山羊溪水电站溢流坝优化设计(论文)

山羊溪水电站溢流坝优化设计

长沙市水利建设投资管理有限公司： 刘卫华

湘西自治州水利水电勘测设计研究院：刘合书

摘要：山羊溪水电站原设计溢流坝、消力池底板基岩高程均为280.0米，业主工程部技术人员根据现场查勘基岩情况，建议设计院将溢流坝、消力池底板高程适当提高，以节省工程投资，缩短工期，并组织省厅专家进行了现场咨询，湘西自治州水利勘测设计院与业主工程技术人员一起对溢流坝及消力池进行了优化设计。

关键词：溢流坝、底流消能、优化设计、工期

1、基本概况

山羊溪水电站是澧水北源的第二梯级电站，位于湖南省桑植县凉水口镇下流82km处桥自弯乡山羊溪村境内，装机容量12.6MW，坝址以上集雨面积1056 km 2，坝址处河床高283.7m。设计正常蓄水位为304.8m，相应库容700万m 3：校核洪水位307.14m，总库容961万m 3，为小型水库，小型电站。

山羊溪电站工程包括大坝、厂房部分。大坝为混凝土闸坝，最大坝高为28.5m，堰顶安装4扇14×12.1 m弧形钢闸门；电站为坝后式厂房，装机容量2×6300 kw。

工程于2009年10月26日正式开工，首台机组在2012年12月3

0日投入运行。溢流坝的设计已于2009年12月完成，原设计溢流坝

消力池底板基岩高程均为280.0米，业主工程部技术人员根据现场基础开挖情况来看，基岩完整，地质工程师也到现场进行了分析和判定基础性能良好，承载能力强，由此业主建议设计院将消力池底板高程适当提高，以节省工程投资，缩短工期，并组织省厅专家进行了现场咨询，湘西自治州水利勘测设计院与业主工程技术人员一起对溢流坝及消力池进行了优化设计。

设计人员与业主工程技术人员根据实际开挖的基岩情况，将第一孔溢流坝及消力池建基面从280.0m提高到281.0m；将第二、三孔建基面提高到282.0m；将第四孔溢流坝建基面提高到285.0m,消力池建基面提高到284.7m，消力池底板厚1.0m，消力池底板高程分别为283.0m及285.7m，在第三孔及第四孔消力池底板相接处为2.7m的跌坎。

进行上述修改后，需要对大坝的进行消能水力计算以及稳定和强度计算，下面主要阐述对第二、三、四孔的水力计算以及稳定、强度计算。

2、下游消能计算：

按底流公式计算跃前水深h＇及跃后水深h＇＇来判别水跃类型。计算公式： E0=h′+2222chgq以及h″＝2h（18132hgq）。以下分别计算两年一遇的洪水和二十年一遇的洪水的消能水力计算。

（1）、两年一遇的洪水

两年一遇的洪水情况，因为第四孔闸门不开启，因此不需要计算第四孔的消能情况。

山羊溪水电站的正常蓄水位为304.8m，此时第一、二、三孔闸门打开，为闸孔出流，单宽流量为q=1954/（3×14）=46.52m3/s,经计算E0=22.59m，跃前水深h＇=2.587m,跃后水深h´´=11.77m,下游水深t=294.58-283=11.58m，t= h´´基本属于临界水跃，满足要求。

（2）、二十年一遇洪水情况

第二、三孔闸门：最大下泄流量Q下=3667m3/s,上游水位控制在304.8m，下游水位相对应为298.46m，四孔闸门开启，单宽流量q=65.48m3/s，经计算，E0=23.37m，跃前水深h＇=3.412m,跃后水深h´´=13.97m,下游水深t=298.46-283=15.46m，t＞h´´＞h＇，满足底流消能要求。

第四孔闸门：经同样计算，E0=19.1m，跃前水深h＇=4.062m,跃后水深h´´=12.672m,下游水深t=298.46-285.7=12.76m，t＞h´´＞h＇，属于淹没水流，满足底流消能要求。

（2）、五十年一遇的洪水情况

第二、三孔闸门：四孔闸门开启，最大下泄流量Q下=4300m3/s,上游水位控制在305.15m,下游水位299.77m,单宽流量为q=76.78m3/s,经计算，E0=24.19m,12m,h＇=3.974，h´´=13.97m,下游水深t=16.77m，t＞h´´＞h＇，属于淹没水流，满足底流消能要求。

第四孔闸门：经计算，E0=21.79m，h＇=50.58m，h´´=14.0m，t=14.07m，t＞h´´＞h＇，属于淹没水流，满足底流消能要求。

3、大坝抗稳定及应力分析

（1）、计算工况及荷载组合。

山羊溪水电站位于湖南省桑植县境内，坝区地震基本烈度为Ⅵ度，不需要进行抗震设防，故按常规荷载组合如下表3-1。

3-1 大坝稳定应力计算工况及荷载组合表

荷载组合 计算工况 上游水位（m） 下游水位（m） 机构自重 静水压力 扬压力 风浪压力 泥沙压力 备注

基本组合 正常蓄水位 304.8 286 √ √ √ √ √

设计洪水位 305.15 299.77 √ √ √ √

特殊组合 校核洪水位 307.14 301.43 √ √ √ √

（2）、计算方法

该大坝座落在弱风化岩基础上，参照《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）进行坝基抗滑稳定及应力计算，计算公式如下：

坝基面抗滑稳定安全系数： PACwfKc

其中：c—抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。

∑w—作用于坝体全部荷载对滑动平面的法向分力值（KN）

∑p—作用于坝体全部荷载对滑动面的切向分力值（KN）

f´—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数

C—坝体混凝土与坝基接触面抗剪断凝聚力（MPa）

坝基面垂直正应力：δ上/δ下=∑W/T±∑M▪C/I

其中：δ上、δ下—坝基面上、下游边缘垂直应力（MPa）

∑W—作用于计算坝段上全部荷载在坝基面上的法向分力总和（KN）

∑M—计算截面以上的全部垂直力及水平力对计算截面形心的力矩的总和，以使上游面产生压力为正（垂直正应力以压应力为正）

T—计算截面沿上、下游方向的宽度

I—截面惯性矩，I=T/12

C—截面形心至上、下游坝面的距离，C=T/2

（3）、计算参数的取值

水位：P=0.5%，校核上游水位=307.14m，相应下游水301.43m，

P=2%，设计上游水位=305.15m，相应下游水位为299.77m，正常蓄水位，上游水位=304.8m，相应下游水位为286.2m。

气象：多年平均风速为1.4m/s，吹程D=0.8km。

基岩物理力学指标见表3-2

表3-2 基岩物理力学指标表

岩性及状态 天然重度（KN/cm3） 承载力标准值（Kpa） 饱和抗压强度（Mpa） 软化系数

中风化薄层

灰岩 2.5-2.7 6000 58.5-75.5 0.9

岩性及状态 混凝土与基岩抗剪断强度 基岩抗剪断强度

f C(Mpa) f

C(Mpa)

弱风化薄层

灰岩 0.8 0.7 0.9 0.8

经计算，其各坝段稳定，应力计算成果见下表3-3

计算工况 坝段

应力 第二、三孔溢流坝 第四孔溢流坝

正常蓄水位 安全系数Kc 7.12 9.0

上游边缘应力 0.0143 0.025

下游边缘应力 0.1738 0.104

设计洪水位 安全系数Kc 23.1 14.85

上游边缘应力 0.2261 0.2801

下游边缘应力 0.0722 0.0732

校核洪水位

安全系数Kc 23.5 14.71

上游边缘应力 0.2358 0.2817

下游边缘应力 0.0756 0.0756

控制情况 控制水位 正常 正常

计算采用的底高程 282.0 285.0

经过对稳定的应力计算和分析表明：各坝段在各种情况下均满足抗滑稳定规范要求，坝体是安全的，且各坝段均以正常蓄水位为控制工况，符合低坝的实际情况，说明了建筑物运行的合理性，同时由于坝断面溢流堰为“WES”堰，该坝型在坝体不高，水位偏高的状况下，采用抗剪断公式计算安全系数较大，符合该种坝的实际情况，通过应力计算，正常蓄水位情况坝踵上游面应力已接近零，说明坝体断面已无余幅，在实际施工过程中一定要确保混凝土施工质量，确保坝体的稳定。

4、节省的工程量及投资预算。

第一孔大坝节省的开挖及混凝土方量：17×1×25.5=433.5m3

二、三孔大坝节省的开挖及混凝土方量：34×2×25.5=1734 m3

第四孔大坝节省的开挖及混凝土方量：17.5×5×25.5=2231 m3

第一孔消力池节省的开挖方量：17×1×35=595m3

二、三孔消力池节省的开挖方量：34×2×35=2380 m3

第四孔消力池节省的开挖方量：17.5×4.7×35=2878 m3

共节省石方开挖量433.5+2231+595+1734+2380+2878=10251.1m3

节省混凝土的方量为：595+1734+2231=4560 m3

共计节约投资：30.87×10251.1+232×4560=137.44万元。

5、坝顶闸门调度方案

由于溢流坝一、二、三、四孔消力池底板高程不一样，对坝顶闸

门调度也要进行优化，由于第一孔与第二孔之间有一道长达50米长，高程为292.0m的永久纵向围堰（没有拆除）相隔，因此第一孔的泄流不影响第二、三、四孔的泄流。由于第四孔与第三孔消力池底板有2.7m的跌坎，第三孔泄流时会对第四孔的消力池底板有冲刷，同时第四孔泄流也会对第三孔消力池底板产生影响。因此电站运行时，要加强与上游凉水口水文站的联系，根据水文预报情况开启、关闭闸门。为了增加发电效益和确保行洪安全，特制定如下闸门调度方案：

（1）、在上游来水流量小于二十年一遇时，尽量保持上游水位304.8m情况下运行。当上游流量小于400m3/s，开启第二孔闸门，当上游流量大于400m3/s，小于800m3/s，开启第二、三孔闸门，当上游流量大于800m3/s小于3000m3/s，应同时开启一、二、三孔闸门。

（2）、当上游来水流量大于3000m3/s小于4100m3/s，第四孔闸门可局部开启，当上游来水流量大于4100m3/s，坝顶四孔闸门应全部开启。

（3）、在汛期，当上游可能出现大于20年一遇的洪水时，应提前一小时打开二、三孔闸门，将水库水位降低至调洪水位302.0m，