梅江干流合江水电站增效扩容改造安全复核研究

2023-09-12黄学宇

海河水利 2023年8期

黄学宇

（梅州市水利水电勘测设计院有限公司，广东梅州 514000）

1 项目背景

合江水电站位于梅江干流上游，坝址位于广东省五华县水寨镇善坑村。电站主要由闸坝、调节闸、电站厂房、升压站、综合楼及其他附属建筑物组成，是以发电为主兼顾航运、养殖、旅游的综合水利工程，正常蓄水库容1510 万m3。现电站厂房内装有12 台600 kW 立式轴流式水轮发电机组，总装机容量为7200 kW，原设计水头3.8 m，设计发电总流量231 m3/s，年利用小时3574 h，改造前多年平均发电量2573万kW·h。拦河闸坝为3孔净宽60 m的橡胶坝，橡胶坝和厂房之间设有3 孔净宽10 m 的调节控制闸。电站正常蓄水位为99.56 m（85 高程）。水电站工程枢纽等别为Ⅲ等，主要永久性建筑物为3级，按50 a一遇洪水设计、200 a一遇洪水校核。

电站自2010 年开始投产发电。目前存在主要问题为：因电站机组台数较多，致使运行管理不便；由于机电设备陈旧老化，水资源不能充分利用；因电站下游河床下切严重，水轮机尾水管外露及机组振动，不仅影响工程效益，还存在较大安全隐患；运行管理自动化程度低，导致管理效率较低。为充分利用水资源，保证机组安全稳定运行，拟对合江水电站进行增效扩容技术改造：拆改原有厂房和拦河闸坝；拆除原发电机组，改造后的水电站总装机容量为27200 kW，安装5 台轴流定浆式水轮发电机，其中1 台2000 kW 生态机组靠左岸、另外4 台6300 kW大机从左至右依次排开。

2 水文地质条件

2.1 水文气象条件

梅江干流属于亚热带季风性气候，洪峰以热带气旋引发暴雨为主。梅江流域径流年际变化较大，年内分配极不均匀：夏季高温湿热，水汽含量大，常带来大雨、暴雨，历史有水文记载以来最大洪峰流量为6810 m3/s。

本次水电站增效扩容改造在原址建设新厂房和拦河闸坝，更换发电机组，正常蓄水位99.56 m，计算采用1954—2018 年水文资料，多年平均洪峰流量2146 m³/s。

2.2 地质条件

项目区域为低山丘陵区，地势开阔，山体高程一般在150.0～250.0 m，山体雄厚，覆盖层较厚，少见基岩出露。区域地质构造稳定，未发现活动性断层。素填土结构松散，承载力低，不宜作为基础持力层；细中砂、卵石工程性质一般，承载力一般，满足设计要求时可考虑作为基础持力层；强风化砾岩、弱风化砾岩工程性质好，承载力较高，是良好的基础持力层及下卧层。

3 安全稳定分析

3.1 厂房安全稳定分析

3.1.1 工况条件

按照地质条件、结构特点及施工现状进行电站厂房稳定分析，包括：①建基面抗滑稳定分析。当厂房地基内部存在不利于厂房整体稳定的软弱结构面时，进行沿软弱结构面的深层抗滑稳定计算。②厂房基面法向应力计算。③厂房抗浮稳定验算（包括厂房Ⅱ期混凝土未浇筑情况）[1，2]。

3.1.2 计算方法

厂房整体稳定及地基应力分析采用材料力学理论。厂房整体抗滑性可按抗剪强度公式计算。滑动面的抗剪摩擦系数、黏聚力取值，应根据室内试验及现场试验结果，经工程类比，按有关规范分析研究确定[3]。

3.1.3 厂房稳定计算

电站为河床式厂房，建基面位于紫红色中风化砾岩圆砾层上，地基与混凝土建筑物之间的抗剪摩擦系数为0.6、黏聚力为35 kPa、内摩擦角为25°、允许地基承载力为1800 kPa。按照《水电站厂房设计规范》（SL266-2014），电站厂房整体稳定地基应力计算以主机室段作为一个整体，按机组正常运行、机组未安装、机组检修、机组非正常运行4种工况分别计算[4]。

工况1：机组正常运行，上游正常蓄水位99.56 m，下游最低水位为88.58 m的基本荷载组合。

工况2：机组未安装，上游正常蓄水位99.56 m，下游水位97.34 m。

工况3：机组检修，上游正常蓄水位99.56 m，下游为5台满发水位90.00 m时的特殊荷载组合。

工况4：机组非正常运行，上游校核洪水位为104.59 m，下游校核洪水位为102.44 m。

厂房整体稳定计算结果，详见表1。

表1 厂房整体稳定计算结果

由表1 可知，厂房抗滑稳定安全系数K远大于1.1，表明厂房抗滑稳定满足相关规范要求。

3.1.4 厂房抗浮计算

厂房抗浮稳定计算结果，详见表2。

表2 厂房抗浮稳定计算结果

由表2 可知，不同工况下的厂房抗浮稳定安全系数Kf均大于1.1，表明厂房抗浮稳定能够满足相关规范要求。

3.1.5 厂房应力计算

厂房地基面法向应力计算结果，详见表3。

表3 厂房地基面法向应力计算结果kPa

电站基础坐落于紫红色砾岩，弱风化砾岩工程性质好，承载力较高，是良好的基础持力层及下卧层，允许承载力为1800 kPa。计算结果表明，正常组合及特殊组合下厂房基底最小法向应力均大于零、最大法向应力不超过地基允许承载力。

3.2 挡墙稳定计算

本次主要是对电站上游左岸挡墙以及电站尾水渠左岸挡墙进行稳定分析计算，选取高度最大的典型断面，采用有限元软件进行计算。

3.2.1 计算工况

（1）进水口侧墙。工况1：正常蓄水位；工况2：设计洪水位；工况3：校核洪水位；工况4：设计洪水骤降；工况5：完建。

（2）尾水渠导墙。工况1：最低运行水位；工况2：最高运行水位；工况3：设计洪水位；工况4：校核洪水位；工况5：设计洪水骤降。

上述各工况计算水位取值参考《合江水电站增效扩容改造初步设计报告》有关内容。

3.2.2 计算结果

电站进水口挡墙稳定计算结果和尾水渠挡墙稳定计算结果，详见表4—5。

表4 进水口挡墙稳定计算结果

由表4和表5可知，各工况下挡墙抗滑稳定系数均大于1.1、抗倾覆稳定系数均大于1.3，均达到设计规范稳定取值。

表5 尾水渠挡墙稳定计算结果

3.3 水闸过流能力复核

当河道发生设计洪水时，闸门全开。水闸过流能力采用堰流公式计算。由于泄水闸上游铺盖高程高于水闸溢流堰面高程，在计算泄水闸的过流能力时应同时核算上游铺盖的过流能力，方法为以泄水闸下游水位为控制水位，先计算水流过闸水位，再分析闸上水位对上游铺盖（宽顶堰）过流的影响，最后计算堰顶水位[5]。经计算，当河道发生设计和校核洪水时，泄水闸上水位对上游铺盖（宽顶堰）过流能力有一定的影响，即上游堰流为淹没出流，水闸过流能力复核结果详见表6。