王建新，殷　亮，彭　育

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江　杭州　310014)

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水電站進水口攔污漂結構設計及穩(wěn)定分析研究

王建新，殷亮，彭育

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014)

摘要：目前處理大型水電站進水口前污雜物的有效手段是攔污漂技術。為此，針對富春江水電站攔污漂工程，采用有限元方法對岸端、壩端攔污漂錨固墩結構設計進行分析復核，揭示結構應力應變特性，配置相應的鋼筋。采用極限平衡方法對結構整體穩(wěn)定進行研究，評價建筑物的安全性。通過數(shù)值計算與工程經(jīng)驗的參考，驗證進水口攔污漂設計的合理性。

關鍵詞：進水口；攔污漂；錨固墩；結構設計；穩(wěn)定分析

1問題的提出

水電站上游庫區(qū)受沿岸水土流失、生產(chǎn)及生活設施對環(huán)境污染的影響，造成各種污雜物流入庫區(qū)，大量的污雜物流至壩前，容易造成進水口攔污柵堵塞，電能損失，嚴重者壓垮攔污柵，直接導致停機，嚴重影響了機組的發(fā)電效率和運行安全，給國家?guī)泶罅拷?jīng)濟損失。采用攔污漂技術是綜合治理壩前污雜物的最有效手段，可以有效解決污雜物對進水口、機組的影響。

本文在深入研究壩端老混凝土長期性能、岸端巖體物理力學特性的基礎上，針對富春江攔污漂工程的錨固墩結構設計，進行應力應變及穩(wěn)定分析研究，驗證攔污漂設計的合理性。

2工程概況

富春江水電站進水口攔污漂工程水工建筑物包括：壩端錨固墩、岸端錨固墩、壩端攔渣墻等。攔污漂的一端設在廠壩間魚道壩段頭部(壩端混凝土錨固墩)，另一端設在庫區(qū)左岸泵房上游側的公路邊(岸端混凝土錨固墩)。其攔污漂軸線長約321 m，與壩軸線約成71°角。

壩端混凝土錨固墩布置在廠壩間魚道壩段頭部，現(xiàn)魚道混凝土為R100素混凝土，質(zhì)量相對較差，頂面高程為25.00 m，對魚道部分老混凝土進行拆除重建。進行加高至32.00 m高程。錨固墩采用寬5.0 m，長8.0 m(沿攔污漂軸線)的矩形截面，基底高程17.00 m，頂高程32.00 m，采用二級配C25混凝土。為增強新老混凝土接觸面的抗滑能力，對接觸面采用表面混凝土鑿毛、植入錨筋束3φ32，L=4.5 m(插入老混凝土3.0 m，@1.5 m×1.5 m)，在側向植入φ32，L=4.5 m(插入老混凝土3.0 m，@1.5 m×1.5 m)。為避免遭遇大洪水時污物進入發(fā)電進水口，在錨固墩與大壩之間增設4.00 m高混凝土攔渣墻，同時按原體形在下游側重建魚道。

攔污漂岸端混凝土錨固墩布置在庫區(qū)左岸泵房上游側的公路邊，利用浮式自動升降裝置控制攔污漂。岸端混凝土錨固墩采用頂寬5.0 m，底寬8.0 m，長10.0 m(沿攔污漂軸線)的梯形截面，建基面采用平臺開挖，基礎底高程17.00 m(視現(xiàn)場開挖揭露的基巖情況進行調(diào)整)，頂高程32.00 m，采用C25二級配混凝土。為增強基底面的抗滑能力，在基底面布置錨筋束3φ32，L=4.5 m(插入基巖3.0 m，@1.5 m×1.5 m)，增強穩(wěn)定。

攔污漂整體布置見圖1，壩端、岸端固定端見圖2～3。

3攔污漂結構設計

河中攔污漂結構受力復雜，對荷載計算目前沒有統(tǒng)一的規(guī)程規(guī)范可循，如何正確地認識和分析其受力，是攔污漂建設是否成功的關鍵。根據(jù)富春江水電站攔污漂布置方案，對其在各種工況下受力條件的初步分析，參考有關行業(yè)規(guī)范的設計計算方法，結合攔污漂的具體特點進行計算。

攔污漂金屬結構躉船主要承受圓拱外側荷載和圓拱內(nèi)側荷載。受外側荷載時在泄洪工況時受水流力、風力、水壓力和風浪壓力等聯(lián)合作用時為最不利工況。根據(jù)攔污漂河中躉船結構布置，采用相應的端頭錨固墩布置方式，岸端、壩端錨固墩均布置滑槽，浮箱軌道在滑槽內(nèi)根據(jù)水庫水位變化上下變動，保證庫內(nèi)污雜物不進入進水口攔污柵。

3.1魚道改造的壩端結構設計

進水口處壩端錨固墩布置在廠房壩端與溢流壩端之間的魚道進口上游閘墩上，利用原魚道進行改建而成，魚道進口高程為20.50 m，出口高程為14.50 m，頭部建基面底高程約-12.00 m，頂高程25.00 m，完建后錨固墩高程32.00 m(見圖2)。

本工程采用卷揚機牽引切縫施工技術，工程質(zhì)量符合設計和規(guī)范要求，縮短了工期，減少了施工成本，施工工藝更加便捷。施工過程中極大地規(guī)避了安全隱患，適用面較廣泛，施工更加簡便。

由于建造時期的特殊性，魚道采用R100混凝土，新老混凝土標號與強度等級存在以下?lián)Q算關系[2]：

式中：δfcu,15為混凝土立方體抗壓強度變異系數(shù)，取0.23；R為原混凝土標號，魚道混凝土為100號混凝土。

根據(jù)上述關系，則原魚道采用R100混凝土換算為新規(guī)范混凝土強度等級為C9.24，軸心抗壓強度標準值為6.19 MPa，軸線抗拉強度設計值為4.46 MPa。

攔污漂壩端新建錨固墩布置在原魚道頭部進口靠上游側墩墻老混凝土上，魚道與大壩間設結構縫，單獨將魚道頭部與錨固墩聯(lián)合建模，改造后的魚道結構、錨固墩有限元模型(不含地基)見圖4，模型節(jié)點總數(shù)151 769，單元總數(shù)141 160。

攔污漂壩端錨固墩設計荷載主要包括：自重、庫水壓力、揚壓力、攔污漂浮箱的拉力，其中浮箱的拉力3 400 kN。

富春江水電站為日調(diào)節(jié)低水頭河床式水電站，水庫常年保持正常蓄水位23.00 m。正常蓄水位工況下，浮箱對錨固墩作用點橫剖面主應力等值線分布見圖5。

從主應力分布結果看，在庫水位高程，滑槽受浮箱集中作用力影響，傳遞至錨固墩的拉應力平面上呈明顯的發(fā)散分布，空間上呈半球形分布。局部存在應力集中，最大主拉應力3.66 MPa，大于1.00 MPa范圍均集中在1 m范圍內(nèi)。

原魚道壩段建基面高程-12.00 m，攔污漂結構頂高程32.00 m，最大懸臂高度44.00 m，向上游測最大位移2.2 mm。

根據(jù)結構的正應力分布，采用SL 191—2008《水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》中非桿系結構配筋章節(jié)采用有限單元法進行配筋，豎向受力筋采用φ32@20布置，滿足工程需要。

3.2岸端結構設計

攔污漂岸端混凝土錨固墩布置在庫區(qū)左岸泵房上游側的公路邊，利用浮式自動升降裝置控制攔污漂。錨固墩開挖底高程17.00 m。

根據(jù)攔污漂岸端錨固墩開挖以及結構布置，建立有限元模型(不含地基，見圖6)，模型節(jié)點總數(shù)96 182，單元總數(shù)87 988。

攔污漂岸端錨固墩設計荷載主要包括：自重、庫水壓力、揚壓力、攔污漂浮箱的拉力，其中浮箱的拉力3 400 kN。

正常蓄水位工況下，主應力最大橫剖面等值線分布見圖7。

從主應力分布結果看，在庫水位高程，滑槽受浮箱集中作用力影響，傳遞至錨固墩的拉應力平面上呈明顯的發(fā)散分布，空間上呈半球形分布。局部存在應力集中，最大主拉應力2.01 MPa，大于1.00 MPa范圍均集中在1 m范圍內(nèi)，逐漸減小至0.20 MPa。

岸端錨固墩建基面高程17.00 m，結構最高32.00 m，最大懸臂高度15.00 m，明顯小于壩端錨固墩，故最大向下游測位移0.3 mm，小于壩端錨固墩向下游側位移。

根據(jù)結構的正應力分布，采用《水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》中非桿系結構配筋章節(jié)采用有限單元法進行配筋，豎向受力筋采用φ32@20布置，滿足工程需要。

4攔污漂穩(wěn)定分析

錨固墩穩(wěn)定分析采用極限平衡方法，分別針對岸端及壩端錨固墩沿基底面進行抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定復核。

沿基底面的抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷公式[1]計算：

(1)

式中：Kc為錨固墩沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在錨固墩上全部垂直于基底面的荷載，kN；∑H為作用在錨固墩上全部平行于基底面的荷載，kN；A為錨固墩基底面的面積，m2；f′為新老混凝土間的抗剪斷摩擦系數(shù)，取1.08；c′為新老混凝土間的抗剪斷粘結力，取1.16MPa。

錨固墩的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，應按下式[1]計算：

(2)

式中：K0為錨固墩抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對錨固墩基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m3；∑MH為對錨固墩基底前趾的傾覆力矩，kN·m3?；炷铃^固墩抗滑穩(wěn)定計算見表1，混凝土錨固墩抗傾覆計算見表2。

5結語

富春江水電站攔污漂工程2014年底開工，按照工期要求，2015年汛期前正常投入運行，采用對魚道改建形成壩端錨固墩的設計思路，在進水口上游側形成攔污漂攔擋污雜物，為今后老電站攔污漂的設計提供了有益的工程借鑒。

參考文獻：

[1] 水電水利規(guī)劃設計總院. 水工設計手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2011.

[2]國家能源局.DL/T 5057—2009 水工混凝土結構設計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2009.

(責任編輯姚小槐)

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：王建新(1982-)，男，高級工程師，碩士，主要從事水工結構設計工作。

中圖分類號：TV134

文獻標識碼：B

文章編號：1008-701X(2016)02-0083-03

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