板梁结构对挡垟进行加固的漏水处理方案，报送县水利水电局批准后，于2002年1月进行投标并施工。

施工方法及采用机械设备，主要是人工开挖基础，弃方利用双轮胶车用简易升降机升至垟顶再运至弃方场。池底混凝土底板用切割机切割，垟面老化混凝土人工凿毛清洗。拌和点设在电站厂区空基， 0.4m3拌和机搅拌，重直运输用井架卷扬机。钢筋网片在原挡垟面打孔锚筋，以固定网片邦扎，钢管立架木扣板支摸。为防止伸缩裂缝，钢筋网混凝土防渗体每隔10 m设一道伸缩缝，紫铜片止水。

工程于2002年1月23日开工，2002年2月16日完工，2月20日前池投入运行。到目前为止，再没有发现前池裂缝漏水。

4 结论和建议

武义县源口三级电站1980年建成发电，前池每年发生裂缝，年年需进行修补，没有从根本上解决裂缝漏水的问题，工程存在严重的安全隐患。自从前池漏水处理的方案实施后，至今为止，从未发生裂缝漏水。事实证明，形成前池裂缝的原因的分析采用理论依据方法是可信的，判断挡垟整体性不稳定的结论是正确的，迎水面采取钢筋混凝土悬臂式结构对挡垟进行除险加固的措施是有效地，也是科学的。

参考文献

[1] 许本安，李秀治.材料力学[M].上海交通大学出版社，1988.

[2] 电力工业部西北勘测设计研究院.水工混凝土结构设计规范[S].中华人民共和国电力工业部.DLT 5057，1996.

[3] GB50003-2001，砌体结构设计规范[S].