几内亚苏阿皮蒂水电站引水系统设计

罗 畅，杜少磊，徐 威

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

几内亚苏阿皮蒂水利枢纽是孔库雷河(Konkouré)干流河段水电规划的第二个梯级，开发任务以发电为单一目标。水库总库容74.89亿m3，装机容量450 MW，多年平均发电量2 016 GWh。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程215.50 m，坝顶长度1 164 m，最大坝高120.5 m。工程为Ⅰ等大(1)型，正常蓄水位210 m，死水位185.00 m，设计洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，极端最高洪水位214.42 m。枢纽建筑物主要包括碾压混凝土重力坝、溢流坝、泄流底孔、发电引水坝段、发电厂房等工程。发电引水坝段布置在左岸河床，左侧为挡水坝段，右侧为导流底孔坝段和泄洪底孔坝段。

1 电站进水口布置

引水发电建筑物是电站枢纽的重要组成部分，引水坝段布置在左岸河床，基础为新鲜的辉绿岩。4个引水口坝段均为19 m，总长76 m，4条引水管道分别为4台机组供水。

引水口坝段顶高程215.50 m，坝基底高程103.00 m，顶宽22.63 m，上游坝坡在125.00 m高程以上直立，在125.00 m高程以下为1∶0.20，下游坝坡在184.903 m高程以上竖直，在184.903 m高程以下坡度为1∶0.70。进口底坎高程155.00 m，每个进水口前设置通仓式拦污栅，喇叭形进水口后设置检修门和事故门，每个引水坝段顺水流方向依次布置3孔4.2 m×12.0 m(宽×高)拦污栅，1孔4.5 m×7.0 m(宽×高)检修门和1孔4.5 m×6.5 m(宽×高)事故门(图1)。引水发电钢管直径为5.8 m，采用明管的布置形式，上下弯段采用混凝土镇墩，伸缩节布置在上镇墩下游附近，压力钢管过厂坝分缝处采用垫层管的形式过缝。

图1 发电引水坝段剖面图

2 水力计算

2.1 水头损失

进水口的水头损失包括拦污栅段、进口段、闸门段、渐变段等局部水头损失和沿程水头损失。根据相关设计规范和计算手册计算的正常蓄水位工况电站进口段(压力钢管之前)的水头损失为0.44 m，与模型试验的结果0.41 m十分接近。

2.2 淹没深度与进水口流态

为避免进水口产生贯通式漏斗漩涡，国内外研究者甚多，一般认为，进口前的漩涡是在一个水位范围内产生和发展的，只要保证足够的淹没水深就不会产生漩涡，鉴于漩涡问题的特殊复杂性，目前只能根据一些经验公式初步确定进水口不产生吸气漩涡的最小淹没深度。戈登(J.L.Gordon)根据29个进水口的原型观测资料和部分试验资料，总结出不产生吸气漩涡的最小淹没深度的经验公式，目前我国的水电站进水口设计规范中采用的就是这一公式，根据该公式计算，得出最小淹没深度为8.88 m。电站引水口底坎高程为155 m，引水道顶高程162 m，最低运行水位185 m，实际的最小淹没深度为23.0 m(>8.88 m)，因此，按戈登公式来看，理论上应该不会产生吸气漩涡。

但是戈登公式来源于引水道式进水口的观测分析，较适于正面取水和两岸地形对称的进水口，此外漏斗漩涡的产生还涉及很多因素，诸如来流方向与进水口轴线的夹角、边界地形条件、孔口流速和孔口尺寸等等，因此对于不完全符合戈登公式进水口体型、边界地形条件等工程，往往还需要进行专门的水工模型试验研究。

通过模型试验对电站进水口流态的观察，在死水位下，在电站进水口水流极缓慢的由右侧流向左侧，在一台或两台机组运行时，电站进水口水流平稳，未发生吸气旋涡及回流，流态较好。在三台或四台机组运行，且最右侧机组运行时，由于电站段进水口导墙影响，使得最右侧进水口发生微小的吸气旋涡，其余位置流态均较好。在正常蓄水位，设计水位和校核水位下，电站进水口水流平稳，未发生吸气旋涡及回流，流态较好。

3 结构设计

3.1 进水口有限元计算

进水口坝段结构较复杂，一般采用有限元法分析计算。本工程主要采用线弹性三维有限元法进行结构应力计算，计算程序采用大型通用程序ANSYS进行，计算模型为整个引水系统，包括进水口、压力钢管、镇墩支墩以及厂房等。进水口结构的有限元分析主要研究进水口结构在自重、水压力、扬压力、温度荷载以及地震作用下的结构应力分布情况，并根据计算结果，对结构相关部位进行配筋计算。

有限元模型建立在笛卡尔直角坐标系坐标(X，Y，Z)下，XOZ面为水平面，X轴水平指向下游为正，Y轴竖直向上为正，Z轴水平指向右侧(面向下游)为正，坐标原点位于钢管下弯段出口断面圆心处(图2、图3)。

图2 发电引水系统整体模型网格

图3 进水口及厂房网格

根据有限元的计算结果，各个工况下，进水口水流向(X向)和铅直向(Y向)应力大部分为压应力，并且数值不大；横河向(Z向)在闸门段和渐变段顶板和底板处出现了拉应力，最大值为2.13 MPa。

应力配筋采用《水工混凝土结构设计规范》DLT 5057-2009中的拉应力图形法进行配筋，对于大体积空间复杂的结构而言，由于其自身形状、外部受力特征以及边界条件的多变性，最大拉应力所在的截面上各点的主拉应力方向各不相同，因此，实际工程应用中，不可能将结构配筋完全沿着主拉应力方向布置，最实际的做法是以X、Y、Z三个方向的计算应力配筋来代替主拉应力配筋。基于此，在进行配筋计算时往往假定混凝土结构所承受的拉应力全部由钢筋承担，忽略混凝土的抗拉作用，这种做法虽略显保守，但更为实用，也更便于实际操作。

3.2 钢管过缝措施

根据国内外水电工程建设经验，一般坝后式水电站厂坝间多设温度缝或沉降缝，以使厂房和坝体结构相对独立，受力明确，并在压力钢管过缝处设伸缩节，以适应缝两侧厂坝结构的相对变位，改善厂坝混凝土结构及压力钢管的受力状态 。但是，这样不仅使工程投资和运行费用增加，并且伸缩节的制造加工、施工安装以及运行期的止水等技术问题也十分关键，特别是对于巨型压力钢管，问题显得更突出。

随着水电站压力钢管日趋巨型化，取消厂坝间常规伸缩节成为一个主要发展方向，研究与过缝管道结构形式相适应的合理的厂坝连接形式也是发展所趋。李家峡水电站5条背管中有4条经分析论证后取消了伸缩节，用8 m长的垫层管代替。根据公伯峡水电站压力管道三维有限元分析成果，用可传力的垫层管代替伸缩节后，在常规荷载和温度荷载共同作用下，进口段和主副厂房分缝处相对位移值最大，进口段分缝处最大轴向相对位移值为9.29 mm，为伸缩节轴向位移设计值30 mm的31%，最大Y向相对位移值为1.69 mm，为伸缩节Y向位移设计值5 mm的33.8%；主副厂房分缝处最大轴向相对位移值为6.33 m，为伸缩节轴向位移设计值30 mm的21.1%，最大Y向相对位移值为1.91 mm，为伸缩节Y向位移设计值5 mm的38.2%。由此可见，位移值都不是很大，所以有可能采取其它结构措施来适应变位，从而取消伸缩节。苏阿皮蒂水电站的压力钢管直径较大，通过对几种过缝措施的研究，采取的措施是：厂坝间压力钢管不设伸缩节，过缝段采用360°垫层管取代伸缩节，垫层采用聚氨酯软木垫层材料，厚30 mm，并将垫层管长度定位管道直径的1倍左右，总长6.0 m，跨越厂坝缝的两边。垫层管过缝措施可取代伸缩节，以适应分缝两侧相对变位。采用垫层管过缝时，厂坝分缝处灌浆高程越高，厂坝整体性越好，对分缝处管道受力有利，且有利于抗震。

4 结 语

苏阿皮蒂水电站是几内亚共和国最大的水电站，开发任务以发电为单一目标，电站进水口与坝体结合形成一整体，引水线路短，水力条件较好。计算了引水系统的水头损失和淹没深度，并通过模型试验验证了水流流态。利用ANSYS软件对进水口结构进行了有限元分析，根据结构应力计算结果，对结构相关部位进行配筋计算。厂坝间压力钢管过缝段采用垫层管取代伸缩节，以适应分缝两侧相对变位，简化了设计，方便施工。