腾龙桥二级水电站发电取水口布置设计

　　1、工程概况

　　腾龙桥二级水电站位于云南省保山市龙陵和腾冲两县界河龙江干流的中下游河段上,距腾龙桥2km。龙江流域径流面积约5 800km2,干流全长301km,河道平均比降3.88‰,腾龙桥二级水电站坝址以上径流面积3 481km2,占腾龙桥水文站径流面积(3 487km2)的99.8%,水电站的径流、洪水、泥沙等水文成果直接采用腾龙桥水文站分析的水文成果。

　　腾龙桥二级水电站工程的开发任务是水力发电,电站为坝后式地面厂房、重力坝挡水。混凝土重力坝最大坝高57m,总库容4 593.2×104m3。拟定装机3台,电站装机容量81 MW,多年平 均发电 量为3.40×108kW·h,年利用小时数4 200h,保证出力12.69MW,调节性能为月调节。

　　2、发电取水口布置设计

　　2.1地质水文资料

　　2.1.1 地质条件。龙江工程区河段主要沿主构造线方向发育,其中:水库区河段与坝址河段河流流向SSW向,呈直线延伸;坝址下游河段转向EW向,呈“S”型弯曲。河谷主要呈不对称的“U”型谷,谷底无阶地,也无高漫滩,谷底与河床宽一致,河床宽度一般50~100m,河流纵比降约10‰~15‰。两岸岸坡陡缓不均,地形高低不对称,左岸山体相对高差大于250m,山顶为Ⅲ级剥夷面,右岸山体相对高差大于75m,山顶为Ⅳ级剥夷面。岩层走向N0°~35°E,倾 向NW-W,倾角30°~50°,其中:左岸与河床岩层倾角较陡,倾角40°~50°,右岸岩层倾角相对较缓,倾角30°~40°。工程区断裂主要有:走向SN或N-NE的F18断裂(龙江深大断裂)与走向NW的F46断裂(团田断裂)。主要发育4组节理:顺河流向中倾角片理、顺河流向陡倾角节理、垂直河流向陡倾角节理和斜交河流向陡倾角节理。

　　2.1.2 水文特征龙江流域属北亚热带和南亚热带季风气候,其特点为四季无寒暑,年际温差不大,干湿季分明,枯期少雨,冬季多雾,复杂多样的地形构成了水平分布复杂,垂直变化显著的多类型气候,俗称“一山分四季,十里不同天”。湿季5月~10月主要受西南暖湿气流控制,水汽充沛,其降水量约占年降水量的83%,尤以6月~8月最为集中,约占年降水量的55%;干季(11月至翌年4月)受西风带环流及西部大陆干暖气流控制,空气干燥,降水量少,降水量约占年降水量的17%。

　　2.2进水口结构布置

　　大坝坝顶高程1 150.50 m,建基面最低高程1 093.50m,坝顶总长度175.0m,共分10个坝段,编号从左至右排列,各坝段布置:①号至③号坝段为左岸挡水坝段;④号至⑥号坝段为河床溢流及泄洪底孔坝段;⑦号至⑨号坝段为右岸坝后式厂房取水坝段;⑨号坝段布置有电梯井;⑩号坝段为右岸挡水坝段。电站进水口型式为坝式进水口,布置在右岸⑦号至⑨号坝段,引水道穿越坝体,采用1管1机的引水方式,坝前设置拦污栅,每个进水口各设1道拦污栅、检修闸门、工作闸门。拦污栅、闸门底坎高程均为1 119.0m。

　　进水口为喇叭形,顶缘高程为1 127.4m,上唇方程为x2/62+y2/22=1的1/4椭圆曲线,进口两侧用圆弧收缩与检修闸门孔衔接。其后以坡度为1∶6.8的压坡线与工作闸门相联接,工作闸门后以渐变段与直径D=5.40m的压力钢管相联接。检修闸门孔口尺寸为5.4m×6.6m,工作闸门孔口尺寸为5.4m×5.4m。压力管道与坝体进水口底板高程为1 119.00m、轴线高程1 121.70m,最下端平管段中心线与机组安装高程同高,高程为1 108.50m。单机压力管道长62m,前部设5.4m长的方变圆渐变段,后部接弯管,弯管转弯角为45°,转弯半径为16.2m,中部设直段与下弯段相接,下弯段转弯角为45°,转弯半径为16.2m,下弯段与下平段相接经伸缩节与水轮机蜗壳进水口相接。

　　发电取水口结构布置见图1。

　　3、水力和结构计算

　　3.1进水口底板高程确定

　　进水口底板高程应满足在最低发电水位1 134.0m,下压力钢管的进流条件,即满足单机过流量Q=96.5m3/s时,保证有压过流且不出现立轴漩涡。根据设计规范,从防止产生贯通式漏斗漩涡考虑,进水口最小淹没深度按下式估算:S=cvd0.5式中:S—最小淹没深度,m;v—闸孔断面流速,m/s;d—闸孔高度,m;c—与进水口几何形状有关的系数。

　　经计算,最小淹没水深为5.61m,相应高程为1 130.01m,在最低发电水位1 134.0m下满足压力钢管的进流条件。

　　3.2过栅流速选定

　　为满足进水口的拦污栅过栅流速要求,布置两扇拦污栅,栅宽4.5m,在最低发电水位1 134.0m、单机过流量Q=96.5m3/s时,过栅流速为0.71m/s,满足过栅流速小于1m/s的要求。

　　3.3坝内埋管计算

　　由于该工程为低水头、大流量电站,压力管道管径较大,设计HD值=306m2,控制因素为压力管道的抗外压稳定,设计时考虑坝前水流可能沿管壁及坝体产生渗流形成渗透压力,依照规范坝内埋管外全部外压应由钢管承受,采用Q345C钢板制作,其抗外压稳定计算如下:

　　式中:E—钢材弹性模量;t—管壁计算厚度;D0—钢管内径;n—相应于最小临界压力的波数,可用公式

　　平均半径;L—刚性环间距;μ—钢材波桑比。按此设计压力管道管壁厚取为14mm,前部渐变段加劲环间距1m,后部取为2.5m,加劲环厚度取为与管壁同厚14mm,高为250mm,可满足管道的抗外压稳定要求。

　　3.4进水坝段稳定计算

　　该工程为三等工程,取水口坝段建筑物为3级,大坝剖面设计按照《混凝土重力坝设计规范》规定进行。

　　3.4.1 荷载组合。荷载组合见表1。

　　3.4.2 稳定和应力分析计算。根据进水坝坝剖面,采用北京理正重力坝稳定计算程序计算,结果见表2。

　　计算结果表明,坝体在基本和偶然组合状态下,抗力效应大于作用效应,抗滑稳定满足规范要求。坝踵垂直正应力均为压应力,未出现拉应力。坝趾压应力值小于地基允许承载力,满足规范要求。

　　4、结 语

　　进水口的结构布置,设计采用坝内发电引水,即减少了单独布置引水隧洞增加投资,又充分利用重力坝结构特点。将大坝、发电引水及厂房结合为一体,减少工程占地范围,节约投资,方便运行中的大坝、厂房管理,对类似的工程有一定的借鉴作用。

　　参考文献:
　　[1]DL5108—1999混凝土重力坝设计规范[S].
　　[2]DL/T5141—2001水电站压力钢管设计规范[S].