摘要：碧莲水电站拦水坝系建在软基上的水力自控翻板闸门溢流坝，此坝型可有效地减少上游的洪水淹没损失及水库泥沙淤积；同时，采用地下混凝土连续墙进行地基防渗处理及面流消能，节省了工程投资。该工程的设计对其他建固定坝淹没损失过大或在软基上建造的低重力式堰坝的类似工程具有参考价值。

关键词：水力自控翻板闸门 软基 地下混凝土防渗墙 面流消能 碧莲水电站

　　碧莲水电站位于浙江省永嘉县楠溪江的最大支流小楠溪上。坝址以上集水面积为425 km²，多年平均径流总量4.89亿m³，正常蓄水位83.04 m，总库容152.5万m³，引水系统全长2 993 m，电站加权平均水头17.4 m，装机容量4×800 kW，总投资2 983万元。工程等别为四等，电站采用股份合作制集资。

1　坝址工程地质条件

　　碧莲水电站坝址处溪流流向近东西向，河床底高程74.53 m，河底宽约80 m。坝址区地层岩性为侏罗系上统诸暨组a段(J₃Z^a)，灰色晶屑玻屑熔结凝灰岩。坝址区无断层通过，仅左、右岸各有一组节理。
　　碧莲水电站坝址区左、右岸山坡基岩裸露，凝灰岩弱风化带厚1～2 m，岩石完整坚硬。坝址河床上部为第四系砂砾卵石覆盖层(Q₄)，厚1～13 m，下伏基岩块状坚硬，弱风化带厚1～2 m。第四系覆盖层(Q₄)砂砾卵石和卵石层为强～极强透水层，渗透系数为25～180 m／d；基岩具裂隙透水性，左、右山坡及河床相对隔水层埋深在基岩面以下1～2 m。
　　坝基混凝土与弱风化岩抗剪参数f′=0.9，c′=0.7 MPa；混凝土与砂卵石摩擦系数f=0.5。承载力标准值：弱风化岩f_k=1 700～1 800 kPa，砂卵石层f_k=300～350 kPa，卵石层f_k=400～500 kPa。

2　坝型选择

　　该电站为低水头引水电站，为了洪水期不淹没上游岸上较低处的民房、不迁移人口以及不淹没左岸省道永缙公路，而平时又能适当抬高水位增加发电效益，因此只有采用活动坝。因橡胶坝存在老化快、易破坏、寿命短、难管理且运行费用高、投资又大等缺点，橡胶坝方案被舍弃。经比较最终采用水力自控翻板闸门坝(以下简称“闸坝”，见图1)。

图1　水力自控翻板闸门坝示意(单位：m)

3　闸坝设计

3.1　结构布置

　　闸坝由闸门、溢流坝及下游护坦3部分组成。
3.1.1　闸门
　　闸门采用水力自控双铰翻板闸门，由预制钢筋混凝土面板、支腿、支墩与滚轮等构件组装而成。闸门系利用水力和杠杆原理，使其绕水平轴转动，从而达到自动开启和关闭的目的。由于设计中采用连杆结构等措施，可有效地防止“振动”、“冲撞”、“浮走”等现象的产生。
　　当水库水位高于正常蓄水位0.35 m，即上升至启门水位83.39 m时，闸门就自动翻倒成倾斜状，宣泄洪水同时冲沙，其最小倾角为10°。当水库水位下降至回门水位82.24 m时，闸门自动关闭，拦蓄河水。
　　闸门顶高程83.04 m，门高4 m，单扇宽度8 m，共11扇，总宽88 m。闸门面板由上部3块槽形板和下部3块矩形板拼接而成。每扇闸门均采用双支腿、支墩，其位置在板端1.8 m处。闸门面板、支腿、支墩均采用C25混凝土预制构件，支铰系统采用钢结构，止水采用平板与P型橡皮。
3.1.2　溢流坝
　　溢流坝长88 m，坝顶高程79.04 m，坝底高程72 m，最大坝高7.04 m，属低堰。坝身底宽12 m，另利用部分下游护坦(长8 m)作为坝的悬臂底板，以控制坝基最大与最小应力比值及提高抗滑稳定性。
　　为提高闸坝的泄流能力，根据低堰行近流速影响不可忽略的情况，溢流堰面形状选择WESV型。定型设计水头H_d=7 m，堰顶上游段曲线方程为Y=0.4892X^0.998-0.2199X^1.75；下游堰面曲线方程为Y=0.1243X^1.75；堰面曲线下接反弧段，半径为8 m，中心角17°，跌坎挑角15°，跌坎高度4.94 m(从下游护坦高程73.70 m起算)。
3.1.3　下游护坦
　　该工程泄洪采用面流消能，但因护坦系砂卵石地基，为防止下泄洪水冲刷河床危及闸坝稳定，必须设下游护坦防冲。根据工程类比与有关经验公式计算，护坦长度为30 m，首端厚度根据防冲要求为1.70 m，末端厚度0.85 m，护坦底板高程72 m。护坦中后段长22 m，设置100@1 500 mm的排水孔以减少渗透压力。护坦末端设坎使上部形成一个平均深度为1.725 m的消力池。
　　坝体采用C15混凝土埋块石，堰面及下游悬臂底板采用C20混凝土，护坦采用C15混凝土。

3.2　基础处理

　　坝址河床段弱风化基岩层埋深达13 m左右，若清除全部砂砾石，则投资大、施工难。经多方案技术经济比较，采用地下混凝土防渗墙方案，即将最上层厚2.6～3.0 m的松散砂卵石清除掉，而将坝基持力层置于中层稍密的卵石层上，高程72 m，坝踵以下浇筑地下混凝土连续墙防渗，厚1.2 m，混凝土标号C20，深入弱风化基岩以下1～2 m。防渗墙与上部坝踵设铜片止水。

3.3　坝体应力及稳定计算

　　该坝属软基上的溢流重力坝，参照《SDJ21-78混凝土重力坝设计规范》和《SD133-84水闸设计规范》的规定及本坝实际情况，对以下2组荷载组合进行了计算。①基本组合：正常蓄水位静水压力＋泥沙压力＋坝体自重＋扬压力＋浪压力；②特殊组合：校核洪水位静水压力＋泥沙压力＋坝体自重＋扬压力＋动水压力＋浪压力。
　　根据规范规定，坝的应力采用材料力学方法计算，抗滑稳定计算采用抗剪强度公式，混凝土与卵石的摩擦系数f取0.5。河床部分坝体的计算成果见表1，坝基应力满足卵石层地基承载力要求，最大应力与最小应力比值及抗剪安全系数均满足规范要求。

表1　坝体稳定及应力计算成果

荷载组合

坝基应力／MPa

平均应力
／MPa

最大与最小
应力比值

抗剪安全系
数K

上游面

下游面

基本组合

0.113

0.047

0.080

2.40

1.22

特殊组合

0.069

0.061

0.065

1.13

1.18

3.4　水力计算

　　溢流堰堰顶高程为79.04 m，堰长88.0 m。泄洪计算根据翻板门过水的机理，门上、门下分别按倾斜矩形薄壁堰和孔口出流两种方法计算过流量：设计洪水时堰顶水头7.30 m，洪水位86.34 m，下泄流量2 965 m³／s，单宽流量33.69 m³／s，相应下游水位82.50 m；校核洪水时堰上水头8.40 m，洪水位87.44 m，下泄流量4 155 m³／s，单宽流量47.22 m³／s，相应下游水位84.10 m。
　　由于该坝属低堰，下游尾水较深，没有通航要求，为了降低消能工投资并有利于漂浮物下泄，采用面流消能。
　　闸坝跌坎高4.94 m，大于校核工况发生面流所必需的最小坎高2.28 m。面流各区界水深采用南京水科院的经验公式计算，冲刷深度采用长委水科院的经验公式估算。
　　因该坝下游为钢筋混凝土护坦防冲，因而近似地按岩基河床计算冲刷深度。经计算，设计工况时下游水深大于第一区界水深而小于第二区界水深，发生自由面流，冲刷深度小于水垫，不会冲刷护坦，消能效果非常好；当校核工况时，下游水深大于第二区界水深而发生混合面流，冲刷深度略大于水垫，对护坦略有冲刷，但因护坦按抗冲设计，因此也是安全的。计算成果见表2。

表2　面流计算成果

运行工况

下游
水深

第一区界
水深

第二区界
水深

第三区界
水深

冲刷
深度

设计洪水(p=5%)

8.90

7.36

9.11

10.27

6.61

校核洪水(p=1%)

10.35

8.40

10.00

　

10.63

4　结　语

　　由于该工程采用了水力自控翻板闸门活动坝，闸门平时挡水发电，洪水期翻倒泄洪冲沙，有效地减少了上游的洪水淹没损失及水库泥沙淤积，同时闸坝又采用地下混凝土连续墙进行地基防渗处理及面流消能，降低了工程投资。这种设计对其他建固定坝淹没损失过大或在软基上建造低重力式堰坝的类似工程有一定的参考价值。此种水力自控翻板闸门已在永嘉县的昔头水电站及浙江省的衢州闹桥、开化齐溪二级等多处水电站工程中得到应用，经过多年洪水考验证明是安全可靠的，因此具有一定的推广意义。