水牛家水電站工程特點

朱 平, 周武林

(四川華能涪江水電有限責任公司,四川成都 610041)

1 工程概況

水牛家水電站位于四川省平武縣境內的涪江一級支流火溪河上游,為火溪河“一庫四級”規劃開發的龍頭水庫電站(圖 1)。水牛家水電站由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐三大部分組成,總裝機容量為 2×35MW。

電站大壩位于平武縣白馬鄉稿史瑙村賴子灣附近,廠址位于王壩楚下游約 0.65km處,引水系統布置于火溪河右岸,經引水隧洞、調壓室、壓力管道引水至地下廠房發電,尾水直接注入火溪河。沿火溪河左岸從王壩楚上行至大壩有至王朗自然保護區的公路通過,大壩距廠址公路里程約 11 km。廠址處沿成都至九寨溝旅游環線公路下行至平武縣城約 54km,廠址距綿陽市和成都市的公路里程分別為 221km和 317km。

工程區屬亞熱帶山地氣候,冬季寒冷干燥,夏季涼爽濕潤。氣溫垂直變化十分明顯。工程區多年平均氣溫為 7.6℃,極端最高、最低氣溫分別為29.5℃和 -16.5℃;多年平均年降水量為 692.7 mm;多年平均相對濕度為 73%。

水牛家電站為火溪河流域梯級開發的龍頭水庫電站,系混合式開發,水牛家電站水庫正常蓄水位高程為 2270.00m,正常蓄水位高程以下庫容為 1.34億 m3,調節庫容 1.092億 m3,具有多年調節能力。電站安裝 2臺 35MW混流式水輪發電機組,枯水年枯期平均出力 25.1MW,多年平均年發電量為 2.112億kW?h,其中枯期電量 0.987億 kW?h。水牛家工程的補償效益顯著,可增加下游自一里、木座兩個梯級多年平均年發電量 0.25億 kW?h,枯期電量 1.772億 kW?h(比單獨運行時增加約 73.5%),可提高兩個梯級電站枯水年枯期平均出力 44.2MW,同時還可以增加陰坪水電站及涪江干流各梯級電站的電量和保證出力。

(1)首部樞紐:水牛家水電站大壩為碎石土心墻堆石壩,壩頂軸線長約 317m,壩頂高程為2274.00m,頂寬 10m,最大壩高為 108m,心墻頂高程為 2273.00m,頂寬 4m,大壩填筑總量約510萬m3。基礎處理采用固結灌漿及灌注碎石振沖樁,壩基防滲為混凝土防滲墻和帷幕灌漿防滲等,混凝土防滲墻厚 1.2m,最大深度 29.2m(圖 2)。

導流洞及泄洪放空洞布置在右岸底部,包括引渠、圓形斷面有壓隧洞、閘門豎井和無壓隧洞等。閘門豎井內設導流、放空及臨時導流閘門。

泄洪洞布置在壩肩右岸,進口為開敞式寬頂堰,堰上設弧形閘門一道;泄洪隧洞包括平整段、轉彎段、陡槽段(明挖段)及出口反弧挑流鼻坎等。

(2)引水系統:水牛家水電站引水隧洞全長9.530km。取水口包括進口攔污柵閘、閘門豎井。

(3)廠區樞紐:廠區樞紐包括調壓室、壓力管道、地下發電廠房、廠房交通洞、通風洞及出線洞、尾水調壓室、尾水隧洞、地面開關站等。

調壓井為地下埋藏式雙室調壓室,由上室交通洞、上室、下室及豎井組成。

壓力管道:壓力管道為地下埋管式,主管經岔管分為兩根支管。

圖 1 火溪河梯級開發規劃圖

圖 2 水牛家水電站大壩結構圖

地下廠房:地下廠房包括主副廠房、安裝間等。

地面開關站位于火溪河右岸出線洞兼排風洞出口處。

2 工程自然氣候特點

(1)高海拔、日溫差大、年平均氣溫低。

工程區屬亞熱帶山地氣候,冬季氣候寒冷干燥,夏季涼爽濕潤。由于區內地形起伏變化大,氣溫的垂直變化十分明顯,氣溫隨地勢的增高而逐漸降低,年平均氣溫為 8.4℃,在海拔 5000m以上的山地終年積雪。

大壩工程區位于海拔 2100m以上,全年約有 2個月時間平均氣溫為負溫,晝夜溫差大,冬季凍土深度實測在 50cm以上。

(2)雨季、冬季時間長。

豐水期(5～10月),枯水期(11月 ～翌年 4月),11月 ～翌年 4月月均氣溫低于 5℃。全年冬季為 11月 ～翌年 4月,雨季為 5～10月。基本上冬季過了就進入雨季,雨季完了就進入冬季。冬季、雨季對土石壩心墻土料施工質量影響極大。

(3)“V”型河谷,河道相對較陡。

兩岸支流發育,地形切割強烈,切深 1000～2000m。

3 工程地質特點

(1)水牛家水電站位于由北側的文縣弧形構造帶,西側的岷江斷裂、雪山斷裂、虎牙斷裂和南東側的北東向龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊西部,區域地質構造背景復雜。本工程區屬地殼次穩定區,工程場地地震效應屬于受外圍強震帶的影響波及區。根據四川省地震局工程地震研究所《平武涪江火溪河梯級電站工程場地地震安全性評價報告》,水牛家水電站 50年超越概率 10%的地震烈度為 7.8度,庫壩區地表基巖峰值加速度為 227cm/s2(0.227g),廠址區為 236cm/s2(0.236g);場地地震基本烈度均為Ⅷ度。

(2)2270m正常蓄水位高程時庫容約 1.34億 m3,具年調節性能。水庫蓄水后具有一定的淹沒損失。浸沒影響較小,需進行蓄水初期的水文觀測。近壩庫邊坡及庫段邊坡穩定性較差,需進行安全監測。庫區存在沿斷層破碎帶滲漏的可能性,應加強監測。庫內次級小斷層具有一定的活動性,以粘滑為主并具一定的蠕滑,存在水庫誘發地震的地質構造條件,但次級斷層規模小,水庫誘發地震的可能性較小(一般不超過 5.0級)。在庫區設有高精度誘發地震監測網。

(3)大壩基礎為軟基建壩。河床覆蓋層的透水性、承載力有較大差異,存在壩基滲漏、滲透變形破壞和不均勻沉降變形問題。工程采用全斷面防滲墻進行了防滲處理。對不均勻沉降變形問題工程采用灌注振沖碎石樁進行工程處理。

兩岸壩肩均為條形山脊,巖體松弛、破碎,透水性為中等 ～強,存在壩肩單薄山脊繞滲的可能性。工程采用兩岸壩肩和河床壩基防滲帷幕灌漿進行防滲處理,在運行期加強了此段巖體下游的滲透性觀測。

(4)泄洪洞布置于右岸條形山體內,進口閘室部位及泄洪引渠段均為強卸荷帶,巖體松弛變形,兩側邊坡工程地質條件差,采取挖孔樁和錨索等支護措施,需加強運行期監測。

(5)放空(泄洪)洞進口段為洪積與崩坡積混雜的塊碎石土,洞臉及側坡穩定性差,覆蓋層成洞條件極差,采取了工程處理措施進行處理:其后坡為 3#傾倒變形巖體,采用了削坡減載、2240m高程以下坡腳貼坡混凝土、2240m高程以上框格梁加錨索的邊坡支護處理,并在運行期加強了明渠和進口邊坡監測。

(6)取水口表層為崩坡積覆蓋層,已開挖清除。調整后的進口攔污柵和明洞基礎置于洪積碎礫石土上,已采取了混凝土置換等工程處理措施,需加強觀測。洞臉為巖質邊坡,風化卸荷強烈,巖體破碎,兩側為覆蓋層,穩定性差;采用混凝土擋墻、坡腳壓碴、對上部采用框格梁加錨索的支護處理措施,需加強邊坡變形和安全監測(圖 3)。

圖 3 水牛家水電站大壩放空洞、泄洪洞、取水口三洞聯合邊坡示意圖

引水隧洞進口段洞身和閘門井圍巖以Ⅴ類為主,均采用鋼筋混凝土襯砌,并進行了回填和固結灌漿。洞身段圍巖以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類為主,Ⅲ類圍巖采取掛網噴錨支護,Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌,并進行回填和固結灌漿。

(7)水牛家電站壩址附近僅有硅質巖可基本滿足堆石料的質量要求。喬潘溝硅質巖料場位于壩址上游 2km處,其質量基本滿足設計要求;胡家磨下游一帶河床含漂砂卵礫石,其質量基本滿足設計要求。喬潘溝硅質巖料場棄碴量較大,應重視棄碴料的堆放和防護并對開采料場的邊坡進行有效的支護。

心墻防滲土料采用水牛家料場的碎礫石土料,有用層儲量可滿足工程需用量要求,質量基本滿足有關規程要求,開采運輸方便。

心墻堆石壩過渡料及反濾料采用位于壩址上游約 1km處的稿史瑙村河床砂卵礫石,篩選加工后使用。

高塑性粘土料和槽孔固壁土料料源在近距離內缺乏。經勘查選用平武縣城對岸的枕頭坪粘土料場,質量滿足設計要求。槽孔固壁土料料源缺乏,由承包商自行采購。

4 工程設計特點

水牛家工程在工程設計方面具有以下特點:

(1)工程區地震烈度高、地質構造背景十分復雜。根據 1996年四川省地震局工程地震研究所《平武涪江火溪河梯級電站工程場地地震安全性評價報告》,本電站工程區地震基本烈度為 8度。按《水工建筑物抗震設計規范》DL5073-2000第 1.0.5和 1.0.6條規定,并根據《水利水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》DL5180-2003中的有關規定,本工程屬二等工程,擋水建筑物壩高大于 100m,建筑物級別提高一級,但抗震設防標準應維持 2級建筑設計標準,攔河大壩工程抗震設防類別為乙類,設計烈度為 8度,其他水工建筑物抗震設計烈度亦為 8度。壩坡穩定及應力應變計算地震加速度值取 50年超越概率10%,為 227cm/s2。

(2)壩基河床覆蓋層最大厚度約 30m,層次結構復雜且分布不均一,對其第 2層采取灌注碎石振沖樁的措施以提高地基承載力、減小不均勻變形并加強地基土孔隙水消散。

(3)左、右岸壩肩及近壩庫岸分布傾倒變形巖體且穩定性差,給壩軸線的選擇和防滲線設計造成較大難度。

(4)導流放空洞、泄洪洞及引水隧洞進口邊坡卸荷裂隙發育,巖體松散且導流放空洞進口邊坡傾倒變形體發育,邊坡處理難度大。

(5)引水隧洞洞線較長,遭遇的不良地質問題較多,高強度施工作業難度較大。

(6)壓力管道水頭高,斜井段坡陡、斜長大,設計上采用鋼板混凝土結構,在復雜的工程、水文地質條件下,施工難度很大。

(7)壩區附近巖性條件差,不易尋找質量較好、儲量集中、運距較近、開采條件較好的堆石料場,給施工帶來較大難度。

5 工程施工特點

(1)施工條件惡劣。

工程區復雜的自然氣候特點決定了施工條件惡劣。對土石壩和混凝土施工來說,冬季和雨季不利于工程的施工質量和進度。施工過程中進行了大量的冬季、雨季施工試驗研究,科學合理地解決了自然條件惡劣帶來的不利影響,在雨季、冬季進行施工,保證了施工質量和工程進度。

(2)施工布置困難。

工程區復雜的工程地質特征決定了施工條件復雜,坡陡、施工道路布置困難,無論是料場還是上壩道路布置難度大,需要進行大量的開挖與回填。

(3)大壩施工料源變化大。

地質條件復雜表現在施工過程中的料源變化大,石料場采用多種料源予以解決。

(4)施工中邊坡失穩發生頻次高。

在施工過程中,多次發生山體開裂和位移、變形、滑坡。泄洪洞出口邊坡發生過罕見的、拋出100余 m的邊坡滑移,土、石料場邊坡均發生過大面積滑坡;在泄洪洞邊坡、左右岸邊坡都發生過開挖后邊坡出現大規模開裂變形現象;在左岸心墻邊坡開挖和豎井開挖過程中,邊坡均出現過明顯的滑移變形。

(5)施工強度高。

由于冬季、雨季時間長,在有效黃金施工期必須高強度施工,大壩施工的高峰強度達到了月 50萬 m3,上升 17m的記錄。

(6)施工質量要求高。

面對惡劣的自然氣候條件和復雜的地質條件,為保證工程質量,施工過程中制定了更為嚴格的質量標準和管理辦法。施工中進行了大量的試驗研究,確定了科學合理的施工工藝,確保了工程施工質量(圖 4)。

圖 4 水牛家水電站大壩填筑施工圖

6 施工技術管理特點

(1)依靠專家科學決策,大膽創新,破解了施工過程中的技術難題。

水牛家電站大壩工程是我國已建的、為數不多的百米高心墻土石壩之一,在四川同期在建的四座百米碎石土心墻高土石壩中,水牛家大壩工程總體建設進度是最快的,速度不僅來源于科學合理的管理,還源于敢于創新的科學精神和實事求是的工作態度。

在建設過程中,四川華能涪江公司多次邀請國內著名的水利水電專家到現場咨詢關鍵技術問題,通過科學決策,保證了施工進度,節約了大量投資。為保證關鍵工期不被延誤,百米高豎井在導流前暫不開挖的重大方案成功的實施,通過科學論證,大膽創新,突破了常規的施工方法;為解決堆石料缺乏而采用的砂石料綜合利用創新方案,取得了進度、效益雙豐收。

(2)推廣應用新技術,確保了工程施工進度與質量。

在工程建設過程中,大力推廣和應用新技術、新工藝、新材料,通過科技創新,保證了工程質量、進度和安全,同時取得了大量的技術創新成果。

在工程建設中使用了以下新材料:水下邊坡使用聚丙烯微纖維混凝土;排水洞使用 40m深排水孔 PVC排水管技術;高強土工格柵抗震材料;1.0mm厚土工膜防滲材料;SR防滲止水片。

在工程建設中采用了以下新技術:優化壩體結構和分區,使用砂石料作為壩殼料筑壩材料,加快了工程進度并節約了工程投資;在土石壩下游首次采用大孔無砂混凝土,解決了當地石材缺乏的難題,體現了經濟、生態環保和美化環境的水利水電工程建設新理念。

在工程建設中應用了以下新工藝:100m深豎井液壓滑模施工技術和 108m心墻基礎混凝土簡易滑模施工技術、冬季清水混凝土施工技術;在河床 30m砂礫石灌漿、邊坡水平錨索傾倒變形體中應用水平跟管、偏心跟管成孔技術;自進式中空注漿錨桿技術。

(3)大量實施技術創新研究,科研成果產出多。

在施工過程中,進行了筑壩材料的專題研究,冬季、雨季施工技術研究,土、石料施工工藝專題等大量的試驗研究,取得的主要成果有:大壩砂石料綜合利用技術經評審達到國內先進水平并獲得中電聯科技進步獎;碎石土施工質量 QC小組獲得全國建筑業優秀 QC小組稱號;碎石土心墻施工工法和冬季清水混凝土施工工法被評為四川省省級工法;筑壩材料研究與應用獲得全國電力系統優秀科技成果獎。

7 結 語

水牛家水電站于 2007年 5月 18日正式投產,大壩完建一年多時間后經受了 2008年“5.12”地震災害考驗,大壩主體結構完好,未見明顯異常現象,未出現影響安全運行的損壞。通過 3年多時間運行表明大壩各項指標正常,截至 2010年 2月,大壩累計最大沉降值達 0.609m,滿足土石壩規范要求,在設計允許最大沉降量 1m的范圍內。

工程實踐表明,水牛家工程設計方案科學合理,施工質量滿足要求,工程運行正常。