水电站进水口拦污漂结构设计及稳定分析研究

王建新，殷　亮，彭　育

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江　杭州　310014)



水电站进水口拦污漂结构设计及稳定分析研究

王建新，殷亮，彭育

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014)

摘要：目前处理大型水电站进水口前污杂物的有效手段是拦污漂技术。为此，针对富春江水电站拦污漂工程，采用有限元方法对岸端、坝端拦污漂锚固墩结构设计进行分析复核，揭示结构应力应变特性，配置相应的钢筋。采用极限平衡方法对结构整体稳定进行研究，评价建筑物的安全性。通过数值计算与工程经验的参考，验证进水口拦污漂设计的合理性。

关键词：进水口；拦污漂；锚固墩；结构设计；稳定分析

1问题的提出

水电站上游库区受沿岸水土流失、生产及生活设施对环境污染的影响，造成各种污杂物流入库区，大量的污杂物流至坝前，容易造成进水口拦污栅堵塞，电能损失，严重者压垮拦污栅，直接导致停机，严重影响了机组的发电效率和运行安全，给国家带来大量经济损失。采用拦污漂技术是综合治理坝前污杂物的最有效手段，可以有效解决污杂物对进水口、机组的影响。

本文在深入研究坝端老混凝土长期性能、岸端岩体物理力学特性的基础上，针对富春江拦污漂工程的锚固墩结构设计，进行应力应变及稳定分析研究，验证拦污漂设计的合理性。

2工程概况

富春江水电站进水口拦污漂工程水工建筑物包括：坝端锚固墩、岸端锚固墩、坝端拦渣墙等。拦污漂的一端设在厂坝间鱼道坝段头部(坝端混凝土锚固墩)，另一端设在库区左岸泵房上游侧的公路边(岸端混凝土锚固墩)。其拦污漂轴线长约321 m，与坝轴线约成71°角。

坝端混凝土锚固墩布置在厂坝间鱼道坝段头部，现鱼道混凝土为R100素混凝土，质量相对较差，顶面高程为25.00 m，对鱼道部分老混凝土进行拆除重建。进行加高至32.00 m高程。锚固墩采用宽5.0 m，长8.0 m(沿拦污漂轴线)的矩形截面，基底高程17.00 m，顶高程32.00 m，采用二级配C25混凝土。为增强新老混凝土接触面的抗滑能力，对接触面采用表面混凝土凿毛、植入锚筋束3φ32，L=4.5 m(插入老混凝土3.0 m，@1.5 m×1.5 m)，在侧向植入φ32，L=4.5 m(插入老混凝土3.0 m，@1.5 m×1.5 m)。为避免遭遇大洪水时污物进入发电进水口，在锚固墩与大坝之间增设4.00 m高混凝土拦渣墙，同时按原体形在下游侧重建鱼道。

拦污漂岸端混凝土锚固墩布置在库区左岸泵房上游侧的公路边，利用浮式自动升降装置控制拦污漂。岸端混凝土锚固墩采用顶宽5.0 m，底宽8.0 m，长10.0 m(沿拦污漂轴线)的梯形截面，建基面采用平台开挖，基础底高程17.00 m(视现场开挖揭露的基岩情况进行调整)，顶高程32.00 m，采用C25二级配混凝土。为增强基底面的抗滑能力，在基底面布置锚筋束3φ32，L=4.5 m(插入基岩3.0 m，@1.5 m×1.5 m)，增强稳定。

拦污漂整体布置见图1，坝端、岸端固定端见图2～3。

3拦污漂结构设计

河中拦污漂结构受力复杂，对荷载计算目前没有统一的规程规范可循，如何正确地认识和分析其受力，是拦污漂建设是否成功的关键。根据富春江水电站拦污漂布置方案，对其在各种工况下受力条件的初步分析，参考有关行业规范的设计计算方法，结合拦污漂的具体特点进行计算。

拦污漂金属结构趸船主要承受圆拱外侧荷载和圆拱内侧荷载。受外侧荷载时在泄洪工况时受水流力、风力、水压力和风浪压力等联合作用时为最不利工况。根据拦污漂河中趸船结构布置，采用相应的端头锚固墩布置方式，岸端、坝端锚固墩均布置滑槽，浮箱轨道在滑槽内根据水库水位变化上下变动，保证库内污杂物不进入进水口拦污栅。

3.1鱼道改造的坝端结构设计

进水口处坝端锚固墩布置在厂房坝端与溢流坝端之间的鱼道进口上游闸墩上，利用原鱼道进行改建而成，鱼道进口高程为20.50 m，出口高程为14.50 m，头部建基面底高程约-12.00 m，顶高程25.00 m，完建后锚固墩高程32.00 m(见图2)。

本工程采用卷扬机牵引切缝施工技术，工程质量符合设计和规范要求，缩短了工期，减少了施工成本，施工工艺更加便捷。施工过程中极大地规避了安全隐患，适用面较广泛，施工更加简便。

由于建造时期的特殊性，鱼道采用R100混凝土，新老混凝土标号与强度等级存在以下换算关系[2]：

式中：δfcu,15为混凝土立方体抗压强度变异系数，取0.23；R为原混凝土标号，鱼道混凝土为100号混凝土。

根据上述关系，则原鱼道采用R100混凝土换算为新规范混凝土强度等级为C9.24，轴心抗压强度标准值为6.19 MPa，轴线抗拉强度设计值为4.46 MPa。

拦污漂坝端新建锚固墩布置在原鱼道头部进口靠上游侧墩墙老混凝土上，鱼道与大坝间设结构缝，单独将鱼道头部与锚固墩联合建模，改造后的鱼道结构、锚固墩有限元模型(不含地基)见图4，模型节点总数151 769，单元总数141 160。

拦污漂坝端锚固墩设计荷载主要包括：自重、库水压力、扬压力、拦污漂浮箱的拉力，其中浮箱的拉力3 400 kN。

富春江水电站为日调节低水头河床式水电站，水库常年保持正常蓄水位23.00 m。正常蓄水位工况下，浮箱对锚固墩作用点横剖面主应力等值线分布见图5。

从主应力分布结果看，在库水位高程，滑槽受浮箱集中作用力影响，传递至锚固墩的拉应力平面上呈明显的发散分布，空间上呈半球形分布。局部存在应力集中，最大主拉应力3.66 MPa，大于1.00 MPa范围均集中在1 m范围内。

原鱼道坝段建基面高程-12.00 m，拦污漂结构顶高程32.00 m，最大悬臂高度44.00 m，向上游测最大位移2.2 mm。

根据结构的正应力分布，采用SL 191—2008《水工钢筋混凝土结构设计规范》中非杆系结构配筋章节采用有限单元法进行配筋，竖向受力筋采用φ32@20布置，满足工程需要。

3.2岸端结构设计

拦污漂岸端混凝土锚固墩布置在库区左岸泵房上游侧的公路边，利用浮式自动升降装置控制拦污漂。锚固墩开挖底高程17.00 m。

根据拦污漂岸端锚固墩开挖以及结构布置，建立有限元模型(不含地基，见图6)，模型节点总数96 182，单元总数87 988。

拦污漂岸端锚固墩设计荷载主要包括：自重、库水压力、扬压力、拦污漂浮箱的拉力，其中浮箱的拉力3 400 kN。

正常蓄水位工况下，主应力最大横剖面等值线分布见图7。

从主应力分布结果看，在库水位高程，滑槽受浮箱集中作用力影响，传递至锚固墩的拉应力平面上呈明显的发散分布，空间上呈半球形分布。局部存在应力集中，最大主拉应力2.01 MPa，大于1.00 MPa范围均集中在1 m范围内，逐渐减小至0.20 MPa。

岸端锚固墩建基面高程17.00 m，结构最高32.00 m，最大悬臂高度15.00 m，明显小于坝端锚固墩，故最大向下游测位移0.3 mm，小于坝端锚固墩向下游侧位移。

根据结构的正应力分布，采用《水工钢筋混凝土结构设计规范》中非杆系结构配筋章节采用有限单元法进行配筋，竖向受力筋采用φ32@20布置，满足工程需要。

4拦污漂稳定分析

锚固墩稳定分析采用极限平衡方法，分别针对岸端及坝端锚固墩沿基底面进行抗滑稳定及抗倾覆稳定复核。

沿基底面的抗滑稳定采用抗剪断公式[1]计算：

(1)

式中：Kc为锚固墩沿基底面的抗滑稳定安全系数；∑G为作用在锚固墩上全部垂直于基底面的荷载，kN；∑H为作用在锚固墩上全部平行于基底面的荷载，kN；A为锚固墩基底面的面积，m2；f′为新老混凝土间的抗剪断摩擦系数，取1.08；c′为新老混凝土间的抗剪断粘结力，取1.16MPa。

锚固墩的抗倾覆稳定安全系数，应按下式[1]计算：

(2)

式中：K0为锚固墩抗倾覆稳定安全系数；∑MV为对锚固墩基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m3；∑MH为对锚固墩基底前趾的倾覆力矩，kN·m3。混凝土锚固墩抗滑稳定计算见表1，混凝土锚固墩抗倾覆计算见表2。

5结语

富春江水电站拦污漂工程2014年底开工，按照工期要求，2015年汛期前正常投入运行，采用对鱼道改建形成坝端锚固墩的设计思路，在进水口上游侧形成拦污漂拦挡污杂物，为今后老电站拦污漂的设计提供了有益的工程借鉴。

参考文献：

[1] 水电水利规划设计总院. 水工设计手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2011.

[2]国家能源局.DL/T 5057—2009 水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国电力出版社,2009.

(责任编辑姚小槐)

收稿日期：2015-10-22

作者简介：王建新(1982-)，男，高级工程师，硕士，主要从事水工结构设计工作。

中图分类号：TV134

文献标识码：B

文章编号：1008-701X(2016)02-0083-03

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.024