黃河龍口水利樞紐工程設計過程回顧

杜 雷 功

1 概況

1.1 工程概況

黃河龍口水利樞紐位于黃河北干流托龍段尾部、山西省和內蒙古自治區的交界地帶,左岸是山西省忻州市的偏關縣和河曲縣,右岸是內蒙古自治區鄂爾多斯市的準格爾旗。壩址距上游已建的萬家寨水利樞紐25.6km,下游距已建的天橋水電站70km。

龍口水利樞紐的開發建設符合歷次黃河流域規劃的要求。工程規模為大(Ⅱ)型,其主要功能:充分利用黃河北干流豐富的水能資源,為晉蒙電網提供清潔、可靠的調峰容量和電量,從而改善電網電源結構,增強調峰能力,優化運行條件;對萬家寨水電站發電流量進行反調節,確保黃河龍口—天橋區間不斷流,兼有滯洪削峰等綜合作用;促進地區經濟發展,有利于西部大開發戰略的實施;改善周邊生態環境。

水庫設計洪水標準為100年一遇,校核洪水標準為1000年一遇。采用 “蓄清排渾”運行方式,每年7～9月低水位運行排沙。水庫總庫容1.96億m3,電站總裝機容量420mW(4×100mW+1×20mW機組)。年均發電量13.02億kW?h。左岸1回220kV線路接入山西電網;右岸2回220kV線路接入內蒙電網。庫區淹沒各類土地約446.67 hm2(0.67萬畝),生產安置人口1147人。主體工程施工期52個月,工程總投資約27.15億元。

樞紐主要由混凝土重力壩、河床式電站、泄水建筑物、副廠房及GIS開關站組成。攔河壩壩頂高程900m,壩頂全長408m,最大壩高51m。

樞紐布置格局為:河床式電站壩段布置在左岸,泄流表孔壩段布置在右岸,泄流底孔壩段布置在電站壩段與表孔壩段之間,電站壩段和底孔壩段間設隔墩壩段,兩岸設混凝土重力邊坡壩段和岸坡連接。左右岸邊坡壩段分別預留引黃取水口。副廠房布置在主廠房左側,220kV GIS開關站布置于副廠房下游側。

1.2 工程勘測設計過程

龍口水利樞紐工程勘測設計工作始于20世紀50年代,50—70年代先后開展過一些地質勘探工作。1984年水利部天津水利水電勘測設計研究院(現中水北方勘測設計研究有限責任公司)開始本工程的地質勘察和設計工作,1988年12月編制完成了《黃河龍口水電站工程可行性研究報告》,于1992年11月通過了原能源部、水利部水利水電規劃設計總院技術審查;1998年在可研工作基礎上補充編制了《黃河萬家寨水利樞紐配套工程龍口水利樞紐項目建議書》,于2003年1月通過水利部水利水電規劃設計總院的審查,并于同年9月通過中國國際工程咨詢公司評估;2003年開始龍口工程可行性研究報告的修編工作,2004年5月完成《黃河萬家寨水利樞紐配套工程龍口水利樞紐可行性研究報告》,并通過了水利部水利水電規劃設計總院審查;2005年5月,編制完成《黃河萬家寨水利樞紐配套工程龍口水利樞紐初步設計報告》,于2005年6月通過水利部水利水電規劃設計總院的審查;2005年9月國家發展和改革委員會核準本工程立項;2005年12月水利部對工程進行了批復。中水北方勘測設計研究有限責任公司隨即開展本工程招標和施工圖設計工作,工程進入建設實施階段。

1.3 工程施工過程

2005年9月國家發展和改革委員會核準立項后,開始工程施工籌建準備工作,2006年4月實現了一期截流,主體工程從2006年5月初開始施工,2007年4月實現二期截流,2009年9月初正式下閘蓄水,2009年9月18日首臺機組并網發電,2010年6月底工程建設基本完工。截止目前,龍口水庫已蓄水至正常蓄水位,5臺機組全部投產發電。

2 設計和建設過程中的優化

2.1 樞紐布置優化

隨著設計工作的不斷深入和外部條件的變化,對樞紐主要建筑物的形式、布置進行了優化調整。

2.1.1 攔河建筑物布置優化

壩址處壩基巖層傾向左岸及下游,傾角2°～6°,可行性研究階段攔河建筑物的布置為:從左岸至右岸依次為非溢流壩段、主安裝間壩段、電站壩段、小機組壩段、副安裝間壩段、隔墩壩段、底孔壩段、隔墩壩段、表孔壩段及非溢流壩段。可研階段的這種布置適應了壩址處的地形地質條件:將建基高程較低的電站壩段布置于左岸,建基高程較高的泄水建筑物布置于右岸,這種布置形式與電站布置于右岸方案相比可減少巖石開挖量6.1萬m3,減少混凝土澆筑量5.3萬m3。

初步設計階段在可行性研究階段布置格局的基礎上,本著在滿足建筑物功能要求的基礎上,力求合理、緊湊的原則,結合兩岸邊坡巖石情況和水工模型試驗成果,對樞紐布置進一步優化,取消了底孔和表孔間的隔墩壩段,左岸增加了一個非溢流壩段,壩頂長度由420m調整至408m。左岸增加一個非溢流壩段后,電站廠前區寬度由25m增至40m,廠前區更加開闊,方便了施工和運行管理。模型試驗表明:取消底孔、表孔間的隔墩壩段,雖然下游出消力池流速比河床允許不沖流速稍大,但最大沖刷深度小于5m,不會危及建筑物安全。

2.1.2 副廠房布置優化

初步設計階段副廠房、GIS開關站布置于左岸邊坡下,沿山體開挖線成 “一”字布置,GIS開關站靠近主廠房,副廠房布置于GIS開關站下游側。

工程實施過程中,考慮到本工程生活管理區距廠區較近,可充分利用生活管理區已有房屋設施,將部分辦公及非生產用房安排至生活管理區,副廠房內只保留必要的生產性用房,大幅降低了廠區副廠房的建筑面積。并對副廠房位置進行調整:將其布置于左岸邊坡壩段下游側壩體上,緊鄰主廠房。如此優化后,既減少了大壩的混凝土澆筑方量,又縮短了主、副廠房間的電纜廊道,同時還節省了廠前區的空間和廠區回填量,節約了建設成本,也方便了后期運行。

2.2 左右岸預留引黃取水口

在龍口水利樞紐工程實施期間,應山西省、陜西省及內蒙古自治區三省(區)地方政府請求,調整變更部分建筑物設計,在左、右岸邊坡壩段分別預留引黃取水口。

樞紐左岸為忻州市河曲縣,境內有沿黃河水地面積3633 hm2(5.45萬畝),是全縣發展高效農業的重點地區和主要產糧區,原為提水灌溉,利用龍口水利樞紐提供的有利條件,從龍口庫區引水可變原提黃引水方式為自流引水,不僅能保證原有水地的適時灌溉,而且還可新增保澆水地1033 hm2(1.55萬畝),同時還可滿足沿黃18個廠礦企業的工業用水需求,經濟效益和社會效益顯著。

樞紐右岸內蒙古自治區準格爾旗沿黃經濟帶內計劃建設諸多大型煤電、煤化工基地,預計年需水缺口2億m3;右岸下游的陜北榆林地區煤、油、氣、鹽資源豐富,將建設成全國重要的能源接續地和化工基地,預測到2020年供水缺口將達12.23億m3,解決這一突出矛盾的主要途徑也是引黃。

2.3 基礎處理優化

施工過程中根據開挖揭露的地質情況,及時對基礎處理設計進行復核、優化。

2.3.1 壩基帷幕和排水優化

前期勘察成果表明:壩址兩岸地下水位低于庫水位,壩址區巖體滲透性呈不均一性,蓄水后存在繞壩和壩基滲漏問題。壩址無大斷層和較大溶洞存在,產生集中滲漏的可能性不大,滲漏形式是散流型、巖溶裂隙式。左岸壩肩和壩基大部分巖體滲透性較弱,右岸壩肩巖體滲透性較強。壩基巖體滲透性隨深度的增加有逐漸減小的趨勢。初步設計階段壩基防滲設上游帷幕、下游帷幕及兩岸橫向連接帷幕,帷幕形成封閉系統,上游帷幕設2排。壩基下共設3道排水幕,第1道主排水幕布置在灌漿及主排水廊道內帷幕下游側,第2道排水幕布置在基礎排水廊道內,第3道排水幕布置在下游灌漿排水廊道帷幕上游側。

施工過程中,對基坑內的涌水量進行了認真觀測、分析,結果表明:壩基的滲漏量與前期勘察預測情況基本一致,基巖不透水性好于預期;初步設計中雖設置下游帷幕,但僅作為安全儲備,未計入抗滑穩定計算;黃河是多泥沙河流,水庫蓄水后,壩前會形成一定程度天然鋪蓋。綜上考慮,對壩基帷幕和排水進行了優化:取消下游帷幕及上下游連接帷幕;取消1#～11#壩段下游灌漿排水廊道排水孔及左、右岸上下游連接廊道內排水孔。

2.3.2 壩后尾巖加固處理優化

初步設計階段有限元計算結果表明:由于壩基存在多條泥化夾層,壩體深層抗滑情況下壩后尾巖(抗力體)承受向上作用,尾巖表面有隆起現象,局部有拉應力區。為安全計,底孔和表孔壩段壩體下游尾巖20m范圍之內,每個壩段施加20000kN的垂直壓力;電站壩段下游尾巖30m范圍,每壩段施加55000kN的垂直壓力。據此,初步設計提出對底孔、表孔和電站壩段壩后尾巖采用錨筋樁加固,錨筋樁梅花形布置,樁徑0.6m,樁長16m,樁底爆破擴頭處理。

招標設計階段,對壩后尾巖加固措施進行了錨筋樁和錨索兩種方案的比選。與錨筋樁方案相比,錨索方案具有施工難度小、工期短,變被動受拉為主動施壓等優勢,采用錨索加固方案。

施工階段電站壩段基坑后揭露情況表明:電站壩段壩趾巖石完整性較好,未發現緩傾角裂隙、地質構造破碎帶等不利地質情況。采用現場實測地質參數重新進行穩定復核,計算結果滿足規范要求。據此,取消電站壩段尾巖預應力錨索加固措施。

2.4 廠房通風方案優化

施工圖設計過程,通過對已建水電站調研,對廠房通風系統進行了優化,在滿足消防及工藝要求的前提下更加簡潔、高效。將主廠房送風系統的取風地點由室外改為主帷幕灌漿廊道,由廊道內取風可使送風溫度夏季降低5℃左右,冬季提高5℃左右,節約了能源,節省了運行費用。

2.5 施工導流與進度方案調整

本工程初步設計階段分兩期導流,一期導流又分為一期低圍堰和一期高圍堰兩個導流時段。一期圍右岸河床,施工右岸泄水壩段;二期圍左岸河床,施工左岸電站壩段。工程實際于2006年4月實現了一期截流,與原初步設計計劃推遲了近5個月,根據這一情況,將施工導流調整為三期:一期圍右岸河床,施工右岸泄水壩段;二期圍左岸河床,施工左岸電站壩段;三期圍右岸消力池,施工消力池面層混凝土。

二期截流的時間是影響電站發電工期的關鍵,為實現2007年汛前二期截流,使電站提早發揮效益,采取了如下措施:降低導流缺口底高程以降低一期基坑壩體混凝土澆筑強度,消力池面層混凝土安排到三期澆筑,減少了一期基坑混凝土澆筑強度。通過以上調整,2007年4月順利完成了二期截流。

2.6 接入系統和主接線方案調整

初步設計階段至最終實施的過程中,龍口電站的接入系統和主接線方案根據電網情況和業主要求進行了多次調整。

在電站初步設計階段,接入系統方案為電站分別采用2回220kV線路接入山西和內蒙電網。電站接線具備兩省電網在龍口電站聯網的條件,并且具備兩省電網互相借用機組運行的條件。根據上述原則,水電站220kV側采用雙母線接線。

工程實施過程中,山西、內蒙2省(自治區)最終審定的接入系統為:山西側以1回220kV線路接入系統;內蒙側以2回220kV線路接入系統,同時業主提出簡化設計、節省投資的要求。據此,確定電站主接線不考慮 “聯網”和 “借機”的運行原則,電站220kV側接線改為2個獨立的單母線接線。

在電站投產前,內蒙側電網調整了發展布局,龍口內蒙側送出線路項目被暫時擱置。為保證電站效益不受損失,與山西電網協商后,同意近期龍口電站全部機組接入山西側電網運行,內蒙側送出線路建成后,按照已經審定的接入系統方案運行。根據這一實際情況,龍口電站220kV接線再次調整,在原有的2段母線之間加裝了隔離開關,并在內蒙側增設了臨時借機用母線。

2.7 電站攔污、清污設施優化

本工程共安裝有4臺100mW機組和1臺20mW機組,每臺100mW機組有3個進水口,20mW機組有1個進水口。初步設計階段每個進水口沿水流方向依次設有副、主攔污柵、檢修閘門和事故閘門,攔污柵采用連通布置,采用清污抓斗和提柵人工清污兩種清污方式。

建設過程中對上游萬家寨水利樞紐進行了調研,由于近年來黃河未發生大洪水,庫區污物較少,建成至今清污抓斗未曾使用。另外,龍口壩址距萬家寨樞紐僅有25.6km,其間只有偏關河匯入,且來水較少,亦無大量污物匯入龍口庫區。綜合分析,取消了大、小機組電站進口的副攔污柵及其相應埋件,取消清污抓斗和相應的攔污柵庫和清污抓斗庫。

2.8 采用新材料

黃河是著名的多泥沙河流,龍口作為河床式電站,泄水、排沙、發電流道的磨蝕問題突出,結合本工程料場情況,針對混凝土的水泥、粉煤灰、粗細骨料、摻料及外加劑等進行了試驗、研究,優選出了抗沖磨混凝土的配比方案。研究成果表明:采用UF500纖維素纖維作為添加料,輔以一定量的粉煤灰、硅粉等配置的抗沖磨混凝土,其抗磨蝕性、抗裂性、和易性等性能優良,施工簡便,易于控制。UF500纖維素纖維作為一種新型纖維以其優異的性能在龍口抗沖磨混凝土中得以應用。

3 結 語

(1)水利水電工程設計是涉及多學科、多專業的系統工程,也是利用、適應和改造客觀環境的工程。在設計和建設過程中,隨著對客觀自然條件認識的逐步加深、外部條件的不斷變化和工程技術的快速發展,對設計不斷進行調整、完善和優化是必然和必須的。隨著科技的進步和設計理念的提升,水利水電工程設計必將進入較高層次的動態設計、交互設計的發展階段。

(2)方案比選時,應全面辯證的分析問題,不能只強調直接投資或某單一因素,要著眼全局,結合工程運行管理的安全和靈活、運行費用、施工安全性、施工難度、工期等多方面因素,綜合分析、比選。

(3)設計工作中要始終保持不斷進取創新的精神,認真嚴謹、實事求是的科學作風。