贵州水城县木果乡七股水水电站挡水与泄洪建筑物设计

□余荣健（六盘水市水利水电勘测设计研究院）

1 工程概况

七股水水电站位于长江流域乌江水系三岔河的一级支流连山河上，为引水式电站，电站正常水位1810m，相应库容68.31万m3，总库容184.60m3。电站利用天然落差113m，装机5MW，发电引用流量5.71m3/s，多年平均流量3.69m3/s，水量利用系数63%。

工程建设内容包括挡水坝、取水口、无压隧洞、明渠、压力前池、压力钢管及厂房。经过综合比较，电站装机容量5MW，多年平均年发电量1784.32万kW·h，年利用小时数3568h。工程施工总工期为31个月。工程总投资11153.87万元；静态总投资11153.87万元。

2 挡水建筑物设计与计算

2.1 坝顶高程确定

根据坝址洪水调节计算成果，大坝坝址处P=5%时的洪峰流量为362m3/s，其坝址处的水位为1807.95m；大坝坝址处P=2%时的洪峰流量为499m3/s，其坝址处的水位为1811.48m；大坝坝址处P=1%时的洪峰流量为612m3/s，其坝址处的水位为1812.68m；受下游伏流入口泄洪能力限制。当超过20年一遇洪水时坝体将淹没于水下，综合考虑正常水位及进水口取水的要求，故坝顶高程确定为1813.00m。

2.2 坝体结构设计

由坝体抗滑稳定及坝体应力条件控制拟定坝体断面。非溢流坝坝顶高程1813m，顶宽4m、坝底宽16m，上游面直立，下游面1810～1808m直立，1808～1800m坡比为1:0.70；溢流坝堰面曲线由WES曲线、直线段、反弧段三部分组成，WES曲线方程为y=0.11X1.85、直线段坡比1:0.87、反弧半径8m，并在溢流坝下游设置长40m、宽30m的护坦。

2.3 抗滑、抗浮稳定计算

2.3.1 计算工况

鉴于本工程特殊的洪水情况，根据坝址尾水水位流量关系曲线，拟定以下两种工况对大坝进行稳定复核。

工程一：水库为正常蓄水位1810m，未下泄洪水，下游最低水位为1803m，此时上下游水位差最大为7m。

工况二：在校核和设计洪水位下坝体完全淹没于水下的抗浮稳定验算。

2.3.2 坝体抗滑稳定复核

坝体抗滑稳定按抗剪断强度公式计算，计算公式如下：

结合工程类比法，拟建大坝地基物理力学参数为：f=0.80～1.20，c=0.70～1.10MPa，抗压强度为0.80MPa。经计算，大坝K′＞3.00，故坝体抗滑稳定满足规范要求。

2.3.3 抗浮验算

当超过20年一遇洪水时坝体将淹没于水下，故需复核校核洪水位（P=1%）和设计洪水位（P=5%）下的抗浮安全系数，计算公式如下：

经抗浮验算，在校核洪水位和设计洪水位下的抗浮安全系数均＞1.10，满足要求。

2.3.4 应力计算

本工程坝体断面设计时，抗滑稳定及坝体应力计算的荷载组合考虑在正常蓄水位情况和校核洪水位情况，各种状况所受荷载见表1。

表1 作用组合表

坝体应力计算方法参照《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005),坝基截面的垂直应力按下式计算：

取挡水坝最大断面，河床建基面高程分别为1800.00m的断面进行坝基应力计算。计算结果显示，非溢流坝、溢流坝在各种组合下坝踵垂直应力均未出现拉应力；而坝趾最大垂直应力为0.16MPa，小于坝基的允许承载力3.50MPa，也小于坝体混凝土的允许应力值，因此，坝基面应力满足规范要求。

3 泄水建筑物设计与计算

3.1 结构设计

大坝溢洪道布置于河床段，采用开敞式表孔溢流，溢流前沿净宽30m，堰顶高程1810m。堰流面曲线上半段为圆弧段，半径为10m；下半段为反弧段，采用底流消能。堰面采用C20钢筋混凝土衬护。因坝顶无交通要求，故不设闸墩和交通桥。

3.2 设计计算

3.2.1 泄流能力计算

溢洪道泄流能力按《混凝土重力坝设计规范》（SL319－2005）附录A.3.1中公式进行计算，计算公式如下：

经计算，当洪水流量为410m3/s时，其堰顶下泄流量为75.81m3/s。

3.2.2 消能计算

本坝的溢流段坝高10m，下游河床和岸坡基岩裸露，坝下河床受该灰岩河段坚硬岩石的限制，河床的切割深度受到限制，洪水期坝下游水位高容易形成水垫。因此溢洪道下游选用了底流式消能。底流消能是借助于一定的工程措施控制水跃位置，通过水跃发生的漩滚和强烈的紊动来消除余能。

底流式消能的水力计算，首先分析建筑物下游的水流衔接形式，亦即判定水跃发生的位置；然后确定必要的工程措施。建筑物下游水跃的位置决定于通过建筑物下泄水流的特性和下游河道中水深和流速的大小。当通过流量一定时，下游河道中的水深和流速是已知的。通过建筑物下泄的水流，以建筑物下游的收缩断面作为分析水流衔接形式的控制断面。

3.2.2.1 下游收缩断面水深的计算

溢流坝收缩断面水深hc计算公式如下：

3.2.2.2 水跃发生的位置

在一般情况下，下泄水流多为急流，而下游河道中的水流多属于缓流，这样水流就要从急流通过水跃过渡到缓流。为了判别水跃发生的位置，先假设水跃在收缩断面处发生，即以收缩断面为跃前断面，则收缩断面水深hc应等于跃前水深hc′，其共轭水深为hc"。因下游河道中的水深就是发生水跃时的实际跃后水深，因此用来判别建筑物下游是发生临界水跃、远离水跃或淹没水跃。

水跃共轭水深计算公式如下：

式中：Frc—收缩断面弗劳德数。

表2 水跃状态判别成果表

由表2看出，几种工况下均为淹没水跃，故不需要设置人工辅助消力工。

3.2.2.3 水跃长度的计算

自由水跃长度按下式计算：

通过计算，坝下游40m内河床有可能受到冲刷，故下游设置长30m护坦。此处计算过程不作赘述。

4 结语

综上所述，在水电站建筑物设计中，挡水建筑物以及泄洪建筑物的设计是非常重要的，按规范要求合理布置、加强设计与计算，保证建筑物设计的合理性，以此保证水电站运行的安全和寿命。

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